CC BY
10
УДК 546.26; 66.087.4
Милютина А.Д., Колесников В.А.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПАВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ
Милютина Алёна Дмитриевна, аспирант, ведущий инженер кафедры ТНВ и ЭП, e-mail: milyutina alena [email protected];
Колесников Владимир Александрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедры ТНВ и ЭП. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Проведены исследования по изучению характеристик углеродного материала в водных растворах в присутствии ПАВ и коагулянта Al2(SO4)3. Показаны результаты исследований электрофлотационного извлечения частиц УНЧ в присутствии ПАВ различной природы и труднорастворимого гидроксида алюминия (III). Найдены оптимальные условия для интенсивного и эффективного извлечения углеродных частиц.
Ключевые слова: электрофлотация, ПАВ, углеродные наноматериалы, степень извлечения, коагулянт.
INTENSIFICATION OF ELECTROFLOTATION EXTRACTION OF CARBON NANOMATERIAL FROM AQUEOUS SOLUTIONS CONTAINING SURFACTANTS OF DIFFERENT NATURE
Miluytina A.D., Kolesnikov V. A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The studies of carbon nanomaterial characteristics in aqueous solutions in the presence of surfactants and coagulant Al2(SO4)3 have been carried out. The results of electroflotation extraction of CNF particles in the presence of different surfactants and insoluble aluminum hydroxide (III) are shown. Optimal conditions for intensive and efficiency extraction of carbon particles are found.
Keywords: electroflotation, surfactant, carbon nanomaterials, the degree of extraction, coagulant.
В настоящее время одними из самых перспективных и популярных материалов являются различные углеродные наноматериалы (УНМ -наночешуйки, нанотрубки, нановолокна). Для решения технологических задач часто используют водные растворы коллоидно устойчивых суспензий углеродных наноматериалов, которые
стабилизируют поверхностно-активными
веществами (ПАВ). Золь-гель технологии позволяют вводить углеродные наноматериалы в состав различных материалов: в полимерные материалы, в керамику и различные неорганические материалы [1].
К сожалению, использование водных растворов суспензий углеродных наноматериалов приводит к образованию токсичных жидких техногенных отходов. Они образуются в процессах получения углеродных наноматериалов (на стадиях удаления примесей от катализаторов Mg, W) и при сбросе растворов, не соответствующих условиям использования (технологический брак). Также водные растворы электролитов, образующиеся при промывке реакторов и емкостей, могут содержать углеродные наноматериалы. Поэтому извлечение УНМ из водных растворов с каждым днем становится все более актуальной задачей.
Одним из самых эффективных
электрохимических методов очистки сточных вод является электрофлотация. Процесс
электрофлотации заключается в извлечении коллоидных частиц в результате их адсорбции к пузырькам газа, которые образуются за счет
электролиза воды. Всплывая на поверхность раствора, пузырьки газа с частицами, образуют пенный слой [2]. Однако, в научной литературе данные об электрофлотации УНМ практически отсутствуют [3, 4].
Ранее опубликованные результаты [5] подтвердили возможность извлечения частиц УНМ из водных растворов методом электрофлотации. В связи с этим, в данной статье представлены данные по интенсификации и повышению эффективности процесса электрофлотационного извлечения УНМ из водных растворов в присутствии ПАВ различной природы.
Материалы и методика
В работе исследовался углеродный наноматериал «Чешуйки» (углеродные
наночешуйки, УНЧ), разработанные в РХТУ им. Д.И. Менделеева. Для синтеза УНЧ был использован газофазный синтез из метана на катализаторе MgO при температуре 900оС с последующей отмывкой в растворе соляной или азотной кислоты при температуре 70-80оС с последующим отжигом в инертной среде или в вакууме при температуре 400оС.
Для электрофлотационного процесса были изготовлены суспензии УНЧ, стабилизированные 3 типами ПАВ: катионный - Катинол, анионный -додецилсульфат натрия (NaDDS) и неионогенный -Тритон Х-100 (ТХ-100).
Лабораторные исследования эффективности процесса электрофлотационного извлечения
углеродных наночешуек (УНЧ) проводили в непроточном электрофлотаторе с нерастворимым анодом при постоянном значении рН. По окончании процесса очистки, осуществляли отбор проб с целью определения остаточной концентрации УНМ в обрабатываемом растворе.
Эффективность электрофлотационного процесса УНМ оценивали по формуле степени извлечения а
Со— С1
хЮ0%;
где Сп и С] — исходная и конечная концентрация частиц УНЧ в растворе, соответственно.
Анализ концентрации УНЧ в диапазоне 1-100 мг/л проводили по адаптированной методике количественного анализа (графический по калибровочному графику) на спектрофотометре ПРОМЭКОЛАБ ПЭ-5300В. Определение гидродинамического радиуса частиц и электрокинетического потенциала дисперсной фазы проводилось на установке PHOTOCOR СотраС;-2 при 25°С.
Результаты и их обсуждение
Результаты исследований электрокинетического потенциала и размера частиц УНЧ в водном растворе в присутствии ПАВ различной природы, а также в присутствии труднорастворимого Л1(ОЫ)з приведены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние труднорастворимого гидроксида алюминия (Ш) на электрокинетический потенциал и средний гидродинамический радиус частиц УНЧ в
Тип ПАВ Характеристики частиц УНЧ
Без добавок Al(OH)3
Z, мВ R, нм Z, мВ R, нм
NaDDS -24 14 +7 57
Катинол +1 11 +12 10
TX-100 -18 22 +12 69
Условия эксперимента: С(УНЧ) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; С(Л13+) = 100 мг/л; C(NaNO3) = 10-3M; рН = 7,0.
