CC BY
29
-□ □-
Проведено дослидження сорбцтних та магттних властивостей магтто-керованого сорбенту на основi сапо-тту. Визначено адсорбцшт та кте-тичт характеристики вилучення оргатчних барвнитв рiзного генезису з водного середовища. Сорбцшна рiвно-вага процесу досягаеться за 60 хвилин. Експериментальна сорбцшна емтсть видносно малахтового зеленого стано-вить 221 мг/г. Дослиджено процес маг-ттног сепараци магттокерованого сорбенту
Ключовi слова: сапотт, магттоке-рований сорбент, адсорбщя, барвники,
магттна сепаращя
□-□
Проведено исследование сорбцион-ных и магнитных свойств магнитоу-правляемого сорбента на основе сапонита. Определены адсорбционные и кинетические характеристики извлечения органических красителей разного генезиса из водной среды. Сорбционное равновесие процесса достигается за 60 минут. Экспериментальная сорбци-онная емкость относительно малахитового зеленого составляет 221 мг/г. Исследован процесс магнитной сепарации магнитоуправляемого сорбента
Ключевые слова: сапонит, магнито-управляемый сорбент, адсорбция, красители, магнитная сепарация -□ □-
УДК 661.183.44-45
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.46573|
ОЧИЩЕННЯ ЗАБРУДНЕНИХ ВОДНИХ СЕРЕДОВИЩ МАГН1ТОКЕРОВАНИМИ САПОН1ТОВИМИ СОРБЕНТАМИ
Н. О. Михайленко
1нженер* *Кафедра бюшформатики E-mail: [email protected] О. В. Макарчук Кафедра технологи неоргашчних речовин та загальноТ xímÍ4hoi технологи** E-mail: [email protected] Т. А. Донцова Кандидат хiмiчних наук, доцент** E-mail: [email protected] С. В. Горобець Доктор техшчних наук, професор, завщуючий кафедри* E-mail: [email protected] I. М. А с т р е л i н Доктор техшчних наук, професор** E-mail: [email protected] *Кафедра бюшформатики*** **Кафедра технологи неоргашчних речовин та загальноТ хiмiчноТ технологи*** ***Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056
1. Вступ
На сьогодш rрунтовi води, озера i рiчки забруд-неш великим асортиментом вiдходiв, в тому числi неочищеними або частково очищеними мiськими стiчними водами, токсичними промисловими выходами, шкiдливими хiмiчними речовинами i сич-ними пiдземними водами вщ сiльськогосподарськоi дiяльностi. Забруднена вода не пльки визначае свою непридатшсть для використання, але й провокуе м^ьйони небезпечних захворювань, пов'язаних з И вживанням.
Одними з найважливших забруднюючих речовин стiчних вод текстильно'', паперовоi, полiмерноi, харчовоi та косметично'' промисловостi е барвники [1]. Шдраховано, що кожного року виробляеться велика юльюсть барвникiв комерцшного використання. Таким чином, накопичуються забарвленi стiчнi води, якi генеруються цими пiдприемствами.
Найбiльш ефективними для глибокого вилучення барвниюв з водних розчишв серед таких методiв як ко-агуляцiя, окиснювальнi методи, бюлопчна обробка, ад-сорбцiйнi методи, е останш, що використовують дешевi i ефективнi сорбцiйнi матерiали. Цим вимогам найб^ь-ше вiдповiдають природнi глинист мiнерали, зокрема, сапонiти. Сапонiтова глина майже на порядок дешевша, шж штучнi сорбенти, при цьому вона не поступаються ''м за ефектившстю у видаленнi органiчних полютан-пв, барвникiв, йонiв важких металiв [2]. Однак, при и використаннi виникають значнi труднощi у видаленнi ввдпрацьованих сапонiтних частинок з розчину тсля процесу сорбцп внаслiдок ''х високо'' дисперсностi.
Для подолання цього недолжу пропонуеться ство-рення магнiтокерованих сорбенпв на основi сапонiту i магнетиту (МКС). Таке поеднання дозволить швидко вщдшити вiдпрацьований сорбент магнiтною сепара-цiею. До того ж, магнетит Fe3O4 також володiе сорбцш-ними властивостями до барвниюв [3, 4].
2. Аналiз лггературних даних та постановка проблеми
У наш час видаленню барвниюв зi стiчних вод придь ляеться найбiльше уваги в боротьбi iз стiчними водами виробництв. Серед щлого ряду традицiйних методiв, таких як: адсорбщя, флокуляцiя, окиснення i електролiз [5-7], адсорбцiйнi методи е найбiльш перспективними для великомасштабного практичного застосування, зу-мовленого 1х простотою, ефектившстю та економiчною доцiльнiстю [8].
