CC BY
18Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 25 (64). 2012. № 1. С. 300-304.
УДК 543-4146:542
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ СОРБЕНТОВ И ФИЛЬТРАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Морозкина Е.В.1, Борисов Б.М.2, Джапарова А.М.2
1Крымский государственный медицинский университет им. С.И. Георгиевского,
Симферополь, Украина
2Крымский научно-исследовательский центр института гидротехники и мелиорации
Национальной академии аграрных наук Украины, Симферополь, Украина
E-mail: emorozkina@mail.ru
Изучены физико-химические и текстурных свойства природных кремнеземистых и гранодиоритных пород. Установлена высокая сорбционная активность образца природного кремнезема к растворам маслосодержащих эмульсий (рН=7,6-8,5). Проанализированы возможности интенсификации сорбционного метода очистки воды. Определены факторы и условия надежности процесса очистки воды в фильтрующих сооружениях.
Ключевые слова: природный кремнезем, гранодиорит, сорбент, фильтрующие материалы.
ВВЕДЕНИЕ
Природным сорбентам и фильтрационным материалам уделялось и продолжает уделяться большое внимание. Это касается как изучения их свойств, так и применения в различных отраслях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в качестве сорбентов в процессах очистки сточных и подземных вод и пр. Особый интерес, связанный с физико-химическими свойствами, составом и областью применения, представляют природные кремнеземы (опока, диатомит) и диориты (гранодиорит). До настоящего времени не было детальных исследований свойств и структуры этих доступных природных материалов, весьма перспективных в качестве сорбентов и фильтрующих материалов. Дефицит качественного кварцевого песка и активированных углей в Украине, особенно отечественного производства, вынуждает вести поиск местных фильтрующих материалов. Поэтому основной задачей настоящей работы являлось комплексное изучение физико-химических и текстурных свойств кремнеземистых и гранодиоритных пород.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследования были выбраны кремнеземы Ирбитского горизонта Свердловской области и гранодиориты Лозовского карьера Симферопольского района АР Крым, которые являются одними из крупнейших в России и на Украине месторождений.
Перед анализом образцы природных кремнеземов (опока и диатомит) были подвергнуты механическому измельчению с последующим просеиванием на ситах.
Диаметр полученных частиц составлял 1.5-2 и 0.25-0.5 мм. После просеивания вся масса пробы усреднялась перемешиванием. Изучение текстурных особенностей образцов кремнеземов проводили с использованием методов адсорбционно-структурного анализа и ртутной порометрии ("8огр1;ота1;ю-1900","Рого81те1ег-2000"). Расчёты площади удельной поверхности (§БЭТ) образцов выполняли по методу БЭТ [1] в интервале равновесных относительных значений паров азота Р/Ро = 0.05-0.33. Значения адсорбционного удельного объёма пор Уадс. определяли по величине адсорбции азота при относительном равновесном давлении насыщения Р/Р0=0.996 (максимальный объем пор по данным адсорбции, включающий объем микро- мезо- и частично макропор. Распределение пор по размерам рассчитывали по адсорбционным и десорбционным ветвям изотерм по методу Доллимора-Хилла [2]. Метод определения массовой концентрации нефтепродуктов основан на извлечении нефтепродуктов из анализируемых вод органическим растворителем, отделении от полярных соединений колоночной хроматографией на оксиде алюминия и количественном определении гравиметрическим методом. Модельные растворы маслосодержащей эмульсии (рН=7,6-8,5) готовились на основе смазки ЭСП-3 (22%) путем разбавления ее водой (78%). В состав смазки ЭСП-3 входят триэтаноламин - 5.5-6.5%, олеиновая кислота - 9.5-10.5% и масло И-12-85 - 83%.
Крымский горный (гранодиоритный) песок производится на работающих предприятиях строительной индустрии бывшего объединения «Крымнерудпром». Песок получают в результате дробления и рассева горных диоритных пород.
РЕЗУЛЬТАТЫ И обсуждение
Данные химического состава (табл. 1) кремнеземов (опоки и диатомита) и гранодиорита показывают, что изучаемые образцы являются высококремнистыми породами, содержащими до 85% 8Ю2. По данным рентгенофазового анализа кремнезем в опоке и диатомите сложен из рентгеноаморфного опала с примесями тридимита и а-кварца. Химико-минералогический состав крымского горного песка (гранодиорита) представлен, в основном, кварцитом, полевым шпатом, оксидами кремния и алюминия.
