CC BY
10
УДК 66.081.32
Похвалитова А.А., Гайдукова А.М., Стоянова А.Д.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДНОГО СОРБЕНТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Похвалитова Анастасия Александровна - магистр 1-го года обучения кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов; nastena.pokhvalitova@mail.ru.
Гайдукова Анастасия Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Стоянова Алёна Дмитриевна - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, дом 20.
В работе проведены исследования электрохимической обработки порошкового углеродного сорбента марки «ОУ-А» в растворе NaCl при различных значениях плотности тока c целью повышения сорбционной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов на примере Fe3+. Проанализированы ИК-спектры поверхности образцов угля после электрохимической модификации при соответствующих значениях силы тока. Показана зависимость степени извлечения исследуемого металла от плотности тока после сорбционной и фильтрационной очистки водного раствора.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, катодная поляризация, сорбционная очистка, активированный уголь, тяжелые металлы.
ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF CARBON SORBENT TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF SORPTION WASTEWATER TREATMENT
Pokhvalitova A.A.1, Gaydukova A.M.1, Stoyanova A.D.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this work, studies of electrochemical treatment of powdered carbon sorbent of the brand "OU-A" in sodium chloride solution at various current densities were carried out in order to increase the sorption treatment of wastewater from heavy metal ions by the example of Fe3+ ions. The IR spectra of the surface of coal samples after electrochemical modification are analyzed at the corresponding values of the current strength. The dependence of the degree of extraction of the studied metal on the current density after sorption and filtration purification of an aqueous solution is shown.
Keywords: electrochemical treatment, cathodic polarization, sorption purification, activated carbon, heavy metals.
Введение
Обезвреживание сточных вод промышленных предприятий - одна из сложных проблем в современном мире. Сточные воды, образующиеся после различных технологических процессов гальванического производства, могут включать в себя кислоты, органические загрязнители, а также ионы тяжелых металлов, которые опасны для окружающей среды и человека.
Существует достаточно много способов очистки сточных вод от вредных примесей [1-4]. Однако недостатками способов являются: низкая эффективность удаления примесей, высокое образование осадка сточных вод, а также образование токсичных побочных продуктов [5]. В настоящее время для доочистки сточных вод промышленных предприятий используют
сорбционный метод, который отличается своей эффективностью, простотой и экономичностью [6].
Углеродные материалы являются
универсальными сорбентами, их используют в сорбционных колоннах очистных станций большинства промышленных предприятий как для водоподготовки, так и для доочистки сточных вод. Угли обладают хорошей адсорбционной способностью по отношению к органическим и
неорганическим веществам благодаря наличию пор, а также поверхностным функциональным группам [7]. В зависимости от того, какие группы преобладают на поверхности углеродных сорбентов, определяется селективность ионного обмена. Наличие на поверхности активированных углей функциональных кислотных групп способствует адсорбции катионов, а включение азота в структуру углерода увеличивает количество основных групп, что улучшает сорбцию анионов [8]. Таким образом, с ростом числа функциональных групп на поверхности сорбента можно увеличить его сорбционную способность. Применяют термические или химические методы обработки поверхности, которые повышают лиофильность углей. Электрохимическая обработка материалов экологически безопаснее, чем остальные методы, она увеличивает активность обрабатываемой поверхности, а также с ее помощью могут формироваться функциональные группы, увеличиваться площадь поверхности, изменяться свойства материала [9-10]. В работах [11-12] исследовалась как катодная, так и анодная поляризация активированных углей. Подходящий выбор электрохимических переменных (тип обработки, состав электролита, величина плотности тока и напряжение) позволяет избирательно
изменять количество и природу поверхностных функциональных групп. Электрохимическая обработка существенно не изменяет механические свойства поверхности угля [12].
Более полное знание электрохимической модификации необходимо не только для ее использования в качестве альтернативы традиционным химическим методам, но также для разработки новых электрохимических технологий.
В данной работе были проведены исследования электрохимической обработки углеродного сорбента марки «ОУ-А» порошкового типа на эффективность сорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов на примере Бе3+.
