CC BY
209
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ, ОСНОВАННАЯ НА КАЧЕСТВЕННОМ КАПЕЛЬНОМ АНАЛИЗЕ
М. В. Истрашкина*
Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина Россия, 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 * email: [email protected]
В работе рассматриваются возможности применения капельных реакций, являющихся разновидностью качественного анализа, при изучении адсорбционных процессов. Показана обоснованность применения данного метода, отмечены его преимущества и недостатки. Приводится пример применения этого метода при сравнительном изучении адсорбционных свойств четырех модифицированных бентонитовых сорбентов по отношению к о-фенилендиамину. Модификация бентонита заключается в высокотемпературной обработке, различном ее режиме, добавлении в структуру бентонита глицерина и углеродных нанотрубок (УНТ). С помощью предложенной схемы исследования установлено влияние способа модификации бентонита на его адсорбционную способность и сделан вывод о перспективах применения модифицированного бентонита в очистке воды. Выявлено, что все исследованные сорбенты проявили адсорбционную способность к о-фенилендиамину, но в различной степени. Сорбенты, структура которых модифицирована указанными органическими компонентами, в целом проявили лучшую адсорбционную способность, чем бентонит, подвергшийся только температурной обработке. Однако бентонит, модифицированный УНТ, по сравнению с бентонитом, модифицированном УНТ и глицерином в сочетании, проявил значительно большую адсорбционную активность. Отмечено также, что на адсорбционные свойства бентонита оказал влияние режим обжига - обжиг без предварительного нагревания имеет преимущество в сравнении с постепенным повышением температуры.
Ключевые слова: капельный анализ, адсорбция, ароматические аминосоединения, о-фенилендиамин, очистка сточных вод, модифицированный бентонит, период защитного действия слоя сорбента, момент проскока.
METHODOLOGY OF THE STUDY OF ADSORPTION PROCESS BASED ON SPOT ANALYSIS M. V. Istrashkina*
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov 77 Politekhnicheskaya St., 410054, Saratov, Russia * email: [email protected]
In this paper, we consider the possibility of applying spot analysis (a variety of qualitative analysis) to the study of adsorption processes. Our results showed the validity of using this method. We further discuss its advantages and disadvantages. We applied this method to comparative study of adsorption properties of several modified bentonite sorbents towards o-phenylenediamine. Modification of bentonite is high-temperatureprocessing, different its mode, you add bentonite to the structure of glycerin and carbon nanotubes (CNT). Using the scheme of the study effect of bentonite modification method on its adsorption ability andconcluded that the prospects of application of modified bentonite in water purification. It is revealed that all the investigated sorbents have shown ability to adsorption of o-phenylenediamine, but invarying degrees. Sorbents, which modified the specified organic compounds generally showed better adsorptionability of bentonite than who only thermal processing. However, modified bentonite CNT, compared withbentonite modified CNT and glycerol in combination, showed significantly greater adsorption activity. It is also noted that on the adsorptive properties ofbentonite influenced firing-roasting without prior heathas the advantage in comparison with a gradual increase in temperature.
Keywords: spot analysis, adsorption, aromatic amino compounds, o-phenylenediamine, wastewater treatment, modified bentonite, layer protection effect duration, breakpoint.
Ароматические аминосоединения (ААС) относятся к числу распространенных загрязнителей водной среды ввиду их широкого промышленного применения [1]. Большое промышленное значение этих веществ объясняется их высокой реакционной способностью, позволяющей использовать их в синтезе всевозможных химикатов различного назначения [2]. ААС широко используются в органическом синтезе для получения различных веществ, в том числе красителей, фотоматериалов, лекарств, пестицидов и др., и, как правило, всегда присутствуют в сточных водах этих предприятий [1, 3]. Особо опасно попадание этих веществ в источники, используемые для подготовки питьевой воды. Реакционная способность ААС по отношению к хлору достаточно велика. Поэтому при хлорировании воды происходит образование разнообразных хлорзамещенных аминов, токсичность которых, как правило, возрастает с увеличением количества атомов хлора в молекуле [1]. Веществом, выбранным для исследования, является о-фенилендиамин. Данное вещество является типичным
представителем ААС по физико-химическим свойствам, характеризуется широким промышленным применением и характерно для сточных вод производств, использующих о-фе-нилендиамин.
