CC BY
20DOI: 10.6060/tcct.2017608.5663 УДК: 661.183
АДСОРБЦИЯ ФОСФАТ-ИОНОВ НА КРАСНОМ ШЛАМЕ
С.М. Крамер, М.В. Терехова, И.В. Артамонова
Светлана Михайловна Крамер*, Мария Валерьевна Терехова, Инна Викторовна Артамонова НОЦ «ХимБиотех», Московский политехнический университет, ул. Б. Семеновская, 38, Москва, Российская Федерация, 107023
E-mail: rusakova14@gmail.com*, terehova.m-v@yandex.ru, inna741@mail.ru
В работе исследована возможность красного шлама (отход производства алюминия по методу Байера) адсорбировать фосфат-ионы из водных растворов при различной концентрации ионов и в диапазонерНот 3 до 10. Аргументирована актуальность использования красного шлама для получения на его основе сорбентов. Проведена идентификация исследуемого объекта методом рентгенофазового анализа, установлен качественный и количественный состав красного шлама. Описана методика активации красного шлама соляной кислотой, а также методика исследования адсорбции фосфат-ионов на поверхности красного шлама. Проведены экспериментальные исследования адсорбции фосфат-ионов на поверхности активированного соляной кислотой красного шлама в зависимости от рН и концентрации исходного раствора. Представлена зависимость адсорбции фосфат-ионов на активированном соляной кислотой красном шламе от рН среды и от начальной концентрации фосфат-ионов в растворе. В работе приводятся данные зависимости относительной доли распределения различных ионов фосфорной кислоты от рН. Выявлена форма фосфат иона, обладающая наибольшей адсорбционной активностью на активированном соляной кислотой красном шламе в условиях эксперимента. Экспериментальные данные зависимости адсорбции фосфат-ионов от начальной концентрации их в растворе описаны с помощью изотермы Фрумкина. Рассчитаны следующие параметры адсорбции: константа адсорбционного равновесия (в), значение предельной адсорбции (А<), параметр межмолекулярного взаимодействия адсорбированных частиц (а). Установлены оптимальные значения рН для адсорбции фосфат-ионов на активированном соляной кислотой красном шламе.
Ключевые слова: красный шлам, фосфат-ионы, активация, адсорбция, изотерма Фрумкина
UDC: 661.183
ADSORPTION OF PHOSPHATE IONS ON RED SLUDGE S.M. Kramer, M.V. Terekhova, I.V. Artamonova
Svetlana M. Kramer *, Mariya V. Terekhova, Inna V. Artamonova
Department of Chemistry and Biotechnology, Moscow Polytechnic University, Bolshaya Semenovskaya st., 38,
Moscow, 107023, Russia
E-mail: rusakova14@gmail.com *, terehova.m-v@yandex.ru, inna741@mail.ru
In work the possibility of red sludge (waste of aluminum production by Bayer's method) to adsorb phosphate ions from water solutions at various concentration of ions and in the pH range from 3 to 10 is studied. Relevance of use of red sludge for receiving on its basis of sorbents is reasoned. For identification of the studied object the qualitative and quantitative composition of red sludge was established by the method of the X-ray phase analysis. The technique of red slage activation by hydrochloric acid, and also an adsorption technique of phosphate ions on the red
sludge surface is described. Experimental studies of adsorption ofphosphate ions on the surface of the red slage activated by hydrochloric acid depending on рН and concentration of initial solution were conducted. The dependence of adsorption phosphate ions on the red slage activated by HCl on рН and on the initial concentration of phosphate ions in solution is presented. These dependences of a relative fraction of distribution of various ions of phosphoric acid on рН are given in work. The form of ion phosphate having the greatest adsorptive activity on the red slage activated by hydrochloric acid in experimental conditions is revealed. Experimental data on dependence of adsorption of phosphate ions on their initial concentration in solution are described by Frumkin's isotherm. The constant of the adsorptive balance, limit adsorption, the parameter of intermolecular interaction of the adsorbed particles are calculated. Optimum conditions for adsorption of phosphate ions on red slage are established.
Key words: red slage, phosphate ions, activation, adsorption, Frumkin's isotherm Для цитирования:
Крамер С.М., Терехова М.В., Артамонова И.В. Адсорбция фосфат-ионов на красном шламе. Изв. вузов. Химия и
хим. технология. 2017. Т. 60. Вып. 8. С. 80-83. For citation:
Kramer S.M., Terekhova M.V., Artamonova I.V. Adsorption of phosphate ions on red sludge. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved.
Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 8. P. 80-83.
ВВЕДЕНИЕ
Фосфаты относятся к одним из распространенных загрязняющих веществ водных объектов, содержатся в сточных водах промышленных предприятий, специализирующихся на производстве удобрений, фосфорной кислоты и ее солей, поверхностно-активных веществ, присутствуют в бытовых сточных водах.
Красный шлам - отход алюминиевого производства по методу Байера - мелкодисперсное вещество, состоящее преимущественно из оксидов железа и алюминия, обладающее высокой сорбци-онной способностью.
Из-за отсутствия эффективных технологий переработки основная масса красных шламов не используется и складируется в специальных шла-мохранилищах, вопрос его переработки на сегодняшний день остается актуальным.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Красный шлам, используемый в данном исследовании, является промышленным отходом Уральского Алюминиевого завода.
Таблица 1
Химический состав красного шлама
Компонент Содержа- Компонент Содержа-
шлама ние, % шлама ние, %
SiÜ2 13,1 AI2O3 16,0
Fe2Ü3 36,8 CaÜ 10,4
H2O 9,2 TiÜ2 4,5
Na2Ü 7,8 Прочие 2,2
Для активации красный шлам промывали 0,1 моль/л раствором соляной кислоты (НС1) при непрерывном перемешивании в течении 1 ч при комнатной температуре, отстаивали полученную суспензию, фильтровали, высушивали при температуре 100-110 °С и измельчали.
Адсорбцию фосфат-ионов проводили при начальной концентрации фосфата в растворе от 0,0015 до 0,005 моль/л при постоянной концентрации фонового электролита КС1 0,1 моль/л. Масса адсорбента во всех случаях была равной 1 г, время контакта его с раствором фосфата составляло 1 ч при непрерывном перемешивании на магнитной мешалке с частотой вращения 350 об/мин.
Для определения фосфатов применяли фотометрический метод, переводя фосфорную кислоту в гетерокомплексную фосфорно-молибдено-вую, окрашенную в желтый цвет, и восстанавливая эту гетерокислоту до синего соединения хлоридом олова. Результаты получали, пользуясь градуиро-вочным графиком, предварительно построенным по стандартным растворам фосфатов [1].
Величину адсорбции определяли по разности начальной и конечной концентрации ионов, отнесенной к единице массы адсорбента по формуле:
A =
С
Ск
m
где А - адсорбция, моль/г-л, Снач. - концентрация фосфат-ионов в исходном растворе, моль/л, Скон. -концентрация фосфат-ионов в растворе после адсорбции, моль/л, т - масса адсорбента, г.
Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 8
81
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
Экспериментально исследована зависимость величины адсорбции фосфат-ионов на активированном красном шламе от рН при разных начальных концентрациях раствора. Адсорбционная способность красного шлама тесно связана с величиной рН [2-3]. Полученные результаты представлены на рис. 1.
чение адсорбции в диапазоне рН 3-6. Процесс адсорбции отрицательно заряженных фосфат-ионов на положительно заряженной поверхности красного шлама описывается равновесием:
МеОШ+ + Н2РО4- ^ МеОШ .. Н2РО4-При значении рН больше 10 удаление анионов из раствора происходит незначительно.
Экспериментально исследована зависимость величины адсорбции от конечной концентрации фосфат-ионов в растворе при различных значениях рН (рис. 3).
Рис. 1. Зависимость адсорбции фосфат-ионов на активированном красном шламе от рН при разных начальных концентрациях раствора: 1 - 0,005; 2 - 0,0025; 3 - 0,0015 моль/л Fig. 1. The dependence of adsorption of phosphate ions on the activated red slage on рН at different initial concentrations of solution: 1 - 0.005; 2 - 0.0025; 3 - 0.0015 mol/l
Сорбция фосфат-ионов наиболее эффективна в кислой среде и уменьшается с увеличением рН. Снижение адсорбции фосфат-ионов с ростом рН объясняется уменьшением количества положительно заряженных кислотных центров на поверхности красного шлама и распределением различных форм фосфат-ионов в зависимости от рН (рис. 2) [4].
