CC BY
21
УДК 628.3:
Аистова А.А., Гольнева П.А., Конькова Т.В.. Стоянова А.Д.
ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ
Аистова Алёна Александровна, студентка 4 курса кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов e-mail: aleenkaa a@,mail.ru
Гольнева Полина Александровна, студентка 4 курса кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов e-mail: oy-poll.pups@mail.ru
Конькова Татьяна Владимировна, доктор технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов e-mail: kontat@list.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Стоянова Алена Дмитриевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов e-mail: milyutina alena rhtu@mail.ru
Исследована адсорбционная способность углеродных наноматериалов, в процессах очистки сточных вод от органических красителей на примере азокрасителя кармуазина. Углеродные нанотрубки марки Сибунит выступают эффективными адсорбентами, достигаемая степень очистки составила 95 %.
Ключевые слова: углеродные наноматериалы, адсорбция, очистка сточных вод, красители
RESEARCH OF CARBON NANOMATERIALS FOR PURIFICATION OF WASTE WATER FROM ORGANIC DYES
Aistova A.A., Gol'neva P.A., Kon'kova T.V., Stoyanova A.D. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The adsorption capacity of the carbon nanomaterials in the processes of wastewater treatment from organic dyes has been investigated on example azodue carmoisine. Сarbon nanotubes act as effective adsorbents, the degree of purification achieved 95 %.
Keywords: carbon nanomaterials, adsorption, wastewater purification, dyes
Загрязнение сточных вод предприятий Физическая адсорбция органических веществ из химической, лакокрасочной, текстильной водных растворов наиболее сильно проявляется при промышленности красителями и пигментами использовании в качестве адсорбентов углеродных является серьезной проблемой. Сорбционная очистка материалов, поскольку энергия вандерваальсового является одним из наиболее успешных и взаимодействия молекул воды с атомами углерода, эффективных методов очистки сточных вод. Этот образующими поверхность углеродных тел, намного
метод не только позволяет удалять загрязняющие меньше энергии дисперсионного взаимодействия
компоненты, доводя их содержание практически до этих атомов с атомами углеродного скелета
любой концентрации, но и не вносит в очищаемую органических молекул. Энергия дисперсионного
воду вторичных загрязнений, кроме того легко взаимодействия органических молекул с адсорбентом автоматизировать и механизировать процесс очистки особенно высока в тех случаях, когда углеродные
[1]. скелеты молекул адсорбента имеют плоскую
Активные угли и другие углеродные материалы структуру и характеризуются сопряженной системой
обладают высокой эффективностью в очистке воды п-связей, как это наблюдается, например, в
от красителей и других органических загрязнений [2]. ароматических соединениях. Большое различие в Данные материалы хорошо проявляют себя как энергиях взаимодействия молекул компонентов
адсорбенты, используются в процессах катализа. раствора с поверхностью углеродного адсорбента
Применение углеродных наноматериалов в качестве приводит к сильно выраженной избирательной
адсорбентов и носителей для катализаторов связано с адсорбции органических веществ. Такая двумя важными их характеристиками: они обладают избирательность обусловливает технологическое большой удельной поверхностью и химической применение адсорбции и является основой
инертностью [3]. адсорбционных механизмов многих процессов [4].
Цель данной работы состояла в исследовании эффективности применения углеродных
наноматериалов в адсорбционной очистке сточных вод от органических красителей. Были рассмотрены углеродные нанотрубки (Таунит, Таунит-М, Таунит-МД), углеродные нановолокна, уголь ФАС и сажа СН-210.
Углеродные нанотрубки (УНТ) серии «Таунит» представляют собой - квазиодномерные, наномасштабные, нитевидные образования поликристаллического графита преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом.
Сажа - это углеродный продукт, получаемый пиролизом углеводородов (природный газ или нефтяные фракции) при их неполным сгорании.
Углеродные нановолокна (УНВ) - волокна с диаметром 10-200 нм. УНВ выращиваются при
осаждении углерода в атмосфере газа на металлических наночастицах таких же размеров. Нановолокна содержат внутреннюю полость с перегородками и состоят из вложенных друг в друга искаженных конусов с графеновыми (сетки, подобные слоям в графите) стенками.
Активированные угли (АУ). На 87-97% состоят из углерода. Являются наиболее распространенным типом среди углеродных носителей из-за высокой удельной поверхности (500 -1200 м2/г) и низкой стоимости.
Текстурные характеристики (табл.1) исследуемых образцов рассчитывали на основании изотерм адсорбции-десорбции азота при температуре 77 К, полученных на объемнометрической установке Nova 1200e. Изотермы представлены на рисунках 1-4.