Из вышесказанного следует, что необходимо избегать даже незначительных превышений установленных нормативов ААС в водную среду. Этого можно достичь путем качественной очистки сточных вод [4]. Одним из наиболее распространенных методов очистки воды является адсорбция [5]. При этом наиболее известными сорбентами являются активные угли. Вместе с тем, все большее применение находят и другие материалы. Среди них особый интерес представляют глинистые породы ввиду их высокой адсорбционной способности [6].
Одной из разновидностей глинистых пород, характеризующейся особыми адсорбционными свойствами, является бентонит. Этим названием принято обозначать глины, состоящие преимущественно (более чем на 50%) из минерала монт-
64
Juvenis scientia 2016 № 2 | ЭКОЛОГИЯ
мориллонита. Именно монтмориллонит и обеспечивает высокую адсорбционную способность этого вида глин [7]. Глины достаточно активны по отношению к ААС в естественном состоянии, однако для еще большего повышения активности их структуру подвергают модификации, чаще всего термическим или химическим способом [6]. Поэтому разработка методологии исследования процесса адсорбции модифицированными бентонитами для повышения их адсорбционной активности по отношению к ААС является актуальной в настоящее время.
Целью работы является исследование влияния способа модификации бентонита на его адсорбционные свойства по отношению к ароматическим аминосоединениям с применением качественного капельного анализа.
Методы исследования
Классическое изучение процесса адсорбции вещества сорбентом сводится к определению сорбционной емкости - одной из важнейших характеристик сорбента. Однако экспериментальное определение этого показателя - процесс довольно длительный, трудоемкий и многоэтапный. Между тем, в ряде случаев перед исследователем стоит задача в сжатые сроки получить информацию о сорбционной способности большого количества сорбентов. Определение сорбционной емкости неизбежно связано с количественным измерением концентрации вещества, а здесь главной проблемой является то, что не для каждого вещества, которое необходимо определить, существует методика определения. Знакома и другая проблема - определение сорбционной емкости вещества, когда лаборатория не располагает наличием необходимых реактивов или приборов. Оба обстоятельства довольно часто являются «камнем преткновения» при проведении исследований, и исследователь вынужден либо заключать договора с другими лабораториями, что также не является удобным, либо вовсе отказаться от проведения исследований.
Нами предлагается к использованию при изучении адсорбционных процессов метод качественных капельных реакций. Данная группа аналитических реакций применительно к органическим веществам была подробно описана и систематизирована Ф. Файглем [8].
Принцип предлагаемого метода заключается в фильтровании раствора определяемого вещества заданной концентрации через слой сорбента, отборе фильтрата небольшими одинаковыми порциями и проведении качественной реакции на данное вещество в фильтратах до момента проскока, под которым в данном случае мы будем понимать нижнюю границу чувствительности методики, т. е. то количество вещества, при котором реакция оказывается положительной. Время работы слоя сорбента до проскока принято обозначать как период (время) защитного действия слоя. В данном случае период защитного действия слоя оценивается не временем как таковым, а объемом раствора (мл), прошедшим через слой сорбента до наступления момента проскока. По продолжительности периода защитного действия можно дать сравнительную оценку адсорбционной способности сорбентов по отношению к конкретному веществу, не прибегая к аппаратурным измерениям.
Если изучать процесс адсорбции в статических условиях, т. е. когда объем раствора, взаимодействующего с сорбентом, постоянен и относительно сорбента не расходуется, предлагаемый метод также удобен, только в данном случае будет определяться не проскок, а достижение отрицательной каче-
ственной реакции на вещество.
