CC BY
24
УДК 661.183.2; 66.087.4 Милютина А.Д., Колесников В.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ
АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ УГЛЯ МАРКИ «ОУ-Б» В ПРИСУТСТВИИ КОАГУЛЯНТОВ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Милютина Алёна Дмитриевна, аспирант, ведущий инженер кафедры ТНВ и ЭП, e-mail: alenchik-1991@mail.ru; Колесников Владимир Александрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедры ТНВ и ЭП. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Исследована эффективность процесса электрофлотационного извлечения активированного угля марки «ОУ-Б» из водных растворов в присутствии разных типов поверхностно-активных веществ. Показаны результаты исследований электрокинетического потенциала и размера частиц угля ОУ-Б. Изучено влияние коагулянтов и дисперсной фазы цветных металлов на электрофлотационный процесс извлечения активированного угля.
Ключевые слова: электрофлотация, ПАВ, активированный уголь, электрокинетический потенциал, гидродинамический радиус, степень извлечения, коагулянт.
A STUDY OF ELECTRO-FLOTATION EXTRACTION OF ACTIVATED CARBONS ON THE EXAMPLE OF COAL "OU-B" IN THE PRESENCE OF COAGULANTS AND SURFACTANTS
Miluytina A.D., Kolesnikov V. A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effectiveness of electroflotation extraction process of activated coal «OU-B» from aqueous solutions in the presence of different types of surfactants was investigated. The results of studies of zeta potential, and particle size of coal OU-B was showed. The influence of coagulants and the dispersed phase of non-ferrous metals by electroflotation extraction process of activated carbon was studied.
Keywords: electroflotation, surfactant, activated carbon, Zeta potential, hydrodynamic radius, the degree of extraction, coagulant.
Активный уголь - старейший из обнаруженных человеком естественных адсорбентов. Впервые этот адсорбент был использован в далеких 400 годах до н. э. Его использовали для заживления язв, ран, с его помощью лечили от отравлений, применяли в очистке и для хранения воды, а в виноделии им осветляли красные вина [1].
Активный (или активированный) уголь (АУ) -это высокодисперсный углеродный материал с развитой пористой структурой, состоящий на 87-97 массовых % из углерода [2]. Активные угли получают из разнообразного углеродсодержащего сырья в некарбонизованном виде или в форме углей и коксов. Основной принцип активирования состоит в том, что углеродсодержащий материал подвергается селективной термической обработке в соответствующих условиях, в результате которой образуются многочисленные поры, щели и трещины и увеличивается площадь поверхности пор на единицу массы.
В связи со своими уникальными свойствами поверхности, активные угли интенсивно
продолжают внедряться в разных сферы науки и промышленности. Они применяются в медицинской, химической, пищевой,
металлургической, нефтеперерабатывающей
промышленностях. Но в основном используют как сорбенты для очистки газовых выбросов, сточных вод и как носители для катализаторов. Зачастую очень сложно контролировать процесс проникновения активных углей в сточные воды, особенно такой вид АУ как порошковые с размером частиц менее 100 мкм.
Целью данной работы являлось изучение процесса электрофлотационного извлечения активированного угля на примере угля марки «ОУ-Б» из водных растворов в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) и коагулянтов.
Материалы и методика
В работе был исследован и активированный уголь марки «ОУ-Б». Характеристики активированного угля ОУ-Б приведены в таблице 1
[3].
Таблица 1. Физико-химические характеристики активированного угля ОУ-Б.
Показатель Адсорбционная активность по метиленовому голубому, мг/г Массовая доля, %
золы общей золы водорастворимой соединений железа в -С 3+ пересчете на Fe влаги
ОУ-Б 210 6 1 0,2 58
АУ исследовали в водных растворах в присутствии 3 различных типов ПАВ (анионный, катионный и неионогенный) с концентрацией 100 мг/л при комнатной температуре (20±2°С): анионный - NaDDS (аПАВ), катионный - Катинол (кПАВ) и неионогенный - Тритон Х-100 (нПАВ). В качестве фонового электролита, повышающего электропроводность использовался Na2SO4 концентрацией 0,5 г/л.
Определение гидродинамического радиуса и электрокинетического потенциала частиц дисперсной фазы проводили методом динамического светорассеяния на установке РИОТОСОЯ СотрШ-2.
Лабораторные исследования процесса электрофлотационного извлечения частиц ОУ-Б проводили в непроточном электрофлотаторе с нерастворимым анодом (рис.1). Электрофлотатор состоит из стеклянной колонны (1) с вентилем (2) и электродного блока (3), который подключен к источнику постоянного тока (7). Электродный блок включает нерастворимый анод (4), выполненный из ОРТА (титановая основа с пленочным покрытием из оксидов кобальта и рутения, нанесенным термическим разложением смеси их солей) и катод (5), выполненный из сетки нержавеющей стали с размером ячеек 0.5*0.4 мм, толщина проволоки 0.3 мм).
