CC BY
33
УДК 661.183.2.
Онисифору П., Ахмедова Л.С., Седрик Д.Л.И., Касаткин Е.М., Чередниченко А.Г.
ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ПАРОВ ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТА АКТИВИРОВАННЫМ УГЛЕМ
Онисифору Перса - бакалавр кафедры Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва Ахмедова Луиза Сулейман кызы - аспирант кафедры Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва Джессу Лубо Ивон Седрик - аспирант кафедры Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва Касаткин Евгений Михайлович - аспирант кафедры Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва Чередниченко Александр Генрихович - д.х.н., заведующий кафедрой Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва
Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6. *e-mail: sorbotek@yandex.ru
В ходе проведенных исследований были определены параметры удельной поверхности активированного угля Baojun 3.0/70 китайского производства и изучены закономерности процесса адсорбции паров изопропилового спирта при температуре 25,0 оС. Анализ полученных результатов показал, что удельная поверхность исследуемого образца сорбента составляет 890 м2/г, а его сорбционная емкость по отношению к парам изопропилового спирта равна 0,45 г/г. Кинетика процесса поглощения паров изопропилового спирта хорошо описывается уравнением псевдопервого порядка Лагергрена. При использовании уравнения псевдовторого порядка Хо-Маккея результаты расчетных и экспериментальных значений показали удовлетворительное совпадение. Для математического описания динамики процесса адсорбции была также использована диффузионная модель Еловича, которая подтвердила вклад диффузии адсорбата в общую скорость процесса адсорбции паров изопропилового спирта. Полученные результаты подтвердили эффективность использования активированного угля Baojun 3.0/70 в процессах очистки воздуха от летучих органических соединений (ЛОС).
Ключевые слова: активированные угли, адсорбция газов, летучие органические соединения, охрана окружающей среды
STUDY OF THE ADSORPTION OF ISOPROPYL ALCOHOL VAPORS WITH ACTIVATED CARBON
Onisiforou Persa, Akhmedova Luisa Suleymanovna, Djessou Loubo Yvon Cedric, Kasatkin Evgeny Mikhaylovich, Cherednichenko Alexander Genrikhovich
Peoples' Friendship University of Russia
In the course of the conducted studies, the parameters of the specific surface of activated carbon Baojun 3.0/70 of Chinese production were determined and the regularities of the process of adsorption of isopropyl alcohol vapors at a temperature of 25.0 oC were studied. Analysis of the obtained results showed that the specific surface area of the sorbent sample under study is 890 m2/g, and its sorption capacity with respect to isopropyl alcohol vapors is 0.45 g/g. The kinetics of the vapor absorption process of isopropyl alcohol is well described by the pseudo-first order Lagergren equation. When using the pseudo-second order Ho-Mackay equation, the results of the calculated and experimental values showed a satisfactory coincidence. To mathematically describe the dynamics of the adsorption process, the Elovich diffusion model was also used, which confirmed the contribution of the adsorbate diffusion to the overall rate of the isopropyl alcohol vapor adsorption process. The results obtained confirmed the effectiveness of using Baojun 3.0/70 activated carbon in air purification processes from volatile organic compounds (VOCs).
Key words: activated carbon, gas adsorption, volatile organic compounds, environmental protection
Техногенная деятельность человека неразрывно связана с развитием мирового промышленного производства и неизбежно сопровождается дальнейшим ухудшением экологической обстановки из-за попадания в атмосферу и водные бассейны токсичных продуктов [1]. Особое место среди опасных загрязнений занимают органические соединения, в т.ч. летучие органические соединения (ЛОС), которые попадают в окружающую среду с газовыми выбросами или с неочищенными сточными водами [2]. Чаще всего к ЛОС относятся
органические растворители, которые используются при проведении синтеза и приготовления товарных форм химической и фармацевтической продукции. В настоящее время существует целый ряд технологических решений, позволяющих не только добиться значительного уменьшения содержания ЛОС в атмосфере и сточных водах, но и решить задачу создания замкнутых производственных циклов. При этом одновременно достигается глубокая очистка газовых выбросов, водных стоков и осуществляется рецикл органических растворителей
в технологический процесс [2]. Для достижения необходимой эффективности при решении экологических задач часто используют сочетание нескольких методов очистки, рассчитанных на предварительную и финишную обработку загрязненной воды или воздушной среды.
В современных технологиях очистки значительный практический интерес представляют активированные угли [3]. Они обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к химическим соединениям различной природы и состава, способны к регенерации, имеют низкую себестоимость и успешно используются на стадии финишной очистки воды и газовых выбросов [1-3]. В настоящее время известно большое количество промышленных марок активированных углей различного назначения. Их разнообразие определяется конкретными условиями получения и свойствами исходного сырья [2]. Высокие технические характеристики делают эти углеродные сорбенты важными компонентами современных мировых технологий.
