CC BY
32
УДК 666.08.004.11
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КАРБОМИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
З.А. Мансуров, Г.К. Тажкенова*, P.M. Мансурова, Р.Ш. Еркасов*
* Евразийский государственный университет им. Л. Н. Гумилева, Институт проблем горения
Мак,алада карбонизация тузтстдег1 кинетика ypdici царастырылып, зерттеу нэтижелгр1 усынылады. Жург1з1лген зерттеулер кезтде карбонизЫк тшмдшк ymici сорбенттер екендш дэлелденд1.
В статье представлены результаты исследований, изучена кинетика процесса карбонизации тростника. Проведенные исследования показали, что изученные карбонизированные образцы являются наиболее эффективными сорбентами.
In the article the outcomes of studies are presented, the kinetics of the process of carbonization of cane is studied. The conducted studies have shown, that the studied carbonated samples are the most effective sorbents.
Рациональное использование водных ресурсов является одной из актуальных задач экологии, в решении которых большая роль отводится очистке сточных вод различных производств. Как известно, очистные сооружения не обеспечивают очистку сточных вод предприятий от ионов тяжелых металлов до значений их ПДК. Поэтому необходима доочистка сточных вод различными способами, сре-
ди которых большое место занимают сорбционные методы.
Глины уже сравнительно давно применяются для улучшения процесса выделения примесей тяжелых металлов из воды. Известно [1], что частички монтмориллонита, каолинита и других слоистых силикатов имеют два типа поверхностей: базальные грани, заряженные в водной среде отрицательно, и боковые грани с участ-
ками, заряженными как отрицательно ( = 8Ю-Н+), так и положительно (=АГ ОН ).
В результате поиска новых способов получения адсорбентов для очистки сточной и питьевой воды сотрудники Института проблем горения создали эффективные (по статической объемной емкости превышающие известные аналоги на основе бентонитовой, вермукилитовой глин в 2 раза) дешевые углерод -минеральные сорбенты на основе Чиликской, Нарын-кольской, Сарыузекской глин. На основании результатов исследований, проведенных в лаборатории гибридных технологии, дано физико-химическое обоснование применения угле-родсодержащих сорбентов - модифицированных углеродом глин для интенсификации осаждения ионов тяжелых металлов из промышленных сточных из вод.
Было установлено, что в зависимости от состава минерального сырья могут быть получены углеродсодер-жащие сорбенты многофункционального назначения. Синтезированные дешевые углеродсодержащие композиции сочетают основные достоинства минеральных сорбентов и активных углей: высокую механическую прочность, гидрофобность, развитую систему пор и высокую удельную адсорбционную поверхность /2-5/.
Установлено, что Тонкерис-ская глина Акмолинской области име-
ет следующий усредненный состав 8Ю2-53.1%;А1,03-18.1%;Ре203-6.39%;СаО-1.04%;]У^О-3.75%^а2О-1,30%;К20-1,39%;802-0.14%;Н2Ъ-8.44%;п.п-7,0%.
Наличие в глине металлов переменной валентности говорит о том, что синтез каталитического углерода на поверхности глины будет протекать в мягких условиях и должен образоваться углеродсодержащии сорбент с высокими сорбционными характеристиками и хорошими физико-механическими параметрами, что доказано расчетами изобарно-изотермических потенциалов реакции зауглерожива-ния природного минерального сырья и энергиями активации [6,7].
Формирование углерод - минеральных сорбентов на основе Тонке-рисской глины проводилось в режиме пиролиза пропан-бутановой смеси в зависимости от температуры, скорости подачи газа и времени контакта [8].
Кинетика зауглероживания Тон-керисской глины и процесса карбонизации тростника (КТ) изучалась на проточной установке в интервалетемпера-тур 600-800°С при времени контакта 5-60 мин и скорости подачи газа (пропан-бутановой смеси) 3,510'3 - 5,210"3час"' / 8,9/. В данной работе будет уделено внимание процессу получения карбо-низованного сорбента из тростника и определению его сорбционных свойств. На рисунке 1 приведена зави-
симость потери массы оттемперату- происходит до температуры 650°С, ры процесса. Из этой зависимости при 700°С потеря массы составляет видно, что основная потеря массы 72-75%,
S 80 2
0 200 400 600 800 1000
т, "с
Рисунок 1 .Зависимость потери массы углерода от температуры карбонизации тростника
Кинетика процесса карбонизации тростника изучена ИК - спектроскопическим методом. Измерения ИК-спектров исследуемых образцов проводили на ИК-спектрометрах UR-20 и "Mattson" (USA) с преобразователем Фурье в виде таблеток, спрессованных с КВг (рис. 2.3).
Mon Aug 0610:33:47:21 2001
2500 2000
Wavenumbers
Рисунок 2. ИК спектр карбонизованного сорбента на основе тростника
В ИК- спектре карбонизован-ного тростника (КТ), полученного при 800°С наблюдаются интенсивные полосы поглощения при 1374 и 1437 см-1, которые соответствуют характеристическим полосам поглощения валентных колебаний С-Н ароматического кольца. Таким образом, в спектре КТ имеются интенсивные характеристические полосы, отвечающие колебаниям С-Н групп ароматического кольца. При сравнении спектров КТ и ЗВК видно, что в спектрах КТ отсутствуют полосы 3438,39,01 и 3093,28,00 см'1, соответствующие колебаниям ИН2, ОН и СНДав) ароматического кольца. Исследования, проведенные на спектрометре "Маивоп", показали, что в спектре КТ в области наблюдаются характеристические полосы 2922.43.0.0 см"1 и 2852.45.0.0 см"1, относящиеся к колебаниям симметричных и асимметричных СН2
групп. В области 1374.75.0.0 см-1 -СН3 и 1318.69.0.2 см"1 -СН2 групп, 1243.78.0.2 см-1 и 1158.72.0.2 см'1 полосы поглощения СООИ., в области 1093.68.0.1 и 1146.17.0.1 см-1 --С-0-С-.
