CC BY
27
CHEMICAL SCIENCES
EXTRACTION OF CARBON SORBENTS FROM AQUEOUS SOLUTIONS BY ELECTROFLOTATION METHOD
1 2 3
Nenasheva A.S. , Gaydukova A.M. , Vetlugin N.A. (Russian Federation) Email: [email protected]
1Nenasheva Anastasia Sergeevna - Undergraduate; 2Gaydukova Anastasia Mikhailovna - PhD in Technical Sciences, Senior Lecturer; 3Vetlugin Nikolay Anatolyevich - PhD in Chemistry, First Category Engineer, DEPARTMENT OF TECHNOLOGY OF INORGANIC SUBSTANCES AND ELECTROCHEMICAL PROCESSES, RUSSIAN CHEMICAL-TECHNOLOGICAL UNIVERSITY NAMED AFTER D.I. MENDELEEV,
MOSCOW
Abstract: investigations were carried out on the process of extracting carbon sorbents of three grades (OU-A, RAU powdered coals and MeKS-O grains) from aqueous solutions by the electroflotation method. The prospects of using the electroflotation method, with which it is possible to effectively extract coal after ten minutes from the start of the process, are shown. It was established that the presence of FeCl3 coagulant in the solution contributes to a significant increase in the degree of electroflotation extraction of activated carbons in an acidic medium. The effect of Fe3+ ions on the physicochemical characteristics (electrokinetic potential and size) of carbon powder materials was determined.
Keywords: carbon material, electroflotation, coagulant, electrokinetic potential, particle size.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ
1 2 3
Ненашева А.С. , Гайдукова А.М. , Ветлугин Н.А. (Российская Федерация)
1Ненашева Анастасия Сергеевна - магистрант; 2Гайдукова Анастасия Михайловна - кандидат технических наук, старший преподаватель; 3Ветлугин Николай Анатольевич - кандидат химических наук, инженер первой категории, кафедра технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева,
г. Москва
Аннотация: проведены исследования процесса извлечения углеродных сорбентов трех марок (порошковые угли «ОУ-А», «РАУ» и зерненый уголь марки «МеКС-О») из водных растворов электрофлотационным методом. Показана перспективность применения электрофлотационного метода, с помощью которого возможно эффективное извлечение угля уже после 10 минут от начала процесса. Установлено, что присутствие в растворе коагулянта FeCl3 способствует значительному росту степени электрофлотационного извлечения активных углей в кислой среде. Определено влияние ионов Fe3+ на физико-химические характеристики (электрокинетический потенциал и размер) порошковых углеродных материалов.
Ключевые слова: углеродный материал, электрофлотация, коагулянт, электрокинетический потенциал, размер частиц.
DOI: 10.24411/2542-0798-2020-16901
Введение
Известно, что активные угли являются универсальными адсорбционными материалами с высокой сорбционной способностью по отношению к неорганическим и органическим
20
соединениям [1-3]. Их применяют, главным образом, в технологиях очистки сточных вод и водоподготовки [4-5].
В последнее время все более распространенной становится технология так называемого «углевания» [6-8], которая заключается в порционном введении адсорбента непосредственно в объем обрабатываемой воды. В работе [9] проводилось комплексное исследование эффективности данной технологии с применением углеродных материалов, таких как порошок ОУ-А, гранулы Solcalb, волокна АУТ-МИ и др., с целью извлечения ПАВ и ионов тяжелых металлов из водных растворов. Результаты исследований показали, что метод достаточно эффективен и позволяет очистить сточные воды различных предприятий (пищевых, косметических, вагоноремонтных, автомобильных) до норм ПДК.
В то же время возникает необходимость решения проблемы отделения углеродного материала от очищаемой жидкости. Классическими методами, например, седиментацией, не всегда удается добиться высокой степени очистки обрабатываемой воды. К тому же, такой способ предполагает использование больших площадей под оборудование и продолжительного времени процесса. В качестве перспективного направления предлагается метод электрофлотации, который позволит достаточно быстро (5-20 мин) без применения дорогостоящих реагентов и громоздкого оборудования очистить воду до предельно допустимых концентраций.
