CC BY
113
УДК 544.77.051.62
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА АКТИВАЦИИ ГЛИН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ 1
Одним из наиболее перспективных направлений в очистке сточных вод является использование природных минералов в качестве сорбентов. Поскольку глины с низким содержанием глинистой составляющей наиболее распространены в природе, то возможность использования глин с переменным составом находится в центре нашего внимания. Использование электромагнитной активации природных глин для повышения сорбционной активности в отношении ионов тяжелых металлов и ее механизм показаны в статье.
Ключевые слова: глины, тяжелые металлы, сорбция, активация.
С.Н. Дудина
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
Россия, 308015, г Белгород, ул. Победы 85
E-mail: [email protected]
Введение
Постоянное увеличение объемов сточных вод (СВ) обусловленное ростом хозяйственной деятельности, развитием промышленности, сельского хозяйства и транспорта, создает повышенную потенциальную опасность для окружающей среды. В последние годы во много раз возросла антропогенная и техногенная нагрузка на водные объекты. Одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды являются ионы тяжелых металлов (ИТМ). Последние обладают свойствами токсикантов кумулятивного и аддитивного характера, способных оказывать мутагенное и канцерогенное действие на живые организмы. Основными источниками загрязнения природных вод ТМ являются СВ гальванических цехов, предприятия горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроительные заводы.
Известные способы очистки СВ от ИТМ основаны на коллоидно-химических процессах флокуляции, адсорбции, соосаждения и т.д. В то же время большинство из них являются дорогостоящими, сложными в исполнении, ориентируются на импортное оборудование и дефицитные реагенты. В связи с этим особый интерес представляют недорогие и эффективные способы очистки СВ, основанные на использовании отходов промышленности, местного сырья и минералов в качестве сорбентов.
Из природных минералов для водоочистки широко используют глины бентонитовые, монтмориллонитовые, клиноптиллолитовые и др. Повышения сорбционной емкости обычных природных глин, являющихся доступным и широко распространенным материалом, можно достичь путем их активации электромагнитным излучением [1-2].
Исследовано воздействие электромагнитных полей (ИК- и УФ- обработка) на сорбционную способность глин. При этом установлено, что ИК - активация позволяет увеличить ее в 1.4-1.8 раз, а УФ-активация в 1.8-2.7 раз. Следует отметить, что наименьший эффект активации зафиксирован при обработке каолинитовой глины и составил 1.4 раза при ИК-активации и 1.8 раз при УФ-активации [2].
Для оценки механизма активации разных видов обработки на изменение сорбционной емкости глин, использовали РФА (рис. 1), кондуктометрический, электроки-нетический методы изучения глин до и после обработки.
Полученные данные показывают, что параметры кристаллической решетки остаются без изменения, фракционный состав (рис. 2), определенный на лазерном анализаторе Zetasizer Nano ZC (Malvern Instruments) и удельная поверхность, определенная на автоматический анализатор удельной площади поверхности и пористости TriStar II 3020 также практически не изменились. Это свидетельствует о том, что измене-
1 Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
ние сорбционной емкости при воздействии ИК- и УФ- излучения обусловлено изменениями в поверхностном слое и межслоевом пространстве глинистых минералов.
Рис. 1. Рентгенограмма сравнения УФ, ИК-обработанных и природных глин
Таблица 1
Фракционный состав природных и активированных глин
Массовая доля, % D, мкм
<5 <10 <20 <50 <80 <100 <150 <200 <400 <600
Природная 30.2 20.3 21.4 13.2 6.4 2.7 3.4 1.3 1.1 -
Уф-обработ 32.8 21.7 21.3 12.1 5.6 2.2 2.6 0.9 0.8 -
ИК-обработ 30.8 21.7 22.3 13.1 5.6 2.2 2.6 0.9 0.8 -
ИК- и Уф- активация оказывает влияние на различные формы связанной воды в глинистых минералах. Изучение зависимости потери массы образцами при ИК- активации показывает (рис.2), что в ходе обработки образцов глин ИК- излучением происходит снижение массы всех бентонитовых образцов до 10%, каолинитовой глины -5% . Такое изменение массы может быть объяснено переходом связанной воды в парообразное состояние и удалением из структуры кристалла. Вероятность более глубоких изменений структуры минералов невелика, так как не происходит изменения минералогического и фракционного состава образцов.
Подтверждением возможности протекания этих процессов являются ИК- спектры природных и активированных глин (рис. 3). Прямым спектральным криерием дегидратации является уменьшение интенсивности в спектре полосы поглощения деформационных колебаний молекул воды с частотой 1600-1645 см-1. Снижение интенсивности полосы поглощения в области 3750-4000см-1 говорит о снижении количества свободной физически сорбированной воды, а в области 3240-3500см-1-об уменьшении количества полимолекулярно-сорбированной и капиллярно конденсированной воды.
В случае ИК-активации наблюдается увеличение интенсивности полосы поглощения с частотой б00-б50см-1 и 820-870см-1 , что говорит об увеличении на поверхности минералов количества свободных ОН-групп. При УФ-активации в этой области спектра фиксируется уменьшении количества гидроксильных групп в ходе регидрок-силирования поверхности с образованием силоксановых мостиков. Протекание таких процессов в глинистых минералах при ИК- и УФ-активации увеличивает их обменную емкость, что подтверждается увеличением эффективности очистки СВ от ИТМ.