При карбонизации КТ при температурах 600-800 °С произошел резкий спад интенсивности характеристических полос С=0 групп (в 10 раз). Произошло уменьшение интенсивности характеристических полос-С-О-С-групп. Таким образом, спектр карбо-низованного сорбента на основетрос-тника отличается от спектра на основе виноградных и абрикосовых косточек. Необходимо отметить так же, что в процессе карбонизации тростника не выделяется большое количество резко пахнущих летучих жидких продуктов.
Спектры ЭПР карбонизован-ных образцов снимали в интервале температур зауглероживания 650-800°С. МетодЭПР позволяет регист-
рировать парамагнитные центры, т.е. частицы, обладающие неспаренным спином (электроном). Или могут быть свободные радикалы. При увеличение температуры процесса происходит уменьшение интенсивности сигнала ЭПР (рисунок 4). При температуре 800°С амплитуда сигнала падает в 1,5 раза по сравнению с максимальной при температуре 750°С.
Рисунок 4. Зависимость интенсивности сигнала магнитного резонанса от температуры зауглероживания КТ
Была исследована питьевая вода города Астаны, в составе которой обнаружено большое содержание ионов кадмия, свинца, никеля, меди(мкг/ мл): Со - 0,073, N1 - 0,013, Бе - 0,32, Си - 0,002, Ъп - 0,035, Сё - 0,005.
Карбонизованные сорбенты использовались для поглощения ионов кобальта из водопроводной воды г. Астаны. На рисунке 5 приведены данные поглощения ионов кобальта синтезированными при различных температурах сорбентами.
г 45
ЛН-1-1-.-1-г-1---1-1-|-<-!-'
О 10 20 30 40 50 60
1, МИН
1 - 650°С; 2 - 700°С; 3 - 750°С; 4 - 800°С
Рисунок 5. Кинетика сорбции ионов кобальта на КТ
Таким образом, в результате проведенных исследований изучена кинетика процесса карбонизации тростника . Установлено, что карбо-минеральные сорбенты в режиме про-пан-бутановой смеси могут быть использованы для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Проведенные исследования показывают, что изученные карбони-зованные образцы являются наиболее эффективными сорбентами.
Как следует из данных о кине-
тике сорбции, большая часть ионов кобальта сорбируется уже в течение первых 5-20 мин контакта с растворами.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан, грант получен по теме: «Многофункциональные сорбенты для очистки питьевой и технической воды».
Авторы выражают благодарность к.ф-м.н. Ю.А.Рябикину и А.Д.Сергазиеву за измерение ИК и ЭПР спектроскопии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мансурова P.M. Физико -химические основы синтеза углерод-содержащих композиций. - Алматы: XXI век, .2001. - 180 с.
2. Ахметова Ж.Т. Термокаталитический синтез углеродмине-ральных систем, использование их в качестве сорбентов // Канд. дисс., Алматы, 1999,- 119 с.
3. Рябикин Ю.А., Мансурова P.M., Зашквара О.В. ЭПР - спектроскопическое исследование углерод-содержащих композиций. // Вестник КазГУ, серия химическая № 3 (20) 2000г, г. Алматы. - С. 165-182.
4. Мансурова P.M., Рябикин Ю. А., Ахметова Ж.Т., Мансуров 3. А. ЭПР - спектроскопическое исследование углеродсодержащих сорбентов. / / ЖФХ, № 10,2001.- С. 1748-1752.
5. Г. К. Тажкенова*, Ж.Т. Ахметова, Сыдыков А.О., Канытбек -улы Максат., Биисенбаев М.А., Р. М. Мансурова., Р. Ш. Еркасов. Уг-леродминеральные сорбенты для поглощения ионов Fe2+, Со2+, Cd2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+ // Материалы международной конференции по аналити-
ческой химии, посвященной 100-летию со дня рождения член-корр. HAH PK O.A. Сонгиной.
6. Д.Г. Васильев, М.Х.Сыды-ков, Н.К.Жылыбаева, Г.К.Тажкено-ва Новые углеродсодержащие сорбенты для поглощения ионов тяжелых металлов // Вестник КазГУ, Серия химическая.-№2(22).-Алматы,2001.-С.-319-320.
7.Н.К.Жылыбаева., Г.К.Таж-кенова., Р.М.Мансурова. Карбони-зованные сорбенты на основе абрикосовых косточек // Вестник КазГУ, Серия химическая.-№2(22).-Алма-ты,2001 .-С.-109-111.
8. P.M. Мансурова. Химия, химическая технология //Современные проблемы 2000, КазГУ, Алматы, 2001,-С. 152-176.
9. Мансурова P.M. Жубано-ва A.A., Каирманова Г.К.,Уалиева П.С. Сорбция дрожжевых клеток на нативных и зауглероженных носителях на основе виноградных косточек и скорлупы грецких орехов // Ж. Биотехнология. Теория и практика - 2000, № 1-2 (13)-С. 74-78.
