CC BY
7
УДК 661.183.2; 66.087.4
Колесников В.А., Милютина А.Д., Вороненко И.А.
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ПОРОШКООБРАЗНОГО АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ «ОУ-Б» ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В ПРИСУТСТВИИ КОАГУЛЯНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ
Колесников Владимир Александрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ТНВ и ЭП.
Милютина Алёна Дмитриевна, к.т.н., ведущий инженер кафедры ТНВ и ЭП,; milyutina alena rhtu@mail.ru; Вороненко Ирина Андреевна, обучающийся кафедры ТНВ и ЭП.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Экспериментально изучена возможность электрофлотационного извлечения порошкообразного активированного угля марки ОУ-Б. Показаны результаты электрофлотации угля ОУ-Б при различных значениях pH раствора. Установлены оптимальные условия для извлечения угля ОУ-Б в присутствии коагулянтов различной природы (Fe3+, Al3+, Ti4+), поверхностно-активных веществ (анионное, катионное и неионогенное).
Ключевые слова: электрофлотация, поверхностно-активные вещества, активированный уголь, степень извлечения, коагулянт.
ELECTROFLOTATION EXTRACTION OF POWDERED ACTIVATED CARBON "OU-B" FROM AQUEOUS SOLUTIONS IN THE PRESENCE OF COAGULANTS OF DIFFERENT NATURE
Kolesnikov V.A., Miluytina A.D., Voronenko I.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
We experimentally examined the electroflotation extraction possibility of powdered activated carbon of the brand «OU-B». The electroflotation results of coal OU-B at various pH of the solution was shown. The optimal conditions for the extraction of coal OU-B in the presence of different types coagulants (Fe3+, Al3+, Ti4+), surfactants (anionic, cationic and nonionic) was determined.
Keywords: electroflotation, surfactant, activated carbon, the degree of extraction, coagulant.
В настоящее время неуклонно возрастает применение активированного (активного) угля. Это связано с развитием промышленного производства продукта в 20-21вв. Уже на протяжении большого периода времени активный уголь используется во многих процессах химической технологии. Кроме того, очистка сточных вод и отходящих газов основана главным образом на адсорбционной способности активного угля. Также уголь позволяет достигать постоянно меняющиеся требования к чистоте питьевой воды. Улучшение качества продукта непосредственно связанно с усовершенствованием способов его производства: в значительной степени этому способствует успешное развитие современной адсорбционной техники.
Для очистки сточных вод промышленных производств от органических и неорганических загрязнителей в качестве сорбента широко применимы порошкообразные активированные угли (ПАУ). Вводят активные угли непосредственно в водную фазу, т.к. эффективность данного процесса очистки выше, чем при адсорбции в стационарном слое на фильтрах. Однако, ввиду того, что размер частиц порошкообразных углей достаточно мал (10 -15 мкм) их извлечение при помощи классических методов (седиментация, фильтрация и флотация) малоэффективно. Поэтому поиск условий эффективного извлечения ПАУ является актуальной
научной задачей. В качестве альтернативного способа был предложен метод электрофлотации.
Целью работы являлось определение эффективности и интенсивности
электрофлотационного извлечения
порошкообразного активированного угля марки ОУ-Б в присутствии различных органических (ПАВ) и неорганических соединений (коагулянтов).
Материалы и методика
Извлечение порошкообразного активированного угля марки ОУ-Б из водного раствора, содержащего сульфат-ионы, осуществлялось в непроточном электрофлотаторе с нерастворимыми анодами [1].
Уголь ОУ-Б - это уголь, получаемый из экологически чистого сырья - древесины березы методом обработки водяным паром при температуре 800-950^ с последующим измельчением и выщелачиванием в растворе соляной кислоты. Уголь активный ОУ-Б представляет собой углеродосодержащий тонкодисперсный порошок с сильно развитой внутренней пористостью, широким диапазоном пор и большой величиной удельной поглощающей поверхности (не менее 850 м2 в 1 г угля) [2, 3].
Исследования проводили с использованием водных растворов угля марки ОУ-Б в присутствии фонового электролита Na2SO4 при комнатной температуре (20 ± 2°С). В исследованиях использовали коагулянты: РеС13, А12^04)3, ТЮ4.
Также в качестве добавок использовались различные типы ПАВ: анионный (№008), катионный (Катинол) и неионогенный (ТгйопХ-ЮО, ТХ-100) с концентрацией 100 мг/л.
Эффективность процесса извлечения ПАУ из раствора оценивали по степени извлечения а (%), которую рассчитывали по формуле (1), где сисх/скон -исходная/конечная концентрация угля, мг/л:
а =
С -С
ИСХ , I'
- 100%, (1)
Массовую концентрацию угля измеряли турбидиметрическим методом при помощи мутномера марки Н1 98703. Контроль рН осуществляли с помощью рН-метра (иономера лабораторного) И-160МИ с комбинированным электродом (ЭСК - 10603).
Результаты и их обсуждение Известно, что на процесс электрофлотационного извлечения большое влияние оказывает величина рН. От рН раствора зависит формирование заряда частиц, а также их эффективное взаимодействие с пузырьками газа Н2 или 02.
Исследовано влияние рН раствора на степень извлечения угля ОУ-Б (таблица 1).
Таблица 1. Зависимость степени извлечения активированного угля ОУ-Б в диапазоне рН от 3 до 11 от
т, мин рН
3 4 5 6 7 8 9 10 11
5 59 60 26 22 31 39 33 16 17
10 71 76 28 25 55 59 52 23 27
20 72 76 32 31 56 67 59 15 23
¡у = 0,4 А/л; с (Ыа£04) = 1 г/л; Аш ОУ-Б = 100 мг
Степень извлечения дисперсной фазы достигает 60% за первые 5 мин процесса при рН равном 3 и 4, с течением времени эффективность извлечения повышается до 72-76 %. В нейтральной и слабощелочной среде (при рН 7-9) степень извлечения достигает 60%. Однако, в слабокислой (при рН 5, 6) и в щелочной среде (при рН 10, 11) процесс идет менее эффективно (а<30 %).