Рис. 2. Зависимость относительной доли распределения различных ионов фосфорной кислоты от рН: 1 - H3PO4; 2 - H2PO4-; 3 - HPO42-; 4 - PO43-Fig. 2. The dependence of relative fraction of distribution of phosphoric acid ions on рН: 1 - H3PO4; 2 - H2PO4-; 3 - HPO42-; 4 - PO43-
Наиболее адсорбционно-активной формой является H2PO4-, которая имеет максимальное зна-
C, моль/л -10
Рис. 3. Зависимость адсорбции фосфат-ионов на активированном красном шламе от конечной концентрации фосфатов
в растворе при различных рН: 1 -4; 2 -5; 3 -8 Fig. 3. The dependence of аdsorption of phosphate ions on the activated red slage on the final concentration of phosphate ions in solution at various pH: 1 -4; 2 -5; 3 -8
Точки - экспериментальные данные, линии -графическое изображение изотермы Фрумкина.
Полученные адсорбционные кривые имеют S-образный вид и наиболее близко описываются с помощью изотермы Фрумкина:
Pc = (0/(1-0))-exp(-2a0), где: в - константа адсорбционного равновесия, © - степень заполнения поверхности адсорбатом; с - объемная концентрация адсорбирующегося вещества; a - параметр межмолекулярного взаимодействия адсорбированных частиц.
Таблица2
Адсорбционные параметры изотермы Фрумкина Table 2. The adsorptive parameters of the Frumkin isotherm
pH a A® в
4 1,9 0,011 312,984
5 1,7 0,011 257,719
6 1,9 0,011 168,822
Применимость изотермы Фрумкина проверялась методом решения нелинейных уравнений в программе Ма1Ьса<1 и доказывалась совпадением
экспериментальных точек и расчетных значений изотермы.
В результате получены значения предельной адсорбции (А да), параметра межмолекулярного взаимодействия адсорбированных частиц (а), константы адсорбционного равновесия (Р) (табл. 2).
Так как значения а находятся в диапазоне от 1,7 до 1,9, то можно сделать вывод, что фосфат-ионы, находящиеся в растворе, взаимодействуют с поверхностью адсорбента.
ВЫВОДЫ
Экспериментальные данные адсорбции фосфат-ионов на красном шламе описаны изотермой
Фрумкина, в результате получены значения предельной адсорбции (Ада), параметра межмолекулярного взаимодействия адсорбированных частиц (а), константы адсорбционного равновесия (Р).
С увеличением рН адсорбция фосфат-ионов снижается, так как уменьшается количество положительно заряженных адсорбционных центров на поверхности красного шлама.
Предварительно активированный соляной кислотой красный шлам можно использовать для производства на его основе адсорбентов для очистки водных объектов от анионов, в том числе от фосфат-ионов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марченко З. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир. 1971. 501 с.
2. Артамонова И.В., Горичев И.Г., Лайнер Ю.А., Голо-лобова Е.А., Курмышева А.Ю., Терехова М.В. Взаимодействие оксидов, оксигидроксидов и гидроксидов алюминия с растворами электролитов. М.: Ун-т машиностроения. 2012. 140 с.
3. Terekhova M. V., Gorichev I. G., Layner Yu.A., Ar-tamonova I. V., Rusakova S.M. Adsorption of dichromate ions on the red mud surface. Russ. metallurgy (METALLY). 2014. N 7. P. 512-515.
4. Русакова С.М., Горичев И.Г., Клюев А.Л., Лайнер Ю.А., Артамонова И.В. Влияние фосфат-ионов на анодное растворение титана. Химическая технология. 2011. Т. 12. № 3. С. 1079-1085
REFERENCES
1. Marchenko Z. Photometric determination of elements. M.: Mir. 1971. 501 p. (in Russian).
2. Artamonova I.V., Gorichev I.G., Laiyner Yu.A., Go-lolobova E.A., Kurmysheva A.Yu., Terekhova M.V. Reaction of oxides, oxyhydroxides and hydroxides of aluminum with solutions of electrolytes. M.: University of mechanical engineering. 2012. 140 p. (in Russian).
3. Terekhova M.V., Gorichev I.G., Layner Yu.A., Artamonova I.V., Rusakova S.M. Adsorption of dichromate ions on the red mud surface. Russian metallurgy (METALLY). 2014. N 7. P. 512-515.
4. Rusakova S.M., Gorichev I. G., Kluev A.L., Laiyner Yu.A., Artamonova I. V. Influence phosphate ions on anode dissolution of the titanium. Khim.Tekhnol. 2011. V. 12. N 3. P. 1079-1085 (in Russian).
Поступила в редакцию 22.06.2017 Принята к опубликованию 14.07.2017
Received 22.06.2017 Accepted 14.07.2017
Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 8
83