Отметим основные преимущества предлагаемой схемы исследования.
Во-первых, она существенно снижает временные затраты и трудоемкость определения, что особенно важно в условиях большого объема работы и ограниченности времени для ее выполнения.
Обычно методы проведения капельного анализа, как и применяемые при этом аппаратура и оборудование предельно просты и рассчитаны на то, чтобы оптимальная чувствительность и специфичность эксперимента достигались при минимальном числе физических и химических операций [8].
Во-вторых, с помощью предлагаемой схемы исследований можно получить достаточно точную и наглядную информацию (при правильно поставленном эксперименте, удачно подобранной методике и строгом соблюдении всех правил выполнения анализа).
Основными условиями для успешного применения метода капельных реакций являются знание всех тонкостей химизма проводимых реакций для того, чтобы каждая операция была понятна; точное соблюдение оптимальных условий опыта; поддержание исключительной чистоты в лаборатории, применение чистой посуды и реагентов; предпочтительность проведения повторных проб для того, чтобы убедиться в их воспроизводимости; обязательность контрольного опыта [8].
В-третьих, предлагаемая схема исследования не связана с использованием измерительных приборов и может быть применена практически в любой лаборатории при минимальном оснащении лабораторным оборудованием и химическими реагентами.
В качестве основного недостатка метода можно отметить тот факт, что не на всякое вещество существует достаточно чувствительная методика его качественного определения. В случае с выбранным нами веществом - о-фенилендиами-ном - этот недостаток не имеет места.
Объектом исследования были сорбенты, представляющие собой бентонит Саригюхского месторождения (Армения), модифицированный несколькими способами (все операции по модификации бентонита осуществлялась сотрудниками ООО НПП «ЛИССКОН»).
Приведем полный перечень всех исследованных сорбентов:
- сорбент №1 - бентонит, t обжига 550 °С (без предварительного нагревания);
- сорбент №2 - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками (УНТ), t обжига 550 °С (обжиг с предварительным нагреванием в течение 30 минут);
- сорбент №3 - бентонит, модифицированный глицерином и углеродными нанотрубками, t обжига 550 °С (без предварительного нагревания);
- сорбент №4 - бентонит, модифицированный глицерином и углеродными нанотрубками, t обжига 550 °С (обжиг с предварительным нагреванием).
Определение о-фенилендиамина основано на реакции азосочетания. Реакция протекает в две стадии. Первая стадия представляет собой получение диазобензолсульфокислоты посредством диазотирования сульфаниловой кислоты нитритом натрия; данная реакция протекает в солянокислой среде. На второй стадии образовавшаяся диазобензолсульфокис-лота непосредственно вступает в реакцию с ароматическими аминами с образованием окрашенных соединений после под-щелачивания раствором бикарбоната натрия [8].
Эксперимент
Эксперимент по изучению адсорбции о-фенилендиами-на проводился в условиях фильтрования. На дно цилиндрической делительной воронки объемом 25 мл помещали 20 г сорбента, промывали его 1000 мл дистиллированной воды и через подготовленный слой сорбента пропускали моделированный раствор о-фенилендиамина концентрации 100 мг/л. Образующийся фильтрат отбирали порциями по 1 мл в пробирки с соответствующими отметками. Из каждой пробирки забирали каплю раствора и проводили качественную реакцию на о-фенилендиамин по описанной выше методике. Эксперимент завершался по достижении момента проскока. В качестве численного выражения момента проскока мы фиксировали порядковый номер фильтрата, в котором он был обнаружен.
Результаты и их обсуждение
Результаты эксперимента по изучению адсорбции о-фе-нилендиамина представлены на рисунке 1. На оси абсцисс отмечены номера сорбентов, а на оси ординат - период защитного действия слоя сорбента.
Рис. 1. Сравнительная характеристика сорбентов по периоду защитного действия слоя (до момента проскока включительно)
Таким образом, чем выше цилиндр на диаграммах, тем дольше наступает момент проскока, и, соответственно, продолжительнее период защитного действия слоя и тем эффективнее испытуемый сорбент.