Останшм часом все бiльшу увагу до себе приверта-ють сорбцшш матерiали природнього походження такi як глини. Це зумовлено рядом причин, а саме [9, 10]:
- глинист мшерали володшть значною сорбцшною емнiстю до полютантiв рiзного генезису, зокрема барвниюв;
- простота видобутку та наявшсть значних запаав у великому асортимент обумовлюють низьку варпсть даного матерiалу;
- як природний ресурс глини е нетоксичним матерiа-лом для будь-яко! екосистеми;
- глинистi матерiали можуть бути основою для рiз-номанiтних композипв зi специфiчними властивостями.
Дослiдження в [11-14] показали ефективну сорбщю багатьох оргашчних полютантiв композитами на основi монтморилонiту та бентонiту. Кiлькостi забруднюючих речовин адсорбованих отриманими композитами та акти-вованим вугiллям е спiвмiрними, але адсорбцшна рiвно-вага при використанш глин наступае майже вiдразу, в той час як для активованого вуплля займае бшьше години.
Перспективним для сорбцшшл очистки стiчних вод е використання рiзновиду шаруватих (тип 2:1) монт-морилонiтiв сапонiту NaMg3[AISi3O1o](OH)2•4H2O. Од-нак, при використаннi глинистих сорбенпв виникають значнi труднощi у видаленш вiдпрацьованих частинок з розчину тсля процесу сорбцii внаслiдок 1х високо! дисперсностi.
3. Цiль та задачi дослiдження
Метою роботи е отримання магштокерованого адсорбенту (МКС) на основi сапонiту для очищення забрудне-них водних систем ввд органiчних полютантiв та вида-лення з водного середовища методом магштно! сепарацi'i.
Для досягнення поставлено! мети виршувались на-ступнi задачi:
- дослвдити фазовий склад та встановити фiзико-хi-мiчнi властивостi магнiтокерованих сорбенпв на основi сапонiту;
- виявити адсорбцшш та кiнетичнi залежностi ви-лучення органiчних барвникiв МКС з водних систем та порiвняти з сапонiтом i магнетитом;
- визначити технолопчш умови процесу магштно! сепарацп вiдпрацьованого магнiтокерованого сорбенту.
4. Методики приготування магштокерованих сорбенив i дослщження i'x сорбцiйно-магнiтних властивостей
4. 1. Синтез, характеризащя та сорбцшш власти-востi магнiтокерованих сорбентiв
Для синтезу МКС використовували просушену, подрiбненy i просiяну нативну сапонiтову глину Таш-
ювського родовища (Украша) з po3MipoM частинок менше 63 мкм. Магнетит у формi магнiтноi рвдини отримували методом хiмiчного осадження з водного розчину солей феруму (II) сульфату та феруму (III) хлориду розчином NH3-H2O з концентращею 25 % (за вщомим способом Ейлера). До магнiтноi рвдини додавали вщповщну кiлькiсть сапонiтовоi глини. Протя-гом 30 хв проводили процес адсорбцп Fe3O4 сапонiтом при штенсивному перемiшуваннi. Одержану суспен-зiю розд^яли в магнiтному фiльтрi та висушували при температурi 200-250 °С протягом доби [15]. Одержали зразки МКС з вмштом Fe3O4 3 % (МКС 3), 7 % (МКС 7), 10 % (МКС 10).
Рентгенофазовий аналiз зразюв МКС та натив-но'1 сапонiтовоi глини проводився на дифрактометрi Rigaku Ultima IV. Режим роботи джерела рентгешв-ського випромшювання 40 кВ, 30 мА. Дiапазон кутiв сканування 20: ввд 2 до 162°, крок сканування - 0,0001°.
Методом скануючоi електронноi мiкроскопii одержали зображення зразюв за рiзного збiльшення, а та-кож визначали поелементний вмiст зразка у довшьно вибраних точках.
Геометрична оптимiзацiя та геометричш обчислен-ня молекул оргашчних барвниюв здшснювали в про-грамi HyperChem. Геометрична оптимiзацiя здшсню-валася за допомогою функцii Geometry Optimization. За характеристичний розмiр молекули прийнято ii найбiльший лiнiйний розмiр.
Сорбцшш властивост нативноi сапонiтовоi глини, магнiтноi рiдини та зразкiв МКС виявляли шляхом по-будови iзотерм адсорбцп та визначення максимальних сорбцшних емностей для наступних барвниюв: мала-хгговий зелений (дiамiнотрифенiлметановий барвник), конго червоний (первинний дисазобарвник) та шд^о-кармш (кубовий барвник). Дослiдження здiйснювали на модельних розчинах води в дiапазонi концентрацш барв-никiв 0,01-4 г/дм3 за температур 293 К. Концентращя адсорбенту в модельних розчинах була сталою 0,1 г/дм3.
