CC BY
8
УДК 661.183.4:544.723.212
Варнавская А.Д., Фидченко М.М., Алехина М.Б.
АДСОРБЦИЯ ПАРОВ ВОДЫ НА НАНОКОМПОЗИТАХ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДОМ
Варнавская Алика Дмитриевна, студент бакалавриата 4 курса кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов. e-mail: alika. varnavskaya@mail. ru
Фидченко Михаил Михайлович, аспирант 2 года обучения кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов. e-mail: fidchenkomm@mail ru
Алехина Марина Борисовна, профессор кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов,
e-mail: mbalekhina@yandex.ru
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва,
Изучена адсорбция паров воды при 20 оС на углеродоминеральных материалах, полученных из природных алюмосиликатов и органических веществ, модифицирующих их поверхность углеродом для адсорбционных процессов очистки воды от различных органических примесей.
Ключевые слова: углеродминеральные адсорбенты, адсорбция паров воды, нанокомпозиты на основе алюмосиликатов
ADSORPTION OF WATER VAPORS ON NANOCOMPOSITES BASED ON NATURAL CARBON MODIFIED ALUMINO SILICATE S
Varnavskaya A.D., Fidchenko M.M., Alekhina M.B.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Adsorption of water vapor at 20 ° C on carbon-carbon materials obtained from natural aluminosilicates and organic substances turn them into carbon adsorption processes of water purification from various organic compounds.
Key words: carbon-mineral adsorbents, water vapor adsorption, aluminosilicate nanocomposites
Одним из эффективных адсорбентов для процессов очистки воды от органических загрязняющих веществ являются активированные угли. На сегодняшний день активированные угли выпускаются в большом количестве и ассортименте, однако они являются дорогостоящими материалами. Наряду с активированными углями часто используют науглероженные материалы,
полученные из более дешевого сырья и даже отходов производства.
В качестве пористой матрицы для такого рода адсорбентов и катализаторов могут являться природные глины, содержащие переходные металлы. Преимуществами глин, по сравнению с другими адсорбентами, являются их доступность, дешевизна, наличие достаточных сырьевых ресурсов, нетоксичность. В качестве модификаторов можно использовать различные углеродсодержащие материалы.
Образец монтмориллонитовой глины Борщевского месторождения (Калужская область) измельчали, рассеивали и отбирали фракцию 0,25-1 мм. В качестве источника углерода использовали шинную крошку - продукт переработки автомобильных шин. Для синтеза углеродно-минерального материала (УММ) была взята фракция
0,5 - 1 мм механически измельченной автомобильной резины. Массовая доля частиц заданной фракции не менее 95%. Смесь глины и шинной крошки гранулировали, полученные гранулы подвергали пиролизу в бескислородной среде при 350-800оС с шагом в 50°С.
Адсорбция водяного пара используется в качестве критерия по определению гидрофильности-гидрофобности внешней и внутренней поверхности углеродно-монтмориллонитовых адсорбентов.
Изучение адсорбционных свойств полученных сорбентов по парам воды эксикаторным методом при различной относительной влажности воздуха проводили согласно методике, изложенной в [1,2]. Ошибка определения величины адсорбции составила менее 5%.
Перед измерением образцы были дегидратированы при 105°С до постоянной массы.
Изотермы адсорбции паров воды на пиролизованных при различных температурах образцах УММ приведены на рис. 1.
20 40 60 80 100
Относительная влажность. % Рис. 1. Изотермы адсорбции паров воды при 20 оС на образцах углеродно-минерального материала, пиролизованных при различных значениях температуры.
Как следует из результатов, образцы УММ показали общее снижение количества адсорбированной воды с ростом температуры пиролиза при синтезе материала, что связано с более полным покрытием внутренней поверхности монтмориллонита слоем углерода в результате проведения карбонизации. Разброс
экспериментальных данных связан с ошибками измерения величины адсорбции. Образец глины до пиролиза показал значительно лучшие результаты по адсорбции паров воды. Максимальная величина
адсорбции, достигнутая на данном образце, составила 264 мг/г. Это практически в 1,5 раза больше, чем максимальное значение, полученное на пиролизованных УММ.
