CC BY
10
УДК 628.567.1
Сейткасымова А.А., Холмирзоев М.С., Конькова Т.В., Власова Т.Г.
АКТИВАЦИЯ КРАСНОГО ШЛАМА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ
Сейткасымова Алия Альбековна, аспирант кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, e-mail: [email protected]
Холмирзоев Мустафо Сайдуллоевич, студент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов,
Конькова Татьяна Владимировна, доктор технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Власова Татьяна Георгиевна, старший преподаватель, 2Российский университет кооперации, Мытищи, Россия 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 12/30
В настоящей работе была проведена активация токсичного отхода производства оксида алюминия -красного шлама с целью получения катализатора для деструкции органических загрязнителей. Были определены текстурные характеристики полученных образцов. Активность полученного катализатора в процессе деструкции моноазокрасителя кармуазина пероксидом водорода в водном растворе составила 97100%. Катализатор обладал высокой устойчивостью к вымыванию активного компонента. Концентрация ионов железа в растворе после катализа не превысила предельно допустимую. Ключевые слова: красный шлам, оксид железа, катализатор, окислительный процесс.
RED MUD ACTIVATION IN ORDER TO OBTAIN A CATALYST FOR OXIDATIVE DESTRUCTION OF ORGANIC POLLUTANTS
Seitkassymova A.A. 1, Kholmirzoev M.S. Kon'kova T.V. Vlasova T.G. 2 1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 2Russian University of Cooperation, Mytishchi, Moscow Oblast, Russia
In this work, a toxic waste from the production of aluminium oxide also known as red mud was activated in order to obtain a catalyst for destruction of organic pollutants. The textural characteristics of the obtained samples of the iron oxide catalyst were identified. The activity of the obtained catalyst in the process of the monoazo dye Azorubine destruction by hydrogen peroxide in an aqueous solution was 97-100 %. The catalyst was highly resistant to washout of the active component. The concentration of iron ions in the solution after catalysis did not exceed the threshold limit value.
Keywords: red mud, iron oxide, catalyst, oxidation process.
Красный шлам представляет собой твердый отход, образующийся в результате переработки бокситовых руд с целью получения оксида алюминия. Данный отход образуется в основном в процессе Байера, в котором для растворения силиката алюминия используют гидроксид натрия. Обычно в производстве 1 тонны глинозема (98 % оксида алюминия и примеси) образуется от 1 до 1,5 тонн красного шлама.
Многие исследователи приложили значительные усилия для изучения процессов переработки красного шлама и снижения его воздействия на окружающую среду. Одной из основных проблем при утилизации красного шлама является его высокое значение pH от 10 до 13, а также, как уже было упомянуто, его большое количество [1]. Огромное количество отхода, складируемого на месторождении очень опасно и токсично, а плохо спроектированные хранилища могут привести к крайне негативному воздействию на человека и окружающую среду. Поэтому были предприняты многочисленные попытки с целью поиска экономически выгодных и экологически безопасных методов утилизации красного шлама. Например, в
некоторых исследованиях изучались методы использования в качестве конструкционных материалов, адсорбентов для удаления загрязняющих веществ, катализаторов и коагулянтов [2-4]. Кроме того, данный вид отхода можно использовать для извлечения ценных металлов [5, 6]. Обычно в красном шламе содержатся такие элементы, как титан, кремний, железо, натрий и алюминий в количестве 2-12 %, 1-9 %, 14-50 %, 1-6 % и 5-14 %, соответственно. В настоящей работе была проведена кислотная активация красного шлама с целью получения катализатора типа Фентона для окислительной деструкции органических загрязнителей в сточных водах.
Каталитическое окисление органических загрязнителей, в том числе красителей в сточных водах является одним из эффективных методов их обезвреживания. Окислительная деструкция органических соединений происходит с помощью пероксида водорода и катализатора типа Фентона, при взаимодействии которых образуются активные гидроксильные радикалы. В качестве катализатора типа Фентона могут выступать соединения железа, в частности, оксид железа. Оксид железа в
значительном количестве содержится в красном шламе. Процесс переработки красного шлама является трудоемким и выделение из него оксида является актуальной задачей на настоящий момент. Таким образом, целью настоящей работы является переработка красного шлама с получением катализатора для окислительной деструкции красителей в сточных водах.
Оксид железа из красного шлама получали методом переосаждения из раствора. Для этого красный шлам перемешивали в разбавленной 20 % соляной кислоте в течение 2 часов. Образовавшийся раствор FeCl3 отделяли центрифугированием от не растворившегося остатка и добавляли к нему осадитель - раствор карбоната аммония. В результате выпадал осадок гидроксида железа коричневого цвета, который высушивали при 110 °С, а затем прокаливали при температуре 500 °С в течение 4 часов. В настоящей работе были исследованы образцы нерастворившегося в соляной кислоте остатка красного шлама и полученного после переосаждения и прокаливания оксида железа.
Текстурные характеристики образцов рассчитывали на основании изотерм адсорбции-десорбции азота при температуре 77 К, полученных на объемнометрической установке Nova 1200e (Quantachrome, США). Удельную поверхность Ьуд образцов рассчитывали методом БЭТ. Суммарный сорбционный объем пор V^ определяли по изотерме адсорбции азота при значении относительного давления, равном 0,99. Средний диаметр мезопор Dме - методом BJH по десорбционной ветви изотермы. Перед измерением изотерм проводили активацию образцов при 300 °С и остаточном давлении 10-3 мм рт. ст. в течение 4 часов [7].
Элементный анализ образцов был проведен на приборе INCA Energy Analyzer (Oxford Instruments) методом рентгеновской флуоресценции.