Исследовали также влияние природы коагулянта и рН среды на эффективность электрофлотационного извлечения угля ОУ-Б. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость степени извлечения активированного угля ОУ-Б от времени в присутствии
---------- Л7„3+ л 13+ч „„„ „тт
Коагулянты Степень извлечения активированного угля ОУ-Б аЭФ, %
БеСЬ А12(Б04)3
т, мин рН
5 7 9 5 7 9
5 53 67 26 5 5 7
10 53 49 8 9 5 3
20 67 48 13 9 4 3
При добавлении в систему коагулянта, содержащего ионы Бе3+ (БеС13) наблюдается заметное повышение эффективности
электрофлотационного процесса. При введении А12(804)3, наоборот, степень электрофлотационного извлечения значительно снижается с увеличением концентрации коагулянта. Пенный слой -неустойчив и разрушается под действием пузырьков газа, поднимающихся на поверхность раствора. Для эффективного извлечения угля оптимальным диапазоном рН является 5-7.
В последнее время инновационным высокоэффективным химическим реагентом для подготовки воды питьевого качества, очистки промышленных и бытовых сточных вод, а также других целей очистки воды от специфических загрязнений стал титановый коагулянт.
Титановый коагулянт - полимерная неорганическая композиция на основе хлорсодержащих соединений титана и алюминия [3].
Поэтому были проведены исследования по влиянию хлорида титана (IV) (области рН и концентрации) на эффективность
электрофлотационного извлечения угля марки ОУ-Б. Результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Зависимость степени извлечения активированного угля ОУ-Б от рН и от времени процесса электрофлотации в присутствии коагулянта Т1С14
т,мин Степень извлечения активированного угля ОУ-Б аэФ, %
Без добавок (РН 7) с (ТЮ14), мг/л
5 10 20
рН
3 4 5 3 4 5 3 4 5
5 31 17 22 9 13 13 13 1 3 23
10 55 17 25 7 6 6 3 1 2 8
20 56 2 14 4 1 40 1 2 2 2
¡у = 0,4 А/л; с (Ыа£04) = 1 г/л; Аш ОУ-Б = 100 мг
Исходя из полученных результатов, наблюдается подавление процесса электрофлотационного извлечения порошкообразного активированного угля ОУ-Б по сравнению с процессом, проводимым без добавления коагулянта ТЮ4.
Также был исследован электрофлотационного извлечения угля
(Бе
3+
А13+)
процесс ОУ-Б в и ПАВ
присутствии коагулянтов различной природы.
Присутствие ПАВ и коагулянта растворе, содержащем уголь интенсифицирует и повышает эффективность электрофлотационного процесса (Рисунок 1).
водном ОУ-Б,
¡у = 0,4 А/л; с (Ыа£0) = 1 г/л; Аш ОУ.Б = 100 мг; ст
'V
мг/л
: 10
I I
IDNaDDS ИКатннал □TK-1W
А 1(111)
Рисунок 1 - Влияние природы коагулянта на степень извлечения активированного угля ОУ-Б из водного раствора в присутствии ПАВ различной природы. Условия: C(Men+) = 10 мг/л; С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; C(Na2SO4) = 50 мг/л; iv = 0,2 А/л; рН = 7; т = 30 мин
Анализ диаграммы показал, что в присутствии анионного ПАВ NaDDS уголь ОУ-Б практически не извлекается (а = 3-30%).
В системе катионного ПАВ Катинол наблюдался положительный эффект извлечения угля - степень извлечения достигала 80% в присутствии Al3+. Аналогичный результат извлечения угля наблюдался в системе неионогенного ПАВ Triton X-100.
Заключение
Таким образом, была показана возможность электрофлотации порошкообразного
активированного угля марки ОУ-Б из раствора при введении органических и неорганических добавок.
Изучение влияния рН раствора показало, что наиболее эффективно процесс протекает при рН 5-7.
Установлено, что добавки титанового (Т1С14) и алюминиевого (А12(8О4)3) коагулянта подавляют процесс электрофлотационного извлечения
активированного угля ОУ-Б. Однако в присутствии коагулянта FeCl3 степень извлечения угля достигает 50-67%.
Найдены оптимальные условия для электрофлотации активированного угля марки ОУ-Б: рН = 7; iv = 0,4 А/л; с(№2804) = 1 г/л; Дтоу-Б = 100 мг; c(Fe3+) = 10 мг/л.
Результаты исследований показали, что метод электрофлотационного извлечения активированного угля марки ОУ-Б наиболее эффективен в присутствии коагулянта Al3+ - эффективность процесса повышается до 80-84% в присутствии катионного и неионогенного ПАВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.583.21.0068 от 22 ноября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI58317X0068.
Список литературы
1. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий [Текст] / Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. и др.: Под ред. Колесников В.А. - М.: Химия, 2007. - 304 с.
2. ГОСТ 4453-74 Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный. Технические условия (с Изменениями N 1-5)
3. Уголь активированный марки ОУ-Б [Электронный ресурс] / URL: https://www.mtksorbent.ru/ugol-aktivnyj-aktivirovannyj/ugli-aktivnye-na-drevesnoj-osnove/ugol-aktivnyj-ou-b-detail (дата обращ. 20.04.19).
4. Свойства и область применения титанового коагулянта [Электронный ресурс] / URL: http://sittec.ru/titanovyy-koagulyant/svoystva-i-oblast-primeneniya.php (дата обращ. 15.04.19).