Все образцы были исследованы с помощью рентгенофазового анализа. Данные
рентгенофазового анализа свидетельствуют об увеличении количества образовавшегося в результате пиролиза углерода на поверхности образцов УММ с ростом температуры проведения процесса. Элементный анализ показал наибольшее содержание углерода в образце, пиролиз которого проводили при 800°С. Эти данные хорошо согласуются с результатами адсорбции паров воды на этом образце УММ, величина адсорбции на котором оказалась наименьшей. Данные текстурных характеристик, представленные в таблице 1, свидетельствуют об уменьшении удельной поверхности, суммарного объема сорбирующих пор и среднего диаметра пор с ростом температуры пиролиза. Совокупность всех вышеизложенных фактов говорит об увеличении покрытия внешней и внутренней поверхности монтмориллонита пиролитическим углеродом с повышением температуры карбонизации.
Таблица 1 Текстурные характеристики некоторых образцов УМА
Образец УММ Удельная поверхность Sуд, м2/г Объем пор ¥п, см3/г Средний диаметр пор нм
Микро Мезо Суммарный
Пиролиз при 500оС 61,7 0,026 0,328 0,354 2,18
Пиролиз при 750оС 15,6 0,007 0,039 0,046 1,85
Особенности адсорбции паров воды в области малых заполнений на углеродных адсорбентах описаны в [3]. На рис. 2 показаны начальные участки изотерм адсорбции паров воды различными образцами. Как видно из этого рисунка, изотермы адсорбции паров воды на образцах имеют более или менее явно выраженный выпуклый участок в области относительной влажности до 5-10 %.
Рис. 2. Начальные участки изотерм адсорбции паров воды образцами, пиролизованными при различных значениях температуры.
Наличие выпуклого участка на изотерме адсорбции паров воды образцами свидетельствует о том, что в области малых относительных давлений адсорбция происходит преимущественно на первичных адсорбционных центрах, которыми являются катионы металлов и протоны гидроксильных групп монтмориллонита. Если допустить, что они энергетически однородны, то для описания начальных участков изотерм адсорбции паров воды пиролизованными образцами и определения числа первичных адсорбционных центров (ПАЦ) можно применить уравнение Ленгмюра. На рис. 3 приведена зависимость числа ПАЦ, рассчитанных по уравнению Ленгмюра (ат, мг/г), от температуры пиролиза образцов.
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Температура пиролиза, °С
Рис. 3. Зависимость количества поверхностных адсорбционных центров паров воды на поверхности образцов углеродно-минерального материала в зависимости от температуры пиролиза.
Как видно из рис. 3, зависимость количества ПАЦ сорбции паров воды от температуры пиролиза представляет собой степенную функцию (величина достоверности аппроксимации R2 = 0,7086). Величина am имеет ясный физический смысл, поскольку она определена из начального участка изотермы адсорбции, характер которого обусловлен взаимодействием адсорбированных молекул воды с ПАЦ [3].
Величина am снижается с ростом температуры пиролиза гранул материала. Таким образом, значительная часть ПАЦ разрушается или экранируется углеродом в процессе карбонизации материала.
Список литературы
1. Экспериментальные методы исследования адсорбции. Лабораторные работы: учебное пособие /М.Б. Алехина, Т.В. Конькова, Е.Ю. Либерман, А.Г. Кошкин. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. 88 с.
2. ГОСТ 24816-81. «Материалы строительные.Метод определения сорбционной влажности. Дата введения 1982.01.01, переиздание - апрель 1988.
3. Вартапетян Р.Ш., Волощук А.М., "Механизм адсорбции молекул воды на углеродных адсорбентах", Успехи химии. 1995. Т. 64. № 11, С. 1055-1072.
