CC BY
74
ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ
УДК 678.664.074
Г. Р. Хусаинова, Э. Р. Гараева, Т. Р. Сафиуллина,
Л. А. Зенитова
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ ТВЕРДЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К ПОЛИЭФИРУ
Исследована адсорбционная способность измельченных твердых промышленных отходов по отношению к полиэфиру в качестве альтернативных наполнителей литьевых полиуретанов с целью прогнозирования процессов, протекающих на поверхности раздела фаз, на стадии синтеза каучука.
Злободневная прблема загрязнения окружающей среды делает актуальным научные разработки, направленные на снижение количества отходов. Огромное количество твердых техногенных отходов хранится на полигонах, в шламонакопителях многих предприятий химической отрасли. Следует отметить, что в таком промышленно развитом регионе, как Нижнекамск, в отвалах скапливаются значительные количества ценных материалов, например оксиды различных металлов. Известно, что эти отходы производства могут использоваться в качестве наполнителей полимеров.
Высокая себестоимость полиуретанов сдерживает рост их промышленного потребления. Решением этой проблемы может служить наполнение. В работе [1] показано, что наполнение литьевых полиуретанов типа СКУ-ОМ отработанным фильтром процесса газоочистки, представляющим собой гидратированный оксид алюминия (алюмогель), до 50% мас. повышает твердость и модуль при сохранении прочностных характеристик, увеличивает термостойкость и удешевляет ПУ, позволяет решить проблемы утилизации отходов химических производств.
Одной из задач при разработке технологии утилизации является максимально эффективное использование компонентов отходов для получения конечных продуктов с удовлетворительными эксплуатационными характеристиками при минимальных затратах. Поэтому ранее [2], на первом этапе работы, были изучены основные характеристики (полидисперсность, удельная поверхность, адсорбционная способность) измельченных алюмогеля, силикагеля, цеолита, являющихся твердыми отходами нефтехимического производства, с целью определения возможности их применения в качестве наполнителей литьевых полиуретанов. В результате проведенных исследований было показано, что измельченные твердые промышленные отходы алюмогель, силикагель, цеолит характеризуются высокой удельной поверхностью, имеют необходимый дисперсный фракционный состав с преобладающим процентным содержанием частиц размером <20 мкм. Наполнители с размерами частиц в этом диапазоне использовались для синтеза наполненного полиуретана типа СКУ-ОМ в [1]. Кроме того, была изучена картина адсорбции мурексида на наполнителях, которая является лишь приближенной к реальной адсорбции полиэфира на стадии синтеза каучука. В связи с этим целью настоящего исследования явилось изучение адсорбционной способности измельченных твердых промышленных отходов по отношению к поли-
эфиру в качестве альтернативных наполнителей литьевых полиуретанов для прогнозирования процессов, протекающих на поверхности раздела фаз, на стадии синтеза каучука.
Объектами исследования служили твердые отходы нефтехимического производства: алюмогель (ГОСТ 8136-85), отработанный адсорбент - силикагель (ГОСТ 3956-76), отработанный цеолит синтетический (ТУ 2163-001-12678836-2001). Все исследуемые наполнители представляли собой гранулированные материалы с размерами зерен 1-10 мм. Измельчение наполнителей проводилось на шаровой мельнице с последующим дополнительным измельчением вручную (с помощью ступки) для достижения требуемой степени помола. При этом частицы с радиусами более 20 мкм могут отделяться от остальной части ситовым методом и вновь направляться на размол. Затем измельченные прокаливали с целью удаления влаги. В качестве полиэфира использовали полиэтиленгликольадипинат (ТУ 38-103-582-85).
Адсорбция определялась путем измерения количества ПАВ на поверхности твердого тела после высушивания [3]. Были приготовлены растворы полиэфира в ацетоне различных концентраций с исследуемыми наполнителями: в пронумерованные сухие колбы отвесили определенное количество полиэфира (5; 2,5 и 1 г) и одинаковое количество наполнителя (2 г), в каждую колбу влили по 50 см ацетона, интенсивно взболтали и оставили стоять на сутки для установления равновесия. Полученные растворы отфильтровали, а фильтры сушили на воздухе до полного испарения ацетона. Высушенные фильтры с наполнителем и адсорбированным полиэфиром взвесили.
Согласно экспериментальным данным (табл. 1) была рассчитана массовая доля адсорбированного полиэфира ш (% мас.) по формуле
ш = (т2н - т1н)/тпэ100, где т1Н - масса наполнителя до адсорбции, г; т2Н - масса наполнителя после адсорбции, г; тПЭ - масса полиэфира до адсорбции, г.
Таблица 1 - Экспериментальные данные адсорбции полиэтиленгликольадипината исследуемыми наполнителями
Наполнитель Масса наполнителя до адсорбции ГО1Н, г Масса полиэфира до адсорбции тпэ, г Масса наполнителя после адсорбции т2Н, г Массовая доля адсорбированного полиэфира Ы, % мас.