Методика исследования
В качестве объекта исследования был выбран уголь марки «ОУ - А», изготовленный на основе древесного березового угля. Суммарный объём пор необработанного сорбента - 0,75 см3/г, объём микропор - 0,28 г/см3. Модификацию поверхности углеродного сорбента осуществляли
электрохимической обработкой в 5% растворе №С1. Масса угля для обработки составляла 0,5 г. Суспензию угля помещали в ячейку с анионообменной мембраной и в нее же опускали катод. Материал электродов - ОРТА (титан с нанесенным слоем оксидов рутения и титана). Активная площадь поверхности катода - 10 см2. Электрохимическую обработку проводили при постоянном токе при 0,5, 1,0, и 1,5 А в течение 30 -60 минут. После электрохимической обработки уголь тщательно промывали в дистиллированной воде и сушили до постоянной массы.
Сорбционные испытания проводили в статическом режиме при постоянном перемешивании раствора, содержащего Бе3+ с углеродном сорбентом в течении определенного времени. Соотношение Ж:Т = 1:125. Далее сорбент отделяли отстаиванием и фильтрованием.
Концентрацию ионов Fe3+ определяли фотометрическим методом в присутствии сульфосалициловой кислоты. Оптическую плотность растворов измеряли на спектрофотометре СФ - 2000 на длине волны 500 нм.
Эффективность извлечения частиц угля из раствора оценивали по формуле (1):
а=
где, со - исходная концентрация, мг/л; Скон -остаточная концентрация угля в растворе, мг/л.
Результаты и обсуждения
Были проведены экспериментальные
исследования по подбору параметров электрохимической обработки сорбента (плотность тока и продолжительность процесса) (таблица 1).
Таблица 1. Влияние условий электрохимической обработки «ОУ-А» на эффективность адсорбции _Гв3+ из водного раствора
№ опыта i, A г-1 Т, мин СКон(Рв3+), мг/л
Исходный образец «ОУ-А» 45,3
1 1 30 26,3
2 2 30 22,3
3 3 30 18,7
4 3 60 17,4
Условия эксперимента: Тсорбции= 60 минут; co(Fe3+) = 100 мг/л, рН=2,5
Из полученных данных видно, что с ростом плотности тока до 3 А"г-1 остаточное содержание железа (III) в растворе уменьшается практически в 3 раза. Следует отметить, что увеличение продолжительности обработки с 30 до 60 мин не приводит к существенному снижению концентрации Fe3+ в растворе.
Была определена степень извлечения ионов железа (III) из водных растворов (рис.1) после сорбции и последующего фильтрования.
юн -,
0 12 3 3
(30 мин) (60 мин)
I, А г1
Рис. 1 Степень извлечения Fe3+ после адсорбции с обработанным углеродным материалом (1) с последующей фильтрацией раствора (2)
На представленном графике видно, что степень извлечения ионов железа (III) повышается с ростом плотности тока предварительной обработки сорбента. Степень очистки 99 % можно достичь в процессе последующего фильтрования нейтрального раствора (кривая 2, рис. 1).
Более полная информация о молекулярном строении угля после электрохимической обработки при соответствующих плотностях тока была получена методом инфракрасной спектрометрии. В результате экспериментальных исследований установлено, что интенсивность полос поглощения валентных (3422-3443 cм"1) колебаний основных ОН-групп увеличиваются с ростом плотности тока. В тоже время интенсивность полос валентных колебаний кислотных функциональных групп, таких как -СОО- (полоса 1560 cм-1), С-О (полоса 1000 -1200 см-1) подавляется с увеличением плотности тока электрохимической обработки угля.
Из литературных источников [11] известно, что бескислородный электролит не образует пероксидных окисляющих веществ, и на активированный уголь воздействует только отрицательный потенциал, достигаемый во время катодной обработки. Когда же раствор электролита насыщен кислородом, следует ожидать дальнейшего увеличения количества поверхностных кислородных групп, поскольку в данном случае высока концентрация пероксидных соединений, которые могут окислять поверхность угля.
Однако в ходе исследований было установлено, что электрохимическая обработка смещает рН раствора с углем в щелочную область, так как на катоде в нейтральной среде образуются ионы ОН-. В работе [13] отмечено, что щелочная среда способствует развитию удельной поверхности, увеличению общего объема пор и объема микропор, чем, можно и объяснить повышение сорбционной способности полученных сорбентов для извлечения ионов Fe3+ из водных растворов.