Ступшь сорбцп та сорбцiйну емнiсть розраховува-ли за зменшенням концентрацii барвника у водному розчиш за формулами [16]:
S = C' C 100%, C
qt =
(С' - Ct) ■ V
(1) (2)
де С; - початкова концентращя барвника в розчиш, мг/дм3; Се - концентрацiя пiсля адсорбцп, мг/дм3; Ct - концентрацiя в момент часу 1, мг/дм3; V - об'ем розчину, см3; т - маса сухого сорбенту, г.
Вивчення юнетики здшснювали методом обмеже-ного об'ему на концентращях барвниюв 100 мг/дм3. Для цього 1 г сорбенту приводили в контакт з 100 см3 розчину барвника та залишали на 30, 60, 90, 120 i 180 хв при перемшуванш.
4. 2. Методика виготовлення високоградieнтних феромагштних насадок для магштно! сепарацп вщ-працьованих сорбенив
При виготовленш ВГФН використовували сталеву сггку (сталь Ст3) з розмiром комiрки 1 мм з дроту дiа-
m
метром 0.3 мм. Po3Mip атки становив 20х30 мм. Шдго-товлення поверхн сiтки включало HacTynHi техноло-пчт операцii: знежирення, травлення й активащя [18].
Для знежирення сталевоi сггки використовували розчин наступного складу: NaOH - 15 г/л, Na2CO3 -35 г/л, Na2PO4 х 12H20 - 50 г/л, Na2O x Si2 -2-3 г/л [10]. Знежирення здшснювали протягом 50 хв. при темпе-ратyрi 80 оС залежно ввд ступеня забруднення. Пiсля знежирення сику промивали у водi: спочатку протягом 2 хв при температyрi 70 оС, далi 1 хв. при юмнатнш температyрi.
Метою травлення було видалення з поверхш ста-левоi сiтки окалини, iржi й оксидних плiвок, що утво-рилися пiд впливом механiчноi, хiмiчноi й термiчноi обробки. Травлення стали проводили протягом 40 хв. у розчиш складу: HCl - 250 г/л, уротротн - 50 г/л [18].
Активащя - операщя, що проводиться для видалення найб^ьш тонких оксидних плiвок з поверхш сталь Активащю проводили 15 хв. при юмнатнш температyрi у розчиш «рчано'Т кислоти H2SO4 концен-тращею 80 г/л.
Для покриття сталево'Т сiтки нiкелевою плiвкою з високим ступенем зчеплення використовувався сyльфамiновий електроли, до складу якого входять: Ni(H2NSO3) - 300 г/л, H3BO3 - 30 г/л, NaCl - 15 г/л, 0C-20 моль/л - 2 г/л, паратолуолсульфамщ - 2 г/л. Шсля закшчення нiкелювання сiткy промивали у водк спочатку протягом 15 хв. при температyрi 60 оС, а по-тiм 1 хв. при юмнатнш температyрi.
Електролiтичний комiрка являла собою кювету, склеену з листового 2.5 мм акрилу габаритами 40х х25 мм i висотою 40 мм, у якш була вставлена рам-ка-розтрка. Анодом служив листовий нiкель товщи-ною 1 мм i розмiрами 10х30 мм. Як катод використо-вувалася сталева нiкельована сiтка, на якш росли дендрити. Анод розташовувався горизонтально на дш кювети, далi розмiщyвалася рамка висотою 20 мм, зверху горизонтально встановлювалась сiтка-катод.
Дослщження структури поверхнi ВГФН, отримано'Т електро-кристалiзацiею дендритiв, проводили на ска-нуючому електронному мжроскот SEM-103 "Selmi".
5. Результати дослщжень адсорбцп та магштно! сепараци магнiтокерованих сорбентiв
5. 1. Результати експериментальних дослщжень адсорбцп оргашчних барвникiв магнiтокерованими сорбентами
Рентгенофазовий аналiз зразюв МКС 3 та на-тившл сапонiтовоi глини проводився на дифракто-метрi Rigaku Ultima IV. На дифрактограмi нативно-го сапонiтy (рис. 1, а) вдентифжоваш фази: сапошт NaMg3[AISi3O10](OH)2^4H2O, кальцит СаСО3, кварц SiO2, оксид залiз (II) SiO2. На дифрактограмi зразка МКС 3 (рис. 1, б) присутш всi фази, що притаманш нативному сапонiтy, i додатково знайденi пiки при зна-ченнях 20, якi належать виключно магнетиту Fe3O4, а саме: 35,38°, 43,72°, 53,64°, 57,24 .
На рис. 2, а, б представленш СЕМ-зображення поверхш нативного сапошту та зразка МКС 3 при збшь-шенш в 1000 разiв. Для зразка МКС 3 спостер^аеться присутшсть бiлих точок на поверхш частинок сапошту. Точковий хiмiчний аналiз бiлих точок на поверхш
МКС 3 (рис. 2, б, табл. 1) з високою точшсть доводить осадження на поверхш сапошту феруму у формi пев-них оксидiв (вмкт феруму становить 75-95 %).