2.002 5.002 2.830 16.6
Алюмогель 2.002 2.503 2.887 35.4
2.002 1.001 2.285 28.3
2.002 5.003 2.929 18.5
Цеолит 2.000 2.503 2.679 27.1
2.000 1.000 2.278 27.8
2.002 5.002 2.724 14.4
Силикагель 2.001 2.504 2.532 21.2
2.000 1.003 2.250 24.9
Как видно из данных таблицы 1, среди исследуемых твердых отходов наилучшей адсорбционной способностью по отношению к полиэтиленгликольадипинату обладает алюмогель, чуть меньшей - цеолит, затем - силикагель. При наибольшем содержании в растворах полиэфира (5 г) массовая доля адсорбированного полиэфира исследуемых наполнителей всех трех типов имеет наименьшее значение. Это может быть объяснено избытком поверхностной концентрации поверхностно-активного вещества, равным отношению количества ПАВ, адсорбированного единицей массы твердого вещества, к удельной поверхности адсорбента [3]. То есть адсорбционная способность наполнителя ограничивается его удельной поверхностью, доступной для молекул ПАВ при адсорбции из раствора.
Теоретический анализ различных типов изотерм адсорбции, как показали Гильс и соавторы [4], позволяет получить много полезной информации о механизме адсорбции. Поэтому в ходе данного исследования были выведены уравнения Ленгмюра [5] для каждого исследуемого наполнителя, описывающие характер адсорбции полиэфира: для алюмогеля а=0,0012С/(1+1,51С), для цеолита а=0,0011С/(1+1,7бС), для силикагеля
а=0,001С/(1+3,13С), по которым были построены изотермы адсорбции (рис. 1).
ей
Л
К
(Л
к
ч
о
с
ч
к
а
ю
а
о
о
ч
<
л
ч
о
ей
ч
ч
и
н
к
К
ч
о
с
ей
К
0,0
0,2
0,4
0,6
0,
1,0
Равновесная концентрация полиэфира в растворе С, моль/дм
Алюмогель
Цеолит
Силикагель
Рис. 1 - Изотермы адсорбции полиэтиленгликольадипината исследуемыми наполнителями
Представленные на рисунке 1 изотермы адсорбции для всех исследуемых наполнителей по классификации Гильса [3] относятся к изотермам типа Ь. Это говорит о том, что взаимодействие между адсорбированными молекулами пренебрежимо мало, энергия активации удаления растворенного вещества с поверхности наполнителей не зависит от степени ее заполнения. Кроме того, изотерма Ь-типа свидетельствует о параллельной ориентации молекул полиэтиленгликольадипината относительно поверхности наполнителей. Форма изотермы адсорбции дает качественную информацию о природе взаимодействия растворенное вещество - поверхность. Можно сделать вывод, что здесь имеют место нехимические типы адсорбции, то есть обусловленные действием дисперсионных сил, образованием водородных или гидрофобных связей. Действительно, наличие в полиэтиленгли-кольадипинате гидроксильных, карбоксильных и других полярных групп, способных к такому типу взаимодействия с полярной поверхностью алюмогеля, силикагеля и цеолита,
подтверждает полученные экспериментальные данные. Исходя из вышеизложенного следует, что процессы, протекающие на границе раздела фаз полиэфира и исследуемых наполнителей, имеют физическую природу.
Таким образом, проведенные исследования показали, что измельченные промышленные отходы алюмогель, цеолит, силикагель обладают хорошей адсорбционной способностью по отношению к полиэтиленгликольадипинату, что позволяет предложить возможность перераспределения внутри- и межмолекулярных взаимодействий между макромолекулами полимера и наполнителями. Это, в свою очередь, способствует сохранению комплекса физико-механических показателей каучуков на уровне ненаполненных аналогов при высоких степенях наполнения.
Литература
1. Сафиуллина, Т.Р. Твердые отходы нефтехимических производств, содержащие оксиды Si, Fe и Al, как альтернативные наполнители литьевых полиуретанов: дис. ... канд. хим. наук/ Т.Р. Сафиуллина. - Казань, 2001. - 121 с.
2. Хусаинова, Г.Р. Изучение возможности использования измельченных твердых промышленных отходов в качестве наполнителей литьевых полиуретанов / Г.Р. Хусаинова, Э.Р. Гараева, Т.Р. Сафиуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2007. - №2. - С. 64-68.
3. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / под ред. Г. Парфита, К. Рочестера. - М.: Мир, 1986. - 488 с.
4. Giles C.H., Smith D., Huitson A.// J. Colloid Interface Sci. - 1974. - V. 47. - P.755.
5. Практикум по коллоидной химии: Учебное пособие/ Под ред. М.И. Гельфмана. СПб.:Лань, -2005. - 256 с.
© Г. Р. Хусаинова - асп. каф. технологии синтетического каучука КГТУ; Э. Р. Гараева - асп. той же кафедры; Т. Р. Сафиуллина - канд. хим. наук, доц. каф. химии НХТИ КГТУ; Л. А. Зенитова -д-р техн. наук, проф. каф. технологии синтетического каучука КГТУ.