Заключение
В результате проведенных исследований было установлено, что адсорбционная способность углеродного сорбента порошкового типа поглощать ионы тяжелых металлов (на примере Fe3+) растет с увеличением плотности тока предварительной электрохимической обработки. Определены параметры электрохимической обработки угля (плотность тока 3 А ■ г"1, продолжительность обработки 30 - 60 мин) для наиболее полного извлечения Fe3+ из воды. С помощью ИК-спектроскопии установлено, что с ростом плотности тока интенсивность полос поглощения валентных (3422-3443 см-1) колебаний основных ОН-групп увеличиваются, а кислотных - снижается. На основании анализа литературных источников можно предположить, что эффективность адсорбции электрохимически обработанного сорбента растет за счет увеличения общего объема пор. Определено, что последующая фильтрационная доочистка способствует увеличению степени извлечения ионов железа (III) из водного раствора до 99%.
Список литературы
1. Krahnstöver T., Wintgens Th. Separating powdered activated carbon (PAC) from wastewater -Technical process options and assessment of removal efficiency. Journal of Environmental Chemical Engineering. - 2018. - V.6. - №5. - P. 5744-5762.
2. Chenkai Niu, Wencheng Xia, Yaoli Peng. Analysis of coal wettability by inverse gas chromatography and its guidance for coal flotation. Fuel. - 2018. - V.228. - P. 290-296.
3. Lee C. S., Robinson J. and Chong M. F. A review on application of flocculants in wastewater treatment. Process Safety and Environmental Protection. - 2014. -V.92 - №6. - P. 489-508.
4. Zamboulis, D., Peleka, E. N., Lazaridis, N. K., & Matis, K. A. Metal ion separation and recovery from environmental sources using various flotation and sorption techniques. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. - 2010. - V. 86 - №3. - P. 335-344. '
5. Singh, N.B.; Nagpal, Garima; Agrawal, Sonal; Rachna. Water purification by using Adsorbents: A Review. Environmental Technology & Innovation. -2018. - V. 11. - P. 187-240.
6. Акчурина Р.Ф. Зайнуллин А.М., Шайхиев И.Г., Шафигуллина Г.М., Зайнуллина Л.Ф. Сорбционная очистка сточных вод производства тринитрорезорцината с использованием активарованных углей. Вестник технологического универститета. - 2017. - Т. 20 - №24. - С.137-140.
7. Gtine§, E., Cif<?i, D. 1., & Qelik, S. О. Comparison of Fenton process and adsorption method for treatment of industrial container and drum cleaning industry wastewater. Environmental Technology. - 2017. - V. 39 -№7. - P.824-830.
8. Puziy, A. M., Poddubnaya, O. I., Gawdzik, B., & Tascon, J. M. D. Phosphorus-containing carbons: preparation, properties and utilization. Carbon. 2019. -V.157. - P. 796-846.
9. Страхов И. С., Губанов А. А., Устинова М. С., Кривцов Д. И., Варшавский В. Я., Ваграмян Т. А., Плющий И. В., Коршак Ю. В. Электрохимическая модификация поверхностных свойств углеродного волокна на основе полиакрилонитрилла. Машиностроение и компьютерные технологии. 2013. - Т.13 - №9. - С. 29-42
10. Варенцов В.К., Варенцова В. И. Электрохимическая модификация нетканого углеродного волокнистого материала в растворе серной кислоты. Журнал прикладной химии. 2015. -Т. 88 - №10. - С. 1466-1472
11. Garcia-Oton M, Montilla F, Lillo-Ro denas MA, Morallo'n E, Va'zquez JL. Electrochemical regeneration of activated carbon saturated with toluene. J Appl Electrochem. - 2005. - V. 35. - P.319-325.
12. R. Berenguer; J.P. Marco-Lozar; C. Quijada; D. Cazorla-Amoros; E. Morallon. Effect of electrochemical treatments on the surface chemistry of activated carbon. Carbon. - 2009. - V. 47- №4. - P.1018 - 1027.
13. Ворсина Е.В., Москаленко Т.В., Михеев В.А. Получение углеродных сорбентов химической модификацией бурого угля харанорского месторождения. Современные проблемы науки и образования. - 2015. - №. 2-3. - С.55.