Методическая часть
В качестве объектов исследования были выбраны порошковые угли марок «ОУ-А», «РАУ» и зерненый уголь марки «МеКС-О» (производство «ЭНПО «Неорганика», г. Электросталь). Характеристики активных углей представлены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики активных углей различных марок
Марка угля
Показатели ОУ-А1 РАУ2 МеКС-О3
Насыпной вес, г/дм3 - 135 360
Суммарный объем пор, см3/г 0,75 4,14 1,06
Объем микропор, см3/г 0,28 0,20 0,55
Массовая доля воды, % 10,0 2,4 8,0
Массовая доля золы общей, % 10,0 16,5 2,0
Адсорбционная активность по: -йоду, % -метиленовому голубому, мг/г 68 225 39 87 112 210
Массовая доля железа в пересчете на Fe3+, % 0,2 0,26 -
1 - на основе древесного березового угля;
2 - на основе соломы рапса;
3 - на основе косточек плодовых деревьев.
Для приближения модельных растворов к реальным сточным водам после основных технологических стадий очистки (реагентной, флотационной, фильтрационной и др.), которые характеризуются повышенным солесодержанием, вводили 1 г/л №С1.
Из проведенных ранее исследований [10] было выявлено, что введение в раствор коагулянта способствует повышению эффективности электрофлотационного процесса. В процессах очистки сточных вод широко применим коагулянт на основе солей железа. В данной работе был использован коагулянт FeQз в количестве 25 мг/л.
Извлечение углеродных материалов из водного раствора, моделирующего сточные воды, осуществлялось в непроточной лабораторной электрофлотационной установке с нерастворимым анодом ОРТА и катодом из нержавеющей стали.
Эффективность процесса извлечения углеродных материалов из раствора оценивали по степени извлечения а (%). Степень извлечения рассчитывали как отношение разности
исходной (сисх, мг/л) и конечной (^н, мг/л) концентрации угля в растворе к исходной концентрации (cисх, мг/л): а = °исх~Скон ■ 100%.
Сисх
Массовую концентрацию угля измеряли турбидиметрическим методом при помощи мутномера марки Н1 98703 - прибора, используемого для анализа непрозрачных жидкостей и измерения содержания в растворе взвешенных частиц путем рассеяния света.
Определение электрокинетического потенциала и размера частиц дисперсной фазы проводили на анализаторе Р^йсог СотраС-2 методом динамического рассеяния света.
Результаты исследований и их обсуждение
Из литературных источников [11] известно, что рН среды оказывает большое влияние на физико-химические характеристики частиц дисперсной фазы и, как следствие, на степень их извлечения. Были проведены исследования процесса электрофлотационного извлечения углеродных материалов различных марок в диапазоне рН от 4 до 11 единиц. Из полученных данных установлено, что во всем исследуемом диапазоне значений рН извлечения порошковых углей марок «ОУ-А» и «РАУ» не происходит. Степень извлечения зерненого угля марки «МеКС-О» с ростом рН снижается, максимальное значение наблюдается при рН = 4 (аАУ = 65%).
Далее было установлено влияние коагулянта на основе солей железа на эффективность извлечения углеродных материалов (таблица 2).
Таблица 2. Влияние коагулянта на степень извлечения углеродных материалов
рН Степень извлечения угля после электро< »лотации а, %
ОУ-А РАУ МеКС-О
Без добавок + Fe3+ Без добавок + Fe3+ Без добавок + Fe3+
4 4 93 4 28 65 83
5 7 32 5 12 53 78
6 3 6 7 5 48 59
7 2 3 6 3 32 50
8 9 3 5 4 36 9
9 6 4 7 2 42 6
10 4 8 6 2 31 9
11 2 3 4 3 39 8
Условия эксперимента: [ = 0,4 А/л, с (№С1) = 1 г/л, сАУ = 200 мг/л, т = 10 мин, с ^е3+) = 25 мг/л.
Следует отметить, что присутствие в растворе ионов Fe3+ способствует значительному увеличению степени извлечения углеродных материалов в кислой среде. Также установлено, что с переходом из кислой среды в нейтральную эффективность извлечения падает, максимальное значение степени извлечения наблюдается при рН = 4. Влияние ионов Fe3+ на извлечение угля РАУ незначительное - степень извлечения составляет лишь 28%. Отмечено, что электрофлотационный процесс сопровождался образованием пены на поверхности раствора с включениями угля и желтых хлопьев, что указывает на совместное извлечение углеродного материала и железа.
Для осуществления процесса электрофлотации важное значение имеет адсорбционное взаимодействие компонентов раствора с частицами дисперсной фазы. Адсорбция компонентов на поверхности частиц может приводить к изменению величины и знака потенциала. Был определен заряд поверхности (^-потенциал) и размер частиц порошковых углей в системе без добавок и в присутствии коагулянта (таблица 3).
Измерения электрокинетического потенциала и размера частиц зерненого угля марки «МеКС-О» методом динамического рассеяния света не проводились в связи с достаточно быстрой седиментацией угля.
