CC BY
30
УДК 546.26; 66.087.4
Милютина А.Д., Крюков А.Ю., Колесников В.А.
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ИЗВЛЕЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД В ПРИСУТСТВИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Милютина Алёна Дмитриевна, аспирант, ведущий инженер кафедры ТНВ и ЭП, e-mail: [email protected]; Крюков Александр Юрьевич, к.х.н., доцент кафедры физической химии; Колесников Владимир Александрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедры ТНВ и ЭП. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Экспериментально изучен процесс электрофлотационного извлечения высокодисперсных углеродных материалов - углеродных наночешуек и активированного угля ОУ-Б из водных растворов в присутствии разных типов поверхностно-активных веществ. Изучено влияние важных характеристик межфазных явлений, таких как гидродинамический радиус, электрокинетический потенциал, на эффективность электрофлотационного извлечения высокодисперсных углеродных материалов. Показано влияние рН раствора на процесс электрофлотации углеродных наночешуек. Исследовано влияние флокулянтов различной природы на эффективность электрофлотационного извлечения углеродных наночешуек.
Ключевые слова: электрофлотация, ПАВ, высокодисперсные углеродные материалы, углеродные наночешуйки, активированный уголь, электрокинетический потенциал, гидродинамический радиус, степень извлечения.
ELECTROFLOTATION EXTRACTION PROCESS OF HIGHLY DISPERSED CARBON MATERIALS FROM WASTEWATER IN THE PRESENCE OF SURFACTANTS
Miluytina A.D., Kruykov A.U., Kolesnikov V. A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The process of electro-flotation extraction of highly dispersed carbon materials (HDCN) (carbon nanoflakes (CNFs) and activated coal OU-B) from aqueous solutions in the presence of different types of surfactants was studied experimentally. The influence of the important characteristics of interfacial phenomena, such as hydrodynamic radius, Zeta potential, on the efficiency of electro-flotation extraction of highly dispersed carbon materials was studied. The effect of solution pH on the process of electro-flotation of carbon nanoflakes was shown. The influence of flocculants of different nature on the efficiency of electro-flotation extraction of CNFs was investigated.
Keywords: electroflotation, surfactant, highly dispersed carbon materials, carbon nanoflakes, activated carbon, Zeta potential, hydrodynamic radius, the degree of extraction.
Высокодисперсные углеродные материалы (ВДУМ), такие как углеродные наноматериалы (УНМ), активированные угли и волокна, сажи, являются материалами широкого практического применения [1]. Применение углеродных наноматериалов в различных областях науки и техники объясняется их уникальными физико-химическими, механическими, а также сорбционными характеристиками [1, 2]. Для решения многих технологических задач применяются водные растворы ВДУМ в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ). Использование золь-гель технологий позволяет вводить углеродные материалы в неорганические, полимерные и композиционные материалы [3].
Перспективным методом извлечения из сточных вод взвешенных веществ является электрофлотация [5]. Научные исследования выявили ряд несомненных преимуществ электрофлотационного метода, а именно небольшой
расход электроэнергии, образование
мелкодисперсных пузырьков газа, которые обладают высокой адгезионной способностью, возможность полного регулирования расхода и размера пузырьков газа при изменении токовой нагрузки.
Целью данной работы являлась оптимизация условий для эффективного электрофлотационного извлечения высокодисперсных углеродных материалов из водных растворов в присутствии ПАВ.
Материалы и методика
В работе были исследованы 2 типа ВДУМ: углеродные наночешуйки (УНЧ), и активированный уголь ОУ-Б. Исследования проводили в водных растворах ВДУМ в присутствии 3 различных типов ПАВ (анионный, катионный и неионогенный) с концентрацией от 100 до 1000 мг/л при комнатной температуре (20±2°С): анионный - NaDDS (аПАВ), катионный - Катинол (кПАВ) и неионогенный -Тритон Х-100 (нПАВ). Образец УНЧ
характеризуется следующими параметрами: удельная поверхность 326 м2/г, насыпной вес 0.07 г/см3, зольность < 0.5%, химический состав, мас. %: О - 1-6, С1 < 1, СО < 5, Мо < 1, С > 90. Характеристики активированного угля ОУ-Б описаны по ГОСТу 4453-74. В качестве фонового электролита, повышающего электропроводность использовался Na2SO4 концентрацией 0,5 г/л.