LwXw
• - NaMgi[AISiiOio](OH);-4HjO к- СаСОя k.- SiO: ■ - FeO
• - БегОз + Fe3Ü4
2 12 22 32 42 52 62 26
Рис. 1. Дифрактограми дослщжуваних адсорбенлв:
а - сапошту; б - МКС 3
Рис. 2. СЕМ-зображення поверхш при збтьшенш в 1000 разiв: а - сапошту; б - МКС2
а
а
Таблиця 1
Точковий хiмiчний аналiз поверхж зразка МКС 3 методом скануючо'| мкроскопп
Елемент МКС 3
Вмют, % мас.
Точка 1 2
Mg 1,07 0,37
Al 3,14 0,63
Si 13,21 1,96
Ca 6,55 1,66
Ti 0,25 0,16
Fe 74,87 94,72
Кiнетичнi параметри сорбцп оргашчних барвниюв дослщжували побудовою залежностей величини адсорбцп полютанту в певний час t (мг/дм3) вiд трива-лостi процесу (хв) для сапошту та МКС 3. Початкова концентращя полютанпв становила 100 мг/дм3. Зпдно кiнетичних кривих, зображених на рис. 3, рiвновага процесу досягаеться щонайбшьше за 60 хвилин для магштокерованих сорбенпв (рис. 3, а) та щонайменше за 120 хвилин для нативноï сапонiтовоï глини (рис. 3, б).
Малахггсвий зеленим Конго червоннй 1нД1Гокарм]М
Рис. 3. Кiнетика адсорбцп оргашчних барвниюв на: а — МКС 3; б — сапонт
Порiвняльний аналiз сорбцiйних властивостей МКС 3, нативно! сапонiтово'i глини i магнетиту, викори-станого у формi магнiтноi рiдини, здiйснювали шляхом побудови iзотерм адсорбцп барвникiв: малахiтового зеленого, конго червоного та шд^окармшу, з модельних розчишв води. Як можна бачити з рис. 4, 5, вилучення
оргашчних барвниюв з водних систем композитом на основi сапошту та магнетиту Fe3O4 здшснюеться iз значно вищою ефективнiстю порiвняно з використан-ням нативного сапонiту або магштшл рiдини. Наявний ефект можна пояснити наступними факторами: вщбу-ваеться стабШзащя магнетиту Fe3O4 колоïдного сту-пеня дисперсностi на матрицi - сапоштовш глинi; утво-рюеться велика юльюсть нанорозмiрних адсорбцiйних центрiв на поверхш пор сапонiту; збiльшенням питомоï площi поверхнi природного матерiалу [16].
в
Рис. 4. 1зотерми адсорбцп барвниюв МКС 3 та нативним сапоштом: а — малахтового зеленого; б — конго червоного; в — шд^окармшу
Низька сорбцшна емшсть магнетиту зумовлена тим, що адсорбщя оргашчних полютанпв вiдбуваеться лише поверхнею колоïдних частинок, оскiльки Fe3O4 не володiе пористою структурою.
Кiлькiсна залежшсть величини адсорбцп вiд кон-центрацп полютанту виражаеться iзотермою адсорбцп Ленгмюра [16]:
Г = Г
КСР
'1 + КС
(3)
де Г - величина адсорбцп, що показуе кiлькiсть ре-човини, адсорбовано одиницею поверхнi адсорбенту або одиницею маси адсорбенту, мг/г; Гм - величина гранично! адсорбцп, що показуе юльюсть речовини, адсорбовано одиницею поверхн або одиницею маси адсорбенту, яка вщповщае повному заповненню усiх активних центрiв, мг/г; С р - рiвноважна концентрацiя адсорбтиву, мг/дм3; К - константа адсорбцшно'1 рiвно-ваги, дм3/мг.
Рис. 5. 1зотерми адсорбцп барвникiв: малахiтового зеленого, конго червоного, шд^окармшу магнетитом у формi магштноТ рiдини
Значення рiвноважноi адсорбцп та констант адсор-бцiйноi рiвноваги процесу адсорбцп рiзних за природою барвниюв трьох клаив ^амшотрифешлметанов^ азобарвники та iндiгоiднi) наведенi в табл. 2. Очевидно, що для кожного з розглянутих сорбенпв характерно вилучення барвники катюнного типу (малахитового зеленого) з найбшьшою ефектившстю.