рН Z-потенциал, мВ Средний размер частиц, мкм
ОУ-А РАУ ОУ-А РАУ
Без добавок + Fe3+ Без добавок + Fe3+ Без добавок + Fe3+ Без добавок + Fe3+
4 -23 -2 -9,5 -1,5 10 13 8 8
5 -23 -9 -5,5 -1 13 10 8 6
6 -27 -9 -5 +1 19 10 8 7
7 -23 -21 -12 0 13 16 7 9
8 -36 -22 -13 +2 13 22 5 8
9 -33 -22 -14 -5 11 15 7 8
10 -29 -23 -13,5 -6 11 16 8 14
11 -27 -40 -12,5 -5 13 13 10 17
Условия эксперимента: с (NaCl) = 1 г/л, сАУ = 200 мг/л, с (Fe3+) = 25 мг/л
Следует отметить, что наличие в растворе ионов Fe3+ сдвигает значение Z-потенциала в более положительную область во всем исследуемом диапазоне значений рН. Известно, что наибольшая эффективность электрофлотационного процесса характеризуется минимальным абсолютным зарядом частиц. Данное утверждение применимо и для процесса электрофлотационного извлечения активного угля марки «ОУ-А». Значение Z-потенциала углеродного материала «РАУ» более положительное, чем угля марки «ОУ-А», однако степень извлечения не превышает 28%. Можно предположить, что снижение степени извлечения угля марки «РАУ» связано с низкими значениями размера его частиц, и эффективного захвата частицы пузырьком газа не происходит.
Установлено, что с ростом рН раствора размер частиц исследуемых углей не изменяется. Введение в раствор коагулянта также не влияет на значения размера частиц.
Таким образом, на основании проведенного исследования показана возможность применения электрофлотационного метода для извлечения углеродных сорбентов из водных растворов в присутствии коагулянта FeCl3. Установлено, что полнота и эффективность процесса извлечения зависит от размера и заряда (Z-потенциала) частиц углеродных материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева (проект 3-2020-003).
Список литературы /References
1. Amerkhanova S., Shlyapov R., Uali A. The active carbons modified by industrial wastes in process of sorption concentration of toxic organic compounds and heavy metals ions // Colloids and Surfaces A., 2017. V. 532. P. 36-40.
2. Paajanen A., Lehto J., Santapakka T., Morneau J. P. Sorption of Cobalt on Activated Carbons from Aqueous Solutions // Separation Science and Technology, 2011. P. 813-826.
3. Persavento M., Profumo A., Alberti G., Conti F. Adsorption of lead(II) and copper on activated carbon by complexation with surface functional groups // Analyt. Chem. Acta, 2003. V. 480. P. 171-180.
4. Мухин В.М. Производство и применение углеродных адсорбентов: учеб. пособие / В.М. Мухин, В.Н. Клушин / М.: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 2012. 308 с.
5. Славинская Г.В., Куренкова О.В. Применение активных углей для очистки воды от органических веществ // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения, 2013. № 6. С. 71-87.
6. Hu J., Aarts A., Shang R., Heijman B., Rietveld L. Integrating powdered activated carbon into wastewater tertiary filter for micro-pollutant removal // J. Environ. Manage, 2016. Vol. 177. P. 45-52.
7. Margot J., Kienle C., Magnet A., Weil M., Rossi L., Felippe L. de Alencastro, Abegglen C., Thonney D., Chèvre N., Schärer M., Barrya D. Treatment of micropollutants in municipal wastewater: Ozone or powdered activated carbon? Science of the Total Environment, 461-462, 2013. Pp. 480-498. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://doi.org/m.mi6/j.scitotenv.2013.05.034/^aTa обращения: 01.04.2020).
8. Löwenberg J., Zenker A., Krahnstöver T., Boehler M., Baggenstos M., Koch G., Wintgens T. Upgrade of deep bed filtration with activated carbon dosage for compact micropollutant removal from wastewater in technical scale, Water Research. 94, 2016. Pp. 246-256. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.02.033/ (дата обращения: 01.04.2020).
9. Иванец М.Г., Гришпан Д.Д. [и др.] Очистка сточных вод различного состава модифицированными угольными сорбентами // Весщ нациянальнай акадэмп навук Беларуси Серыя «Хiмiчных навук», 2011. № 3. С. 70-75.
10. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. и др.: Под ред. Колесникова В.А. М.: Химия, 2007. 304 с.
11. Долина Л.Ф. Современная техника и технологии для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов: Монография. Дн-вск.: Континент, 2008. С. 94.