Каталитическую активность образцов исследовали в реакции окисления органического моноазокрасителя кармуазина пероксидом водорода в водном растворе. Об активности катализаторов судили по обесцвечиванию раствора красителя за
счет разрушения хромофорной азогруппы и уменьшению оптической плотности раствора при длине волны 517 нм с помощью спектрофотометра Spekol 1500 UV-VIS (Analytik Jena AJ, Германия). Начальная концентрация кармуазина в растворе составляла 25 мг/л, содержание катализатора - 3 г/л, количество пероксида водорода с концентрацией 3 мас.% было четырехкратным по сравнению со стехиометрическим для полного окисления кармуазина. Температура опыта - 60 °С, значение рН раствора равно 3. Стабильность катализаторов оценивали по степени вымывания активного компонента в раствор [8]. Анализ содержания ионов железа в растворе после проведения каталитического окисления проводили атомно-абсорбционным методом с использованием спектрометра Квант-АФА (Кортэк, Россия) в центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Представленные в таблице 1 и рисунках 1 и 2 данные свидетельствуют, что не растворившийся в кислоте красный шлам и оксид железа, полученный путем активации шлама, обладают нанопористой структурой, причем преобладают преимущественно мезопоры.
Таблица 1. Текстурные характеристика
катализаторов
Образец м2/г Vx, см3/г Оме, НМ
Нерастворившийся красный шлам 48,5 0,192 6,92; 3,78
Оксид железа 98,4 0,154 4,76
Ранее в работе [9] были представлены данные о том, что неактивированный красный шлам обладает исбыточной щелочностью и низкой активностью в окислении красителя. Переосаждение красного шлама и использование при этом в качестве осадителя гидроксида аммония привело к значительному ее увеличению, однако значение степени обесцвечивания ниже, чем у образца оксида железа, полученного с помощью карбоната аммония.
а) б)
Рис. 1. Изотермы адсорбции-десорбции азота при 77 К нерастворившимся остатком (а) и переосажденным
красным шламом (б)
1.0 0.9
0.8
<
S 07
s °-6
£ 0.5 0.4
0,3 0.2 0,1 0.0
10
20
30
10
а)
50
60
70
1-1 8.0
к 7.0
-g
s
ri < 6.0
а
5.0
-а
> 4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
SO 90 Г, ни
Рис. 2. Распределение пор по диаметрам нерастворившегося остатка (а) и переосажденного красного шлама (б)
При использовании в качестве осадителя карбоната аммония в определенном его количестве удалось достичь значения степени обесцвечивания раствора, близкого к 100 %. К тому же, в сравнении с нерастворившимся красным шламом удельная площадь поверхности полученного катализатора выросла вдвое.
С помощью метода рентгеновской флуоресценции был определен атомный процент таких элементов, как железо и алюминий в полученных образцах. В нерастворившемся остатке красного шлама содержится 16,81 % железа и 5,33 % алюминия, в переосажденном красном шламе - 15,78 % железа и 8,56 % алюминия.
Стабильность системы в отношении вымывания активного компонента в раствор была на высоком уровне. Концентрация ионов железа в водной фазе после реакции окисления красителя не превысила нормы ПДК и составила 0,12 мг/л.
Таким образом, кислотное растворение красного шлама с последующим переосаждением с целью получения катализатора типа Фентона является перспективным методом его переработки.
Список литературы
1. Liu Y., Lin C., Wu Y. Characterization of red mud derived from a combined Bayer Process and bauxite calcination method //Journal of Hazardous materials. 2007. V. 146. №. 1-2. P. 255-261.
2. Klauber C., Gräfe M., Power G. Bauxite residue issues: II. options for residue utilization //Hydrometallurgy. 2011. V. 108. №. 1-2. P. 11-32.
3. Rai S., Wasewar K.L., Lataye D.H., Mukhopadhyay J., Yoo C.K. Feasibility of red mud neutralization with seawater using Taguchi's methodology //International Journal of Environmental Science and Technology. 2013. V. 10. №. 2. P. 305-314.
4. Snars K., Gilkes R.J. Evaluation of bauxite residues (red muds) of different origins for environmental applications //Applied clay science. 2009. V. 46. №. 1. P. 13-20.
5. Binnemans K., Jones P.T., Blanpain B., Van Gerven T., Pontikes Y. Towards zero-waste valorisation of rare-earth-containing industrial process residues: a critical review //Journal of Cleaner Production. 2015. V. 99. P. 17-38.
6. Borra C.R., Blanpain B., Pontikes Y., Binnemans K., Van Gerven T. Recovery of rare earths and other valuable metals from bauxite residue (red mud): a review //Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. V. 2. №. 4. P. 365-386.
7. Сейткасымова А.А., Аистова А.А., Касаткина О.А., КоньковаТ.В. Изучение возможности использования углеродных наноматериалов для очистки сточных вод от органических красителей. //Экологические проблемы промышленных городов: сборник научных трудов по материалам 10-й Международной научно-практической конференции. Саратов: ООО «Амирит», 2021. с.273-277.
8. Сейткасымова А.А., Конькова Т.В., Стоянова А.Д. Получение катализаторов для жидкофазных окислительных процессов из красного шлама. //V Всероссийская научная конференция (с международным участием) «Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов». г. Иваново 30 июня - 2 июля 2021 г. с.406-408
9. Сейткасымова А.А., Конькова Т.В., Стоянова А.Д. Переработка красного шлама с получением катализатора для окислительных процессов в жидкой фазе. Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXXV, № 6 (241). - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2021. С. 92-94.