Таблиця 2
Константи рiвняння Ленгмюра адсорбцп барвникiв i максимальна сорбцшна емжсть сорбентiв
Сорбент Малах1товий зелений Конго червоний !ндигокармш
Г„, мг/г К, дм3/г Г „ , мг/г К, дм3/г Г„ , мг/г К, дм3/г
Сапошт 52,6 0,003 20,3 0,023 61,0 0,014
Рв304 36,1 0,023 43,5 0,133 27,0 0,104
МКС 3 243,9 0,139 93,5 0,054 107,5 0,123
Таблиця 3
Адсорбщя органiчних барвникiв на МКС, FeзO4 та сапонiтi
Сорбент Малах1товий зелений Конго червоний !ндигокармш
qt, мг/г S, % qt, мг/г S, % qt, мг/г S, %
Сапошт 105,71 26,4 30,73 10,2 62,07 20,7
МКС 3 221,12 55,3 99,96 33,3 117,24 39,1
МКС 7 324,50 81,1 176,89 59,0 148,28 49,4
МКС 10 86,77 21,7 46,12 15,4 51,72 17,2
Рвэ04 36,71 9,2 59,55 19,9 44,83 14,9
5. 2. Результати експериментальних дослщжень процесу магштно! сепарацп вiдпрацьованих магшто-керованих сорбенив
Для проведення експериментiв по дослщженню ефективностi сепарацп магнiтокерованого сапонiту використовували лабораторний зразок магштного сепаратора з ВГФН [19].
Дослвди проводили для магштокерованого сапош-ту з концентращею F3O4 у дослiдних зразках 3 %, 7 % i 10 %, а також для нативно! глини.
Значення магнiтноi сприйнятливост для кожного iз розчинiв МКС до та тсля процесу сепарацп приведет в табл. 4.
Особливктю рiзних типiв МКС е здатнiсть до коагуляцii (кластеризизацп) в залежностi вiд вмiсту Fe3O4. На рис. 6 представленi оптичш зображення МКС. Здатнiсть МКСу до кластеризацп iз зб^ьшен-ням вмшту Fe3O4 впливае на ефективнiсть вилучення за допомогою ВГФН з дендритною структурою, так як характерний розмiр цiльових об'ектiв збiльшуеться в деюлька разiв, а як вiдомо з робгт [20, 21], що улов-люються тiльки тi частинки, характерш розмiри яких в 3-5 разiв вiдрiзняються вiд розмiрiв уловлюючих центрiв. А так як характернi розмiри МКСу достатньо великi, то розгалужена поверхня ВГФН у виглядi шке-льованоi сiтки з електроосадженими шкелевими ден-дритами працювати не буде, в основному працюватиме пiдложка ВГФН у виглядi сiтки, в той час як дендритною поверхнею будуть виловлюватися здеб^ьшого поодинокi частинки, яю не скоагулювали.
Таблиця 4
Магжтна сприйнятливiсть МКС до та тсля процесу сепарацп
Ма-тер1ал До сепараци Шсля сепарацп
Х-10Л м3/кг ВГФН на основ! атки ВГФН з дендритами
1 шар 2 шари 1 шар 2 шари
Х-10Л м3/кг Х-10Л м3/кг Х-10Л м3/кг Х-10Л м3/кг
Сапошт 4,498 4,498 4,498 4,498 4,498
МКС 3 4,782 4,322 4,423 4,315 4,424
МКС 7 5,730 4,102 4,128 4,143 4,163
МКС 10 6,025 4,301 4,330 4,309 4,324
Суспензii МКС з однаковою початковою концентращею пропускали через ВГФН у зовшшньому постш-ному магнiтному полi напружешстю Н0, що становила 1500 Е i 3500 Е iз постiйною швидкiстю 1,3*10-3 м/с. Оптичну густину розчину на виходi з ВГФН вимiрювали за допомогою фотоелектрокалориметра ФЕК. Зразки для визначення оптично! густини ввдбирали через кожнi 5 хв тсля початку процесу протягом 30 хв. Значення оптично! густини перераховувалося у значення концен-трацп за допомогою калiбрувального графiку.
Дослiди по ефективност вилучення магштокеро-ваного сапошту з робочого розчину було проведено з двома типами насадок:
1) сталева шкельована сгтка з комiркою 0,7 мм;
2) ВГФН на основi сталевоi нiкельованоi сiтки з комiркою 0,7 мм з електроосадженими шкелевими дендритами.
в г
Рис. 6. Оптичне зображенн я р i зних титв МКС в залежностi вiд вмюту Fe3O4: а - сапонiт; б - МКС 3; в - МКС 7; г - МКС 10
Сепарацш проводили одним та двома шарами ВГФН. Вдалося досягти видшення магштокерованого сапошту з робочих розчишв бшьше нiж на 90 %.
На рис. 7, 8 представлен часовi залежностi за-лишково! концентрацп густини суспензп МКС шсля сепарацп ВГФН, яку вимiрювали з застосуванням калiбрувального графiку згiдно значенню залиш-ково! оптично! густини. Використовували ВГФН у виглядi шкельовано1 с^ки з одним та двома шарами вщповщно.