Определение гидродинамического радиуса частиц дисперсной фазы и электрокинетического потенциала проводили методом динамического светорассеяния на установке PHOTOCOR Сотрас^ Z.
Анализ концентрации ВДУМ в диапазоне 1-100 мг/л проводили по адаптированной методике количественного анализа (графический по калибровочному графику) на спектрофотометре ПРОМЭКОЛАБ ПЭ-5300В. По полученному графику определяли начальную и конечные концентрации, соответствующие полученным значениям оптической плотности. Эффективность электрофлотационного извлечения ВДУМ оценивали по степени извлечения а (%), которую рассчитывали, как отношение разницы между
начальной и конечной концентрацией частиц в растворе к их начальной концентрации.
Извлечение высокодисперсных углеродных материалов из водных растворов осуществлялось в непроточном флотаторе с нерастворимыми анодами. Катод представляет собой сетку из нержавеющей стали с размером ячеек 0.5 х 0.4 мм и толщиной - 0,3 мм; аноды изготовлены из титановой пластины марки ВТ 1-0 с пленочным покрытием из оксидов кобальта и рутения, нанесенным термическим разложением смеси их солей. Лабораторная установка изготовлена из стекла с поперечным сечением 10,2 см2, что соответствует рабочей поверхности анода. Высота установки 800 мм, объем раствора в установке 0,5 дм3. Питание установки осуществляется с помощью источника постоянного тока Б5-48.
Результаты и их обсуждение
На первом этапе работы было изучено влияние гидродинамического радиуса R, нм и электрокинетического потенциала мВ на
эффективность электрофлотационного извлечения ОУ-Б и УНЧ (таблица 1) в присутствии ПАВ различной природы и без него.
Таблица 1. Влияние природы ПАВ на степень извлечения, электрокинетический потенциал и средний гидродинамический радиус частиц ВДУМ в водных растворах.
Суспензии без ПАВ аПАВ кПАВ нПАВ
УНЧ УНЧ ОУ-Б УНЧ ОУ-Б УНЧ ОУ-Б
а, % - 5 2 73 52 70 4
с, мВ -20 -16 -34 +4 -12 -12 -23
Я, нм 980 960 882 860 816 910 825
Условия эксперимента: С (ВДУМ) = 100 мг/л; С (ПАВ) = 100 мг/л; С(Ыа2804) = 0,5 г/л; рН = 7,0; т = 30 мин., Jv = 0,2 А/л.
Анализ показывает, что УНЧ обладают значительно большим средним гидродинамическим радиусом частиц, а также меньшим значением потенциала во всех системах с ПАВ и без него, в результате чего степень извлечения данного материала достигает 70-73% в присутствии кПАВ и нПАВ. Активированный уголь ОУ-Б извлекается только в присутствии кПАВ на 52%. В системах с аПАВ эффективность электрофлотации не превышает 5%, т.к. пузырек водорода и частица заряжены отрицательно, и в следствие этого укрупнение флотокомплекса ВДУМ-пузырек не происходит из-за трудности контакта пузырька с поверхностью ВДУМ. Подобные эффекты наблюдаются для электрофлотации карбонатов и сульфидов цветных металлов, которые имеют высокие отрицательные значения ^-потенциала [4].
Изучена кинетика процесса
электрофлотационного извлечения УНЧ и ОУ-Б в присутствии кПАВ и аПАВ (рис. 1).
а,% 100
90
50
О 5 10 15 20 25 г: мин- 30
Рис. 1. Кинетическая зависимость степени извлечения ВДУМ из водных растворов в присутствии различных типов ПАВ: 1 - УНЧ-кПАВ; 2 - УНЧ-аПАВ; 3 - ОУ-Б-кПАВ; 4 - ОУ-Б-аПАВ.
Установлено, что в аПАВ подавляет процесс электрофлотации и ОУ-Б, и УНЧ (рис. 1, кривые 2, 4). С катионным ПАВ процесс электрофлотационного извлечения УНЧ протекает более эффективно - степень извлечения увеличивается до 73%. По истечению 5 минут
электрофлотационного процесса степень извлечения составляет 60%, а максимальная степень извлечения УНЧ достигается через 10 мин процесса электрофлотации. Извлечение
активированного угля ОУ-Б протекает кинетически
медленнее, но максимальная степень извлечения достигается тоже через 10 мин и равна 52%.