Рис. 1 Изотерма адсорбции-десорбции N2 при температуре 77 К на саже.
Рис. 2 Изотерма адсорбции-десорбции N2 при температуре 77 К на нановолокнах.
Рис. 3 Изотерма адсорбции-десорбции N2 при температуре 77 К на ФАС
Рис. 4 Изотерма адсорбции-десорбции N2 при температуре 77 К на нанотрубках
Таблица 1. Текстурные характеристики углеродных
материалов.
Образец Буд, м2/г Уми, см3/г Ух, см3/г Оме, нм
Сажа 208 0,035 0,963 50,6
Нановолокна 51 0,004 0,159 3,94
Уголь ФАС 516 0,224 0,530 3,81
Нанотрубки Таунит-М 288 0 1,37 3,21
Нанотрубки Таунит-МД 264 0 1,072 30,7
Нанотрубки Таунит 171 0,020 0,267 3,80
В случае всех углеродных образцов мы наблюдаем петлю гистерезиса, что говорит о наличии переходных пор. Формы пор адсорбентов отличаются, соответственно разнообразны и формы гистерезисных петель. В случае сажи, нанотрубок и ФАС форма петли гистерезиса обусловлена наличием открытых с обоих концов капилляров, имеющих трубчатую форму с самой различной конфигурацией поперечного сечения и небольшой разброс радиусов по величине. В случае нановолокон форма петли гистерезиса связана с наличием в веществе тероидальных, а также сквозных и замкнутых бутылкообразых пор с одинаковыми радиусами полостей и различными радиусами входных отверстий.
Для сажи, ФАС и нанотрубок характерно увеличение изотермы в области высоких давлений.
Таблица 2. Величина адсорбция и степень очистки
Для нановолокон характерно более широкое распространение пор по всей области. Все исследуемые образцы обладают развитой удельной поверхностью.
Адсорбционные исследования проводилось на примере органического красителя армуазина. (азорубина) Содержание красителя в растворе определялось с помощью спектрофотометра «ЮНИКО 1201» (длина волны для кармуазина равна 517 нм). Концентрация красителя в растворе составляла 20 мг/л. Содержание исследуемых углеродных материалов в растворе варьировалась от 0,1 до 0,6 г/л Адсорбцию проводили в интервале времени от 10 до 30 мин при комнатной температуре и перемешивании. Твердая фаза отделялась от раствора фильтрованием. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.
створа от кармуазина при времени контакта 10 минут.
Углеродный материал Сажа ФАС Нановолокна Таунит Таунит-М Таунит-МД
Степень очистки, % 30,0 12,0 17,0 53,4 84,6 75,8
Адсорбции, мг красителя/ г адсорбента 5,6 0,1 2,4 11,75 20,3 18,2
Максимальная степень очистки раствора от кармуазина была достигнута в присутствии нанотрубок Таунит-М, она составила 84,6%. Нановолокна обладают минимальной удельной поверхность, степень очистки раствора в присутствии нановолокон составила 17%. Несмотря на то, что ФАС обладает максимальной удельной поверхностью его сорбционная активность минимальна по сравнению с другими исследуемыми образцами, что обусловлено различной природой поверхности углеродных материалов.
Результаты очистки раствора от красителя на углеродных нанотрубках Таунит различных марок за 30 мин контакта представлены в табл. 3. Видно, что в данном случае степень очистки раствора пропорциональна удельной поверхности адсорбентов и составила 95% для образца Таунита М, обладающего максимальной сорбционной способностью.
Таблица 3. Степень очистки раствора от кармуазина при времени контакта 30 минут.
Таким образом, среди исследованных углеродные наноматериалов таунит проявляют себя в качестве эффективного адсорбента для очистки сточных вод от органических красителей.
Список литературы
1. Сютова А.И., Алибеков С.Я., Маряшев А.В., Сальманов Р.С., Сютов Н.П. Технология очистки сточных вод с приенением углеродных волокнистых материалов// Вестник Казанского технологического университета. - Т. 19, №20. -2016. - 183-185.
2. Хохлова Т.Д., Хиен Ле Тхи Адсорбция красителей на активных углях и графитированной термической саже // Вестник Московского университета. - Т.48 №3. - 2007. - 157-161.
3. Аль-Вадхав Х.А. Углеродные носители и синтез палладиевых катализаторов на их основе/ Х.А. Аль-Вадхав //Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова.- Т. 7,№ 1.- 2012.- 3-18 с.
4. Олонцев В.Ф., Минькова А.А., Генералова К.Н. Исследование адсорбционной активности углеродных материалов // Master's journal. - №2. -2013. - 87-97 с.
Углеродный материал Таунит Таунит-М Таунит-МД
Степень очистки, % 86,3 95,0 91,6