Проведенные лабораторные исследования позволяют сделать выводы.
Выводы
1) все исследованные сорбенты проявили адсорбционную способность, но в различной степени; так, наибольший эффект проявил сорбент № 2, наименьший - сорбент № 1;
2) сорбенты, структура которых модифицирована органическими компонентами (№№ 2-4), проявили лучшую адсор-
бционную способность, чем бентонит, подвергшийся только температурной обработке (№ 1);
3) комплексная модификация бентонита УНТ и глицерином хотя и несколько повышает его адсорбционную способность, все же заметно уступает бентониту, модифицированному исключительно УНТ. Похожими исследованиями [9] также установлено, что бентонит, модифицированный УНТ, характеризуется сравнительно высокой адсорбционной способностью;
4) на адсорбционные свойства бентонита оказал влияние режим обжига - обжиг непосредственно при заданной температуре (т.е. без предварительного нагревания) имеет преимущество в сравнении с постепенным повышением температуры, что заметно при сравнении сорбентов 3 и 4. Тот же факт был установлен исследованиями [10].
Таким образом, технология модификации бентонита, соответствующая сорбенту № 2, из всех исследованных является оптимальной для ААС. Данный сорбент можно считать наиболее перспективным для использования в очистке вод, содержащих ААС, и имеет смысл изучить его свойства более детально. В частности, перспективным аспектом его применения может являться создание многокомпонентных адсорбционных фильтров (МАФ), в которых каждый компонент обладает специфичностью по отношению к определенным веществам. Данный сорбент может в данном случае служить компонентом, отвечающим за адсорбцию ААС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Филиппова М. В. Газохроматографическое определение анилина и его хлорпроизводных в воде с предварительным бромиро-ванием: дис. ... канд. хим. наук. СПб.: 2014, 132 с.
2. Беркман Б. Е. Промышленный синтез ароматических соединений и аминов. М.: Химия, 1964, 344 с.
3. Вредные химические вещества. Азотсодержащие органические соединения: Справ. изд. Т. П. Арбузова, Л. А. Базарова, Э. Л. Балабанова и др.; под ред. Б. А. Курляндского и др. Л.: Химия, 1992, 432 с.
4. Истрашкина М. В., Атаманова О. В. Многокомпонентные адсорбционные фильтры для очистки воды от нитро- и ами-носоединений // Исследование различных направлений современной науки: VIII Международная научно-практическая конференция [Электронный ресурс]. М.: Издательство «Олимп», 2016. С. 408-414. Режим доступа: http://olimpiks.rU/d/797165/d/ sbornikviiimezhdunarodnoynauchno-prakticheskoykonferentsü_o. pdf.
5. Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко Т. М., Рода И. Г. -Адсорбция органических веществ из воды. Л.: Химия, 1990, 256 с.
6. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия, 1982, 168 с.
7. Соколов В. Н. Микромир глинистых пород // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 3. С. 56-64.
8. Файгль Ф. Капельный анализ органических веществ: пер. с англ. М.: Госхимиздат, 1962, 836 с.
9. Исаенко П. А., Истрашкина М. В., Подольский А. Л. Сравнение адсорбционных свойств модифицированных форм бентонита по отношению к о-толуидину по продолжительности периода защитного действия слоя / / Сборник материалов XX Международного и Межрегионального Биос-форума. СПб.: СПбНЦ РАН, ВВМ; СПб.: Любавич, 2015. С. 140-143.
10. Подольский А. Л., Шадеева Е. К., Шаламанова А. А., Истрашкина М. В. Влияние способа модификации бентонита на его адсорбционные свойства по отношению к о-толуидину // Современные тенденции развития науки и производства: сборник материалов Международной научно-практической конференции (21-22 января 2016 года), Том II. Кемерово: ЗапСибНЦ, 2016. С. 246-249.
Поступила в редакцию 03.03.2016