На следующем этапе работы исследовано влияние природы флокулянтов на эффективность электрофлотационного извлечения УНЧ (таблица 2).
Таблица 2. Степень извлечения УНЧ из водного раствора в присутствии ПАВ и флокулянтов различной природы.
т, мин. а, %
аПАВ кПАВ нПАВ
без добавки А К Н без добавки А К Н без добавки А К Н
5 4 63 79 29 62 66 1 63 69 5 75 29
10 5 75 79 51 72 71 2 75 70 12 84 75
20 5 75 79 72 73 75 2 81 70 16 87 87
30 5 75 79 76 73 75 2 84 70 17 87 87
Условия эксперимента: С(флок) = 5 мг/л; С(УНЧ) = 100 мг/л; С(аПАВ) = 100 мг/л; С(Ыа2804) =0,5 г/л; = 0,2 А/л; рН = 7; А анионный М156; К - катионный Zetga 8140; Н - неионогенный М351.
Установлено, что при добавлении флокулянта в водный раствор, содержащий аПАВ, максимальная степень извлечения частиц УНЧ увеличивается до 75-79% вне зависимости от природы флокулянта. Природа флокулянта влияет лишь на кинетическую составляющую процесса, а именно при добавлении катионного флокулянта Zetga 8140 максимальная степень извлечения 79% достигается уже после 5 минут протекания процесса электрофлотации, а при внесении в раствор флокулянта неионогенной природы М351 максимальное значение 76% достигается только по истечении 20 минут электрофлотационного процесса.
Катионный флокулянт Zetga 8140 в системе УНЧ-кПАВ увеличивает отрицательное значение электрокинетического потенциала, т.е. очень сильно затормаживает процесс образования флотокомплекса «частица-пузырек» из-за чего УНЧ извлекается из водного раствора только на 2%. Неионогенный флокулянт М351 в той же системе дает положительный эффект и способствует извлечению УНЧ на 84 %.
Добавление катионного (Zetga 8140) или неионогенного (М351) флокулянта в систему УНЧ-нПАВ интенсифицирует процесс
электрофлотационного извлечения УНЧ из водных растворов до 87% в течение 10 минут.
Заключение
Проведенные исследования показали, что рН среды процесса электрофлотационного извлечения высокодисперсных углеродных материалов из водных растворов не влияет на его эффективность, в отличие от выбора ПАВ. Установлено, что эффективность процесса электрофлотации зависит от размера и в большей степени от заряда частиц УНЧ и ОУ-Б в водном растворе в присутствии различных типов ПАВ. Установлено, что метод электрофлотации более эффективен для извлечения УНЧ, чем для активированного угля ОУ-Б.
Показано влияние флокулянтов различной природы на эффективность электрофлотационного извлечения УНЧ. Экспериментальные исследования показали, что введение катионного флокулянта в системы с аПАВ и нПАВ ускоряет процесс электрофлотации, сокращают время обработки до 5 минут и увеличивает степень извлечения УНЧ до 79 и 87%, соответственно. Лучшее извлечение для системы с кПАВ достигается с добавлением неионогенного флокулянта (84%).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания (проектная часть) № 10.3814.2017/ПЧ в Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева.
Список литературы
1. Раков Э. Г. Углеродные нанотрубки в новых материалах // Успехи химии. - 2013. - Т. 82. № 1. -С. 27-47.
2. Милютина А.Д., Колесников А.В. Эффективное извлечение ионов La(Ш) и №(Ш) из водных растворов с использованием углеродных наночастиц // Успехи в химии и химической технологии. - 2015. - Т. XXIX, №1. - С. 28-30.
3. Козенков О.Д., Пташкина Т.В., Косилов
A.Т. Плотность и микротвердость композиционных покрытий, содержащих углеродные наноматериалы // Вестник ВГТУ. - 2015. - Т. 11. № 1. - С. 56-60.
4. Бродский В.А., Колесников В.А., Ильин
B.И. Влияние физико-химических характеристик дисперсной фазы малорастворимых соединений цветных металлов на эффективность их электрофлотационного извлечения из водных растворов // Теор. основы хим. технологии. - 2015. - Т. 49. № 2. - С. 144.