Наличие коагулянта в растворе приводит к увеличению размера частиц в 3-5 раз. Стоит отметить, что в водном растворе Катинола наблюдалось заметное укрупнение частиц: 17% от всей массы частиц имело средний размер 15 мм. Добавление частиц Al3+ в водных растворах NaDDS и TX-100 привело к смене знака Z-потенциала частиц.
Результаты экспериментов по влиянию начальной концентрации соли алюминия (III) на эффективность процесса электрофлотационного извлечения УНЧ в присутствии ПАВ различной природы представлены в таблице 2.
По данным таблицы 2 видно, что максимальная степень извлечения УНЧ независимо от природы ПАВ достигается при концентрации ионов Al3+ 10 мг/л и равна 94-98%. При увеличении начальной концентрации ионов алюминия (III) до 100 мг/л эффективность электрофлотационного процесса снижается. Это связано с образованием большого
количества гидроксида алюминия (III) и преобладанием процесса коагуляции над флотацией. Пузырьки кислорода и водорода не способны адсорбировать укрупненные агломераты гидроксида алюминия (III) и УНЧ из-за чего они оседают на дно электрофлотационной установки. Процесс электрофлотации затрудняется, а степень извлечения достигает 4% в присутствии Катинола, 18% TX-100 и 80% NaDDS.
Таблица 2. Влияние начальной концентрации Al2(SO4)3 на степень извлечения частиц УНЧ из водных
C(Al3+), мг/л Степень извлечения УНЧ а, %
NaDDS Катинол TX-100
0 5 5 4
1 30 37 40
10 94 98 98
100 80 4 18
Условия эксперимента: С(УНЧ) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; C(Na~SO4) = 50 мг/л; Jv = 0,2 А/л; рН 7,0; т = 30 мин.
Кинетическая зависимость степени извлечения частиц УНЧ из водного раствора катионного ПАВ при различных начальных концентрациях Al3+ представлена на рисунке 1. Установлено, что наиболее интенсивно и эффективно протекает процесс в присутствии 10 мг/л ионов алюминия (III) - 89% частиц извлекаются за 5 минут; 98% за 10 минут. Тогда как при добавлении 5 мг/л Al3+ частицы УНЧ извлекаются только на 85% за 10 минут электрофлотации.
Рис. 1. Кинетическая зависимость степени извлечения УНЧ в присутствии Катинола при различных начальных концентрациях Al3+ в водном растворе: 1 - без Al(Ш); 2 -
1 мг/л; 3 - 5 мг/л; 4 - 10 мг/л. С(УНЧ) = 100 мг/л; С(Катинол) = 100 мг/л; C(Na2SO4) = 50 мг/л; Jv = 0,2 А/л; рН 7,0
Влияние концентрации анионного ПАВ КаБББ на процесс электрофлотационного извлечения УНЧ представлено на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость степени извлечения УНЧ в присутствии А1(ОН)3 при различных концентрациях в водном растворе: 1 - 100 мг/л; 2 - 500 мг/л; 3 -1000 мг/л; 4 - 5000 мг/л. С(А13+) = 10 мг/л; С(УНЧ) = 100 мг/л; С^а^О4) = 50 мг/л; . = 0,2 А/л; рН 7,0
Исследования приведены в широком диапазоне концентраций КаБББ 100-1000 мг/л. Было установлено, оптимальная концентрация анионного ПАВ равна 100 мг/л при извлечении 100 мг УНЧ. Увеличение концентрации КаБББ сильно снижает эффективность степени извлечения до 2-10%. В присутствии ионов А13+ при высоких концентрациях КаБББ в растворе не образуется гидроксид А1(ОН)3 вследствие перехода ионов алюминия в растворимый комплекс А^КаБББ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, установлено, что при добавлении коагулянта размер частиц УНЧ увеличивается вне зависимости от природы поверхностно-активного вещества в водном растворе. Численное значение электрокинетического потенциала возрастает (Катинол) и меняет знак с отрицательного на положительный (КаБОБ, ТХ-
100), вследствие чего частицы УНЧ эффективно извлекаются из водного раствора методом электрофлотации.
Наиболее эффективный процесс протекает в присутствии 10 мг/л коагулянта Al2(SO4)3 и 100 мг/л ПАВ (Jv = 0.2 А/л; pH 7,0). В оптимальных условиях степень извлечения достигает 94-98%, время электрофлотации составляет не более 10 минут, а затраты электроэнергии 0.1-0.5 (кВт ч)/м3.
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. Электропроводящие покрытия на основе углеродных наноматериалов и SnO2 на стеклах для фотопреобразователей энергии // Стекло и керамика. 2014. №12. С. 24-27.
2. Электрофлотация в процессах водоочистки и извлечения ценных компонентов из жидких техногенных отходов. Обзор // Теор. основы хим. технологии. 2017. Т. 51. № 4. С. 1-16.
3. Separation of carbon fibers in water using microbubbles generated by hydrogen bubble method // Sep. Purif. Tech. 2018. V. 190. P. 190-194.
4. Characteristics of an electrocoagulation-electroflotation process in separating powdered activated carbon from urban wastewater effluent // Separ. Purif. Techn. 2014. V. 134. P. 196-203.
5. Исследование эффективности электрофлотационного метода извлечения высокодисперсных углеродных материалов из сточных вод и жидких техногенных отходов в присутствии поверхностно-активных веществ // Хим. пром. Сегодня. 2017. № 3. С. 46-51.