Таблица 1
Содержание основных компонентов в исследуемых образцах
Образцы Основные компоненты, %
8x02 М2О3 Ре203 СаО МеО Н2О 802, СО2 Примеси
Диатомит 76,45 6,17 2,94 0,52 1,09 12,07 0.76
Опока 83,32 3,73 1,61 0,59 0,78 9,44 0.53
Гранодиорит 69,50 16,49 - 4,17 3,15 - 2,78
Поскольку возможность применения сорбента в той или иной области промышленности связана с характером пористости, величиной пор и их
распределением по размерам, величинами удельной поверхности и адсорбционного объема, нами была изучена структура кремнеземов данных месторождений. В Табл. 2 представлены основные текстурные характеристики образцов кремнеземов. Рассчитанные из изотерм адсорбции азота значения удельной поверхности по методу Брунауэра, Эмета и Теллера (БЭТ) свидетельствуют о том, что образец опоки по сравнению с диатомитом обладает большей удельной поверхностью и адсорбционным объемом, поэтому для дальнейших исследований была выбрана опока.
Таблица 2
Сравнение удельной поверхности и адсорбционного объема пор опоки (желтой и серой), диатомита и гранодиорита
Название породы Удельная поверхность, вычисленная по методу БЭТ, м2/г Адсорбционный объем (при Р/Ро=0.99), смз/г
Опока 148 0,426
Диатомит 32 0,118
Гранодиорит 38-41 -
Образец опоки кроме мезопор (с Вмезо=11 нм, Уад=0.43 см3/г при р/ро=0.99 и 8бэт=148 м2/г) имеет область и макропор с Бта=148 нм, Уад=0,33 см3/г и 8Нё=8,92 м2/г. Суммарная удельная поверхность данного образца составила 157 м2/г; суммарный удельный объем пор - 0,65 смз/г [3].
Установлено, что пористость собственно гранодиоритных зерен составляет 28%, водопоглощаемость 5%, измельчаемость и истираемость <3,5%, а химическая стойкость и природная радиоактивность соответствуют требованиям Минздрава. Материал имеет развитую удельную поверхность, высокие порозность слоя (56-58 %) и острую шероховатую поверхность зёрен, что обуславливает хорошие адгезионно-сорбционные свойства, позволяющие очищать воду не только от взвешенных, коллоидных, но и растворённых ингредиентов. Механическая прочность составляет 1000 кг/см.
С образцами опоки, прокаленной при 600 и 1200 С, проведены лабораторные испытания на предприятии ОАО «Михалюм» (г. Михайловск). Была изучена сорбционная способность опоки по отношению к нефтепродуктам в растворах маслосодержащих эмульсий (с рН=7,6-8,5) на основе смазки ЭСП-3. Проведено сравнение их с традиционно используемыми в процессах очистки кварцевым песком и Тюльганским бурым углем «Атюль» [4]. Остаточная концентрация нефтепродуктов представлена в таблице 3.
Результаты исследований показали, что при локализованной очистке наибольшей эффективностью обладает образец опоки, прокаленной при 6000С, степень извлечения которого составляет 85,6%. Высокая сорбционная активность желтой опоки по отношению к масло- и нефтесодержащим эмульсиям объясняется наличием мезопор в образце.
Таблица 3.
Сорбционная очистка от нефтепродуктов маслосодержащих эмульсий
Фильтрующий материал Показатели очистки
Остаточная концентрация нефтепродуктовмг/л Извлечение %
1. Опока, Тобж=12000С 2. Опока, Тобж =6000С 3. Тюльганский бурый уголь "Атюль" 4. Кварцевый песок 1188,6 218,1 721,4 362,8 21,6 85,6 52,4 76,1
Примечание: *Исходная концентрация нефтепродуктов: Сисх = 1515,6 мг/л
С образцами мелкозернистого (ёэ=0,9 м, Кн=2,2) и среднезернистого (ёэ=1,54 м, Кн=2,0) гранодиоритного песка проведены технологические фильтрационные исследования по очистке природных вод от цветности, запахов и других органоминеральных токсичных ингредиентов. Более высокий эффект очистки воды от загрязнителей (до 90%) в течение 18-22 часов положительного фильтроцикла был зарегистрирован в мелкозернистом гранодиоритном фильтре [5] .
На основании данных моделирования механизма процесса очистки воды и практического применения разработанной технологии [6] подчеркнуты преимущества гранодиоритных фильтровальных сооружений и эффективность обеспечения ими санитарно-гигиенических показателей очищенной питьевой воды. Повышению эффективности сорбции способствует увеличение числа активных зон на поверхности сорбента. Важным выводом является то, что технология может обеспечить достижение нормативных санитарно-гигиенических требований в существующих технологических схемах систем водоснабжения. Наличие возможности регенерации фильтрующих загрузок из гранодиоритного песка позволяет эксплуатировать подобные фильтровальные сооружения в течение 4-5 лет без их замены. Рационализация типа применяемых фильтросорбов и конструкций фильтрующих сооружений с целью интенсификации метода позволит на 30-40% снизить эксплуатационные расходы, улучшить качество питьевой воды, повысив уровень ее безопасности.