Экспериментальная часть
Эксперименты по исследованию процесса адсорбции паров изопропилового спирта проводили при температуре 25±1°С. Образец активированного угля Ваэдип 3.0/70 массой около 5,0 г помещали в открытый бюкс и выдерживали 2 часа при температуре 150 оС в сушильном шкафу при атмосферном давлении. Затем бюкс с образцом закрывали крышкой и охлаждали до комнатной температуры. В эксикатор объемом 3,0 литра заливали 250 мл изопропилового спирта и плотно закрывали его крышкой. Для проведения эксперимента в бюкс помещали точную навеску (около 2,5 г) высушенного образца активированного угля, закрывали бюкс крышкой и определяли общую массу на аналитических весах с точностью ±0,0001 г. Затем открытый бюкс помещали на опорную решетку эксикатора с органическим растворителем, избегая контакта с жидкой фазой, крышку эксикатора закрывали и начинали отсчет времени. Количество адсорбируемого растворителя в исследуемом активированном угле определяли гравиметрическим методом. Для этого через определенные интервалы времени эксикатор быстро открывали, бюкс с образцом закрывали крышкой,
доставали из эксикатора и взвешивали на аналитических весах. Полученный результат фиксировали, а бюкс с образцом возвращали в эксикатор для продолжения эксперимента. Последнее измерение, соответствующее состоянию полного насыщения (равновесия), проводили через 24 часа после начала эксперимента. Расчет удельного количества адсорбированного вещества в расчете на 1 г сорбента (г/г) проводили по формуле (1):
(1)
где qt - количество адсорбированного изопропилового спирта, г/г; т0 и т1 - масса бюкса с АУ в начале эксперимента и в текущий момент времени, г.
На основании полученных данных определяли зависимость удельного количества поглощенного изопропилового спирта от времени. Для выяснения закономерностей процесса адсорбции кинетические результаты обрабатывались с использованием уравнения Лагергрена псевдопервого порядка (2), Хо-Маккея псевдовторого порядка (3), диффузионного уравнения Еловича (4) [4]:
где qe и ql - адсорбционная емкость в момент равновесия и в момент времени I, г/г; I - время, мин; к1 - константа скорости псевдопервого порядка, мин-1.
где qc и ql - удельная адсорбционная емкость в момент равновесия и в момент времени I, г/г; I -время, мин; к2 - константа скорости псевдовторого порядка, г/г^мин.
1 л 1
qt = - х 1п{а х /5) + - х 1М
(4)
где ql - удельная адсорбционная емкость в момент времени I, г/г; в - константа десорбции, г/г; а -начальная скорость адсорбции, г/г*мин. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Таблица. 1. Результаты моделирования процесса адсорбции паров изопропилового спирта
Название уравнения Значение параметров математического описания процесса
Лагергрена Ва^ип 3.0/70 Кь мин-1 qе, г/г Я2
0,0035 0,5821 0,982
Хо-Маккея Ва^ип 3.0/70 К2, г/г* мин qe, г/г Я2
0,0071 0,3356 0,903
Еловича Ва^ип 3.0/70 а, г/г^мин в, г/г Я2
0,0023 6,8540 0,981
Обсуждение результатов
Выводы
Проведенные исследования показали, что равновесное значение удельной сорбционной емкости при адсорбции паров изопропилового спирта у активированного угля Вао^п 3.0/70 составляет 0,45 г/г. При этом кинетика процесса значительно лучше описывается уравнением Лагергрена (всевдопервого порядка), чем уравнением Хо-Маккея (псевдовторого порядка). Использование диффузионного уравнения Еловича для описания динамики процесса адсорбции изопропилового спирта также показало хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных (рис.1). Таким образом, обнаруженные закономерности обусловлены особенностями связывания адсорбата с поверхностью адсорбента и диффузией молекул изопропилового спирта к внешней и внутренней поверхности активированного угля.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 ^ мин
В ходе проведенных исследований были изучены количественные закономерности процесса адсорбции паров изопропилового спирта промышленным активированным углем Baojun 3.0/70 китайского производства, изготовленного из скорлупы кокосового ореха. Показано, что кинетика процесса адсорбции использованного алифатического спирта хорошо описывается уравнением псевдопервого порядка Лагергрена. Применение уравнения псевдовторого порядка Хо-Маккея дало удовлетворительные результаты. Использование уравнения Еловича, учитывающее влияние диффузионных факторов на внешней поверхности и внутри пор адсорбента на ход адсорбции изопропилового спирта, также показало хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных. Следует отметить, что высокая эффективность адсорбента в рассматриваемом процессе связана с большим количеством микро- и мезопор, образующихся в процессе его промышленного производства и обеспечивающих высокую сорбционную емкости активированного угля при поглощении паров изопропилового спирта. Существенную роль в определении эффективности работы адсорбента играет также показатель распределения пор по размерам. Все эти факторы подтверждают возможность эффективного использования активированного угля Baojun 3.0/70 для очистки воздушной атмосферы и промышленных газовых выбросов от летучих органических соединений (ЛОС).
б
Рис. 1. Результаты, полученные при использовании уравнений Лагергрена (а) и Хо-Маккея (б) для описания процесса адсорбции паров изопропилового спирта активированного угля Вао^п 3.0/70 .
Публикация подготовлена при поддержке Программы РУДН «5-100»
Литература
1. Б.Н. Фрог, А.Г. Первов. Водоподготовка М.: АСВ, 2015. 512 с.
2. В.М. Мухин, В.Н. Клушин. Получение и применение углеродных адсорбентов. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева. 2012. 305 с.
3. Ю.А. Лейкин. Физико-химические основы синтеза полимерных сорбентов. М.: БИНОМ, 2015. 416 с.
4 . А.В. Вишняков , Н.Ф. Кизим. Физическая химия. Учебник для ВУЗов . М . : Химия, 2012. 840 с.
а