Различия в результатах воздействия ИК- и УФ-излучения подтверждаются так же результатами по определению степени вымывания ионов щелочных и щелочноземельных металлов из кристаллической решетки глинистых минералов. Так, если содержание этих металлов в фильтрате после ИК-активации практически не изменяется, то после УФ-обработки их содержание в фильтрате ощутимо увеличивается (табл. 2), что
свидетельствует о значительно большем ослаблении связей этих катионов с кристаллической решеткой.
100
98
92
90
ч\
<Г-ч
го N
& ■ \ •• О ’ •
го „„ N N
" 94----------------------------------►—*-
° Ч N.
ГО
К ч *
V *
Ч_Ч
ч.ч
^3!__, Рис. 2. Потеря массы образцов
_0 ' 5 ' 10 ' 15 20 'в95Мя И&обра3б^тки’ МИн глин при ИК- активации
■ ♦— - Аркадьев ка Поляна
■А— Сергеев ка —х— Веселов ка
УФ обраб 15 мин --------природная см-1 Рис■ 3 ИК-спекгр щирод-
нои и активированных
ИК-обраб глин
Таблица 2
Катионный состав фильтрата
Катионы мг/л Образец глины
Аркадьевка Сергеевка Поляна
Природная УФ-обр. Природная УФ-обр Природная УФ-обр
Натрий 1.50 1.85 1.26 1.95 1.10 1.78
Калий 0.21 0.24 0.23 0.46 0.23 0.44
Кальций 0.49 0.59 1.48 2.47 5.43 5.53
Магний 0.12 0.17 0.78 0.85 0.78 0.93
Алюминий <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04
Отмеченное изменение состава и структуры межслоевой дисперсионной среды должно приводить к изменению электроповерхностных свойств. Как показали исследования электрокинетического (^-) потенциала, при ИК- и УФ-обработке, ^-потенциал смещается в отрицательную область (рис. 4).
0 10 50 100 150 200 250
•— прир обрабконц. Fe мг/л
а)
Рис. 4. Зависимость ^-потенциала от концентрации ИТМ: а) железо; б) никель
Как видно из характера зависимости ^-потенциала от концентраций ИТМ выход на насыщение для УФ-обработанных глин наблюдается в области 230-250 мг/л, что соответствует образованию насыщенного мономолекулярного слоя по данным изотерм адсорбции. Аналогичная закономерность наблюдается для изменения ^ - потенциала при концентрации никеля 70-80 мг/л для природных и 150-180 мг/л - для активированных глин. В ходе сорбции ИТМ наблюдается перезарядка поверхности глинистых частиц. Изоэлектрические точки зафиксированы при следующих концентрациях ИТМ: ре3+] = 99 мг/л (природная) и 179мг/л (обработанная) (рис. 4 а); [№2+] = 86 мг/л (природная) и 169 мг/л (обработанная) (рис. 4 б).
Следует отметить, что конечное значение ^-потенциала при формировании мономолекулярного адсорбционного слоя имеет одинаковое значение как для природных так и для обработанных глин.
Таким образом в ходе изучения механизма активации глин электромагнитным излучением установлено, что по сравнению с нативными образцами ИК- и УФ-активация уменьшает содержание свободно связанной воды в структуре глинистых минералов. В то же время ИК-активация уменьшает долю капиллярно-связанной воды и увеличивает количество свободных ОН-групп на поверхности минералов. УФ-активация значительно снижает как количество капиллярно- связанной воды, так и количество свободных ОН- групп на поверхности. Показано, что УФ-обработка приводит к ослаблению связи обменных катионов с кристаллической решеткой глин, в результате чего ощутимо увеличивается вымывание щелочных и щелочноземельных металлов. Выявлено, что изменение структуры и состава межслоевой дисперсионной среды приводит к смещению электрокинетического потенциала в отрицательную. В ходе сорбции ИТМ наблюдается перезарядка поверхности глинистых частиц.
Список литературы
1. Гладких Ю.П., Ядыкина В.В., Завражина В.И./Влияние Уф-облучения на физикохимическую активность кварцевого песка и процессы формирования цементно-песчаного бетона / / Коллоидный журнал. - 1989. - Т. 51, №3. - С. 445-450.
2. Дудина С.Н. Сорбция из растворов ионов Fe3+ и №2+ природными и активированными глинами // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Естественные науки. - 2010. - № 9 (80). - Вып. 11. - С. 131-136.
INVESTIGATION OF THE MECHANISM OF ACTIVATION OF CLAY BY ELECTROMAGNETIC EFFECTS
One of the most perspective trends of sewage waters purification S N DUdina is the usage of natural minerals as sorbents. As clays with a low content
. of minerals are the most frequently found in nature, the possibility of
Belgorod State Uiuversity using clays with a variable content is in the focus of our attention. Us-
Pobedy St., 85,Belgorod, 3o8m5, ing an electromagnetic activation of natural clays and its mechanism Russia are shown in the article.
E-mail: [email protected]
Key words: clay, heavy metals, sorbtion, activation.