Рис. 7. Графiк ефективност вилучення МКС одношаровою ВГФН, Но=3500 Е
Дослiдження процесу сепарацп рiзних типiв МКС проводилися за рiзних технiчних характеристик процесу, для шдбору i визначення найбiльш вдалого режиму роботи магштного фiльтру з ВГФН, таю як типи ВГФН для кожного типу МКС i величина зо-вшшнього магнiтного поля в процеа магштно1 сепарацп (рис. 8, а, б):
Показники максимально: ефективносп очищення при використанш рiзних типiв ВГФН для зразюв з рiзною концентрацiю магнетиту наведено в табл. 5.
Таблиця 5
Ефектившсть процесу сорбци магштокерованого сапониту, похибка дослщжень складала менше 3 %
Сорбент
МКС3
МКС7
МКС10
Сапошт
Тип насадки
Звичайна атка
1 шар
Но= =3500 Е
68,8
87,2
92,0
5,2
2 шари
Н0= = 1500 Е
56,0
94,'
2,3
Н0= =3500 Е
72,0
92,0
95,2
5,4
С1тка з дендритами
1 шар
Нс= =3500 Е
70,8
94,4
94,4
5,7
2 шари
Нс= =1500 Е
63,2
2,4
Нс= =3500 Е
78,0
95,8
96,2
5,6
5
1, хв
а
—•—МКСЗ;звичайна сптка —■—МКС7,звичайна сптса —л—МКС10,звичайна (птка
- * -МКС33с1тка з дендритами
- ■ -МКС7,с1тка з дендритами
- о - МКС 10,ситка з дендритами
ЗП
Рис. 8. Графiк ефективностi вилучення МКС двошаровою ВГФН при рiзних значення зовнiшнього магнiтного поля: а - Но=1500 Е; б - Но=3500 Е
Суттево вiдрiзняються показники ефективност роботи при використаннi одно- i двошарово1 насадки. Дослiдження шдтвердили, що нативний сапонiт воло-дiе магнiтними властивостями, але вони е незначними у порiвняннi з магнiтомiченим сорбентом.
6. Обгрунтування вибору параметрiв процесу очищення
Згiдно з експериментально отриманими значен-нями максимально1 сорбцшно1 емностi та ступеня адсорбцп оргашчних барвникiв МКС, магнiтною рп диною та сапонiтом (табл. 3), найбыьш ефективними
сорбентами е МКС 3 i МКС 7. Осюльки синтез магш-токерованих сорбенпв на основi сапонiту ввдбувався за рахунок природного процесу сорбцп, що зумовлено природною спорiдненiстю матриц сапонiтовоi глини до iонiв залiза (Fe2+, Fe3+), iснуе ризик блокування пористоi структури природного матерiалу магнетитом. Модифжування сапонiту магнетитом у юлькосп 10 % i б^ьше призводить до погiршення його сорбцш-них властивостей. Введення 3-7 % Fe3O4 до складу композиту магнетит/сапошт пiдвищуе сорбцiйну ем-нiсть природного матерiалу в 2-3 рази. Це поясню-еться сорбцiею нанорозмiрного магнетиту переважно в макропористш системi сапошту, внаслвдок чого ма-терiал набувае властивостей мезопористого сорбенту, радiус пор якого е спiвмiрним з характеристичними розмiрами молекул барвникiв D, нм: малахгговий зе-лений - 1,331, конго червоний - 2,524, шд^окар-мш - 1,189.
Концентрацiя барвниюв в спчних водах текстиль-них тдприемств не перевищуе 100 мг/дм3. Зпдно з iзотермами адсорбцii (рис. 4) для МКС 3 за низьких концентрацш модельних розчишв води знешкоджен-ня полютантiв вiдбуваеться з високою ефективнiстю: ступенi вилучення малахитового зеленого до 99,9 %, конго червоного до 97 %, шд^окармшу до 99 %. Тому, зб^ьшення вмкту Fe3O4 в складi композиту б^ьше 3 % е технолопчно не доцiльним i економiчно не рен-табельним.
З графшв (рис. 7-10) видно, що кiлькiсноi рiзницi по ефективносп вилучення МКС7 i МКС10 практично немае, та вона досягае значень 96 %, в той час як ефек-тившсть вилучення МКС3 складала максимально 78 %. Значна рiзниця мiж ефектившстю вилучення МКС3 та МКС7, МКС10 повязазана зi стрибкопо-дiбним збiльшенням дисперсносп МКС7, МКС10 у порiвняннi з МКС3 (рис. 6). В той же час магштна сприйнятливкть МКС7, МКС10 у порiвняннi з МКС3 зб^ьшуеться на 18 %-20 % (табл. 4). Такого зб^ьшен-ня магштшл сприйнятливостi достатньо для коагуля-цii сапонiту за рахунок магшто-дипольтл взаемодii, що призводить до значного тдвищення ефективностi його вилучення, i тому використання багаторiвневоi ВГФН дае незначну перевагу для МКС7, МКС10, i мае внесок в ефектившсть вилучення для МКС3, де процеси коагуляцп незначш. Зазначимо, що магшто-форетичнi рухливiсть сапонiту, яка е визначальним параметром для встановлення ефективност його маг-нiтноi сепарацii, е пропорцшною добутку магнiтноi сприйнятливостi на квадрат дисперсносп [21, 22].