ВЫВОДЫ
1. Методами ртутной порометрии и адсорбционно-структурного анализа показано, что удельная поверхность 8БЭТ образца желтой опоки составляет 148 м2/г; преобладающий размер пор относится к мезообласти (от 2 до 50 нм); суммарный удельный объем пор У^ = 0,493 смз/г.
2. Присутствие мезопор на поверхности опоки обуславливает не только ее сходство по адсорбционно-структурным свойствам с искусственными кремнеземами (силикагелем, активным оксидом алюминия и синтетическими цеолитами), но также и сфер ее возможного применения, то есть в качестве
поглотителей воздуха и газов, осушителей минеральных масел, газовых и жидкостных сред, разделителями многокомпонентных смесей углеводородов.
3. Установлены высокие адгезионная способность природного крымского гранодиорита и сорбционная активность прокаленного при температуре 6000°С образца природного кремнезема (опоки) к растворам маслосодержащих эмульсий (рН=7,6-8,5).
4. Исследование адгезионно-каталитических свойств образцов крымского гранодиорита подтвердило легитимность использования нового фильтрационного материала для очистки им различного состава природных вод. Показано преимущество гранодиоритного песка для обеспечения нормативного качества воды.
Список литературы
1. Брунауэр С. Адсорбция газов и паров / Брунауэр С. // Под ред. акад. М.М. Дубинина. - М. : Мир, 1948. - Т. 1. - 783 с.
2. Dollimore D. Pore-size Distribution in Typical Adsorbent Systems / D. Dollimore, G.R. Heal // Journal of Colloid and Interface Science. - 1970. - Vol. 33, No. 4. - Р. 508-520.
3. Морозкина Е.В. Исследование текстурных характеристик образцов кремнеземистых пород / Е.В. Морозкина, А.И. Матерн, О. А. Реутова // Деп. ВИНИТИ. - 2002. - № 19. - №19-В2002.
4. О возможности использования кремнеземов Свердловской области / Е.В. Морозкина, А.И. Матерн, В.Н. Рычков [и др.] // Экологические проблемы промышленных регионов. Материалы VI Всероссийской конференции. - Екатеринбург. - 2004. - С. 277
5. Борисов Б.М. Современные проблемы водоочистки, интенсификация технологии осветления, обесцвечивания и дезодорации воды на действующих водоочистных сооружениях / Б.М. Борисов, А.А. Дубовой // Вюник шженернй академй Украши. - Кшв, 2006. - Вип. 1. - С. 110-113.
6. Борисов Б.М. Угольно-гранодиоритные фильтры в технологиях очистки подземных вод / Б.М. Борисов // Вюн. Инженерж^ академй Украши. - 2007, № 1. - С. 131-134.
Морозкша Е.В. Експериментальна оцшка властивостей природних сорбентш та фшьтрацшних матерiалiв / Е.В. Морозкша, Б.М. Борисов, А.М. Джапарова // Вчеш записки Тавршського нацюнального ушверситету iм. В.1. Вернадського. Сeрiя „Бюлопя, хiмiя". - 2012. - Т. 25 (64), № 1. -С. 300-304.
Вивчеш физико-хiмiчнi властивосп та властивосп текстур природних кремнеземних та гранодюритних порвд. Встановлена висока сорбщйна активтсть зразка природного кремнезему до розчишв емульсш (рН=7,6-8,5). Проаналiзовано можливосл штенсифжацл сорбцшного методу очищення води. Визначеш фактори i умови надшносп процесу очистки води у фшьтруючих спорудах. Ключовi слова: природний кремнезем, гранодюрит, сорбент, фшьтрукга матерiали.
Morozkina E.V. Experimental search of natural sorbents and filtration materials properties / E.V. Morozkina, B.M Воrisov, A.M. Dgaparova // Scientific Notes of Taurida V.Vernadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2012. - Vol. 25 (64), No. 1. - Р. 300-304.
Physico-chemical and textural properties of the natural siliceous rocks and granodioritnyh are studied. The high sorption activity of the sample of natural silicon to solutions oil-emulsion is established (рН=7,6-8,5). The possibilities of intensifying sorption method of water purification. The factors and conditions of the reliability of process water treatment in filter structures are determined. Keywords: natural silica, granodiorite, sorbent, filters materials.
Поступила в редакцию 18.01.2012 г.