220 В
9 9
\
Рис. 1. Схема лабораторной электрофлотационной установки периодического действия: 1 - колонна электрофлотатора, 2 - вентиль; 3 - электродный блок; 4 - анод; 5 - катод; 6 - резиновая прокладка; 7 - источник постоянного тока.
Образующиеся в процессе электрофлотации пузырьки водорода и кислорода, поднимаясь к поверхности обрабатываемого раствора, соединяются с частицами ОУ-Б с образованием флотокомплексов «частица - пузырёк
электролитического газа». Плотность
флотокомплексов меньше плотности воды, что обуславливает их подъем на поверхность обрабатываемого раствора и последующее образование пенного слоя (флотошлама), состоящего из газовых пузырьков, воды и частиц углеродного материала.
В процессе электрофлотации через каждые 5 мин осуществлялся отбор проб с целью определения остаточной концентрации ОУ-Б в водном растворе. Концентрация ОУ-Б определялась по адаптированной методике с использованием спектрофотометра ПРОМЭКОЛАБ ПЭ-5300В. Степень извлечения ОУ-Б а, % рассчитывали по формуле (1):
а =
^исх ^кон
* 100%, (1)
где Сисх и Скон - начальная и конечная концентрация активированного угля, мг/л. Результаты и их обсуждение Влияние гидродинамического радиуса Я, 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 ОУ-Б в водных
Суспензии аПАВ кПАВ нПАВ
а, % 2 52 4
с, мВ -34 -12 -23
Я, нм 882 816 825
Условия эксперимента: С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; С(Ыс£О4) = 0,5 г/л; рН = 7,0; т = 30 мин., = 0,2 А/л.
По результатам таблицы 1 видно, что средний гидродинамическим радиус частиц ОУ-Б варьируется в дипазоне 810-890 нм. При этом видна закономерность, что чем меньше размер частицы, тем больше значение
электрокинетического потенциала, и,
следовательно, процесс электрофлотации протекает эффективнее. Максимальная степень извлечения ОУ-Б 52% достигается в водном растворе с катионным ПАВ.
Изучена кинетика процесса
электрофлотационного извлечения ОУ-Б из водного раствора в присутствии различных типов ПАВ и коагулянтов (таблица 2).
Таблица 2. Степень извлечения ОУ-Б из водного раствора в присутствии различных типов ПАВ и коагулянтов.
т, мин. а, %
аПАВ кПАВ нПАВ
без добавки Fe3+ А13+ без добавки Fe3+ А13+ без добавки Fe3+ А13+
5 1 15 22 9 71 14 2 58 21
10 2 18 25 50 98 43 4 77 27
20 2 19 35 52 98 59 4 92 68
30 2 20 36 52 98 81 4 97 86
Условия эксперимента: С(Ме) = 10 мг/л; С (ОУ-Б)
Данные таблицы 2 показывают, что при добавлении коагулянтов эффективность процесса электрофлотационного процесса значительно возрастает. В присутствии ионов алюминия (III) с кПАВ и нПАВ процесс электрофлотационного извлечения частиц ОУ-Б протекает не так эффективно, как с ионами Fe3+, однако величина степени извлечения увеличивается на 30% (для кПАВ) и на 82% (для нПАВ) по сравнению с результатами электрофлотации без добавления коагулянтов. Степень извлечения частиц ОУ-Б в водных растворах катионного или неионогенного ПАВ в присутствии ионов железа (III) извлекаются на 98 и 97% соответственно. При этом в растворе с кПАВ степень извлечения ОУ-Б достигает максимума уже через 5 минут электрофлотации.
В присутствии ПАВ анионной природы частицы ОУ-Б практически не извлекаются методом электрофлотации. В присутствии ионов железа (III) и алюминия (III) в растворе не происходит образования труднорастворимых осадков Fe(OH)3 и А1(ОН)3 вследствие перехода ионов металлов в растворимые комплексы Ме-аПАВ.
Заключение
Таким образом, были проведены исследования по изучению влияния коллоидно-химических характеристик частиц активированного угля ОУ-Б на процесс электрофлотационного извлечения этих частиц. Результаты показали, что эффективно ОУ-Б извлекается в водном растворе катионного ПАВ, электрокинетический потенциал которого больше, чем в растворах других типов ПАВ.
Установлено, что метод электрофлотационного извлечения наиболее эффективен в присутствии
коагулянтов. Добавление в раствор ионов трехвалентных металлов интенсифицирует процесс электрофлотационного извлечения частиц ОУ-Б до 97-98% (для железа(Ш)) и до 81-86% (для алюминия (III)) в присутствии катионного и неионогенного ПАВ.
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. Мухин В.М. Производство и примененик углеродных адсорбентов: учеб. пособие / Мухин В.М., Клушин В.Н. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 308 с.
2. Промышленный катализ в лекциях № 7 / Под ред. А.С. Носкова. - М.: Калвис, 2007. - 128 с.
3.Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы, осушители и химические поглотители на их основе: Каталог / Под общ. ред. Мухина В.М. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. - 280 с.
4.Бродский В.А., Колесников В.А., Ильин В.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.