Оптимальний час роботи TaKoï ВГФН при цих умовах процесу склав 20 хвилин, тсля чого магштний сепаратор потребуе промивання або замши насадки.
7. Висновки
Встановлено фазовий склад природного сапошту та МКС на його основь Дослщжено морфолопю та точковий хiмiчний аналiз поверхнi сапонiтовоi глини та МКС i показано, що вщбуваеться значне збiльшення вмшту феруму в МКС в порiвняннi з сапонiтом.
Синтезованi композицiйнi магштокероваш сор-бенти на основi сапошту i магнетиту володiють великою сорбцшною здатнiстю (максимальна сорбцшна емнiсть qt по малахiтовому зеленому для МКС 3, МКС 7 та МКС 10 становить 221,12, 324,50 та 86,77 мг/г вщповщно), що значно вище, нiж у окремих його фаз - нативного сапошту (105,71 мг/г) та магнетиту (36,71 мг/г). Розраховаш параметри рiвнян-ня iзотерми адсорбцп Ленгмюра свщчать, що бiльшу селективнiсть сорбент проявляе по вщношенню до барвникiв катюнного типу (малахитового зеленого). Знайдено, що сорбщя барвникiв на МКС ввдбуваеться з бiльшою швидкiстю порiвняно з сапоншом: рiвно-вага процесу адсорбцп досягаеться щонайб^ьше за 60 хвилин для МКС 3, та щонайменше за 120 хвилин для нативтл сапонiтовоi глини.
Ефективне вилучення магштокерованих сорбенпв з робочого середовища можливе за допомогою насадок, у виглядi нiкельованих сталевих сиок. Такi ВГФН мають велику емшсть, малий гiдродинамiчний опiр i забезпечують мiкронну тонкiсть очищення робочих середовищ. Було експериментально доведено, що при використанш насадок у виглядi нiкельованоi сiтки досягаеться очищення робочого розчину на 90-96 %. Для ефективного вилучення ввдпрацьованих магштокерованих бюсорбенпв необхщними технологiчними умо-вами процесу магнiтноi сепарацii е забезпечити рiвно-мiрне зовнiшне магштне поле, величиною Н0=1500 Е, при використанш насадок у виглядi шкельоватл ат-ки. Важливим чинником процесу вид^ення е постiйна швидкiсть протжання вiдпрацьованоi суспензii. Цi умови враховуються в подальшому проектуваннi i розрахунку магштного сепаратора для таких щльових об'ектiв. В роботi показано, що використання магштокерованих сорбенпв та високоградiентних магнiтних сепараторiв дозволяе з високою ефектившстю очища-ти робочi середовища вiд барвникiв.
Лiтература
1. Zhang, L. D. Nanomaterials in pollution trace detection and environmental improvement [Text] / L. D. Zhang, M. Fang // Namo Today - 2010. - Vol. 5. - Р. 128-142. doi: 10.1016/j.nantod.2010.03.002
2. Ствак, В. В. Сорбщя полютанпв р1зного генезису природними та модифшованими сапоттовим глинами [Текст]: автор. ... дис. ... к-т техн. наук / В. В. Ствак. - Кшв, 2013. - 26 с.
3. Iram, M. Adsorption and magnetic removal of neutral red dye from aqueous solution using Fe3O4 hollow nanospheres [Text] / M. Iram, C. Guo, Y. P. Guan // Journal of Hazardous Materials. - 2010. - Vol. 181, Issue 1-3. - Р. 1039-1050. doi: 10.1016/ j.jhazmat.2010.05.119
4. Shuang, C. D. Quaternized magnetic microspheres for the efficient removal of reactive dyes [Text] / C. D. Shuang, P. H. Li, A. M. Zhou // Water Research. - 2012. - Vol. 46, Issue 14. - Р. 4417-4426. doi: 10.1016/j.watres.2012.05.052
5. Pearce, C. I. The removal of color from textiles wastewater using whole bacterial cells [Text] / C. I. Pearce, J. R. Lloyd, J. T. Guthrie // Dyes and Pigments. - 2003. - Vol. 58, Issue 3. - Р. 179-196. doi: 10.1016/s0143-7208(03)00064-0
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
V
Lee, J. W. Evaluation of the performance of adsorption and coagulation processes for the maximum removal of reactive dyes [Text] / J. W. Lee, S. P. Thiruvenkatachari, R. Shim // Dyes and Pigments. - 2006. - Vol. 69, Issue 3. - Р. 196-203. doi: 10.1016/ j.dyepig.2005.03.008
Wawrzkiewicz, M. Anion exchange resins as effective sorbents for acidic dye removal from aqueous solutions and wastewaters [Text] / M. Wawrzkiewicz // Solvent Extraction and Ion Exchange. - 2012. - Vol. 30, Issue 5. - Р. 507-523. doi: 10.1080/07366299.2011.639253
Crini, G. Studies on adsorption of dyes on beta-cyclodextrin [Text] / G. Crini // Bioresource Technology. - 2003. - Vol. 90, Issue 2. - Р. 193-198. doi: 10.1016/s0960-8524(03)00111-1
Mishra, A. Advances in application of natural clay and composites in removal of biological, organic and inorganic contaminants from drinking water: a review [Text] / A. Mishra // Advances in Materials Science and Engineering. - 2011. - Vol. 2011. -Р. 1-17. doi: 10.1155/2011/872531
Sanchez-Martin, M. J. Efficiency of different clay minerals modified with a cationic surfactant in the adsorption of pesticides: influence of clay type and pesticide hydrophobicity [Text] / M. J. Sanchez-Martin // Applied Clay Science. - 2006. - Vol. 31, Issue 3-4. - Р. 216-228. doi: 10.1016/j.clay.2005.07.008
Rytwo, G. Use of CV- and TPP-montmorillonite for the removal of priority pollutants from water [Text] / G. Rytwo // Applied Clay Science. - 2007. - Vol. 36, Issue 1-3. - Р. 182-190. doi: 10.1016/j.clay.2006.04.016
Senturk, H. B. Removal of phenol from aqueous solutions by adsorption onto orgnomodified Tirebolu bentonite: equilibrium, kinetic and thermodynamic study [Text] / H. B. Senturk // Journal of Hazardous Materials. - 2009. - Vol. 172, Issue 1. -Р. 353-362. doi: 10.1016/j.jhazmat.2009.07.019
Borisover, M. Suitability of dye-clay complexes for removal of non-iron organic compounds from aqueous solutions [Text] / M. Borisover // Chemosphere. - 2001. - Vol. 44, Issue 5. - Р. 1033-1040. doi: 10.1016/s0045-6535(00)00337-4 Churchman, G. J. Formation of complex between bentonite and different cationic polyelectrolytes and their use as sorbents for non-ionic and anionic pollutants [Text] / G. J. Churchman // Applied Clay Science. - 2002. - Vol. 21, Issue 3-4. - Р. 177-189. doi: 10.1016/s0169-1317(01)00099-0
Магштокерований сорбент на мшеральнш 0CH0Bi. Патент Украши 91147 на корисну модель : МПК C01F1/28 [Текст] / Макарчук О. В., Сшвак В. В., Астрелш I. М. - заявник i патентовласник Нац. техн. ун-т Украши «КП1». - U 201315541; заявл. 30.12. 2014; опубл. 25.06.2014, Бюл. № 12. - 4 с.
Парфит, Г. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел [Текст] / Г. Парфит, К. Рочестер; пер. с англ. Б. Н. Тара-севича. - М: Мир, 1986. - 490 с.
Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы [Текст]: шдручник / Ю. Г. Фролов. - М.: Химия, 1982. - 400 с.
Гальванические покрытия в машиностроении. В 2 томах, Т. 1 [Текст]: справочник / под ред. М. А. Шлугера. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
Горобец, С. В. Высокоградиентные ферромагнитные насадки для очистки сточных вод, полученные методом магнитоэлек-тролиза [Текст] / С. В. Горобец, Н. А. Михайленко // Химия и технология воды. - 2014. - Т. 36, № 4 (240). - С. 283-296. Worl, L. Experiments aim to extend the limits of magnetic separation [Text] / L. Worl, D. Devlin, D. Hill, D. Padilla, C. Pren-ger // The Actinide Research Quarterly, Nuclear Materials Research and Technology. - Los Alamos National Laboratory, 1999. - P. 1-3.
Горобец, С. В. Зависимость эффективности коагуляции ферромагнитных и неферромагнитных примесей в магнитном поле от параметров фильтров, рабочих жидкостей и примесных частиц [Текст] / С. В. Горобец // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1991. - № 1-3. - C. 133-137.
Горобец, С. В. Оптимизация функциональных параметров высокоградиентных ферромагнитных насадок магнитных фильтров для очистки жидких сред [Текст] / С. В. Горобец, О. Ю Горобец // Химия и технология воды. - 2003. - № 6.
