CC BY
12
УДК 628.3
Сейткасымова А.А., Конькова Т.В., Стоянова А.Д.
ПЕРЕРАБОТКА КРАСНОГО ШЛАМА С ПОЛУЧЕНИЕМ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ
Сейткасымова Алия Альбековна, аспирант кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов e-mail: seitkassymovaa@gmail.com
Конькова Татьяна Владимировна, доктор технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов
Стоянова Алена Дмитриевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В настоящей работе различными способами переработан красный шлам с целью получения катализатора для окислительных процессов в жидкой фазе. Были определены текстурные характеристики полученных образцов катализатора оксида железа. Была исследована каталитическая активность образцов в реакции окисления моноазокрасителя кармуазина пероксидом водорода в водном растворе. Полученный оксид железа обладает высокой каталитической активностью в процессе Фентона.
Ключевые слова: красный шлам, оксид железа, катализатор, окислительный процесс.
RED MUD TREATMENT IN ORDER TO PRODUCE A CATALYST FOR OXIDATION PROCESSES IN THE LIQIUD PHASE
Seitkassymova A.A., Kon'kova T.V., Stoyanova A.D.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, red mud is processed by various methods in order to obtain a catalyst for oxidation processes in the liquid phase. The textural characteristics of the obtained samples of the iron oxide catalyst were identified. The catalytic activity of the samples in the oxidation reaction of the monoazo dye Azorubine with hydrogen peroxide in an aqueous solution was investigated. The resultant iron oxide has a high catalytic activity in the Fenton process/
Keywords: red mud, iron oxide, catalyst, oxidation process.
Отходы текстильного производства являются одними из основных источников загрязнения сточных вод и не поддаются биологическому разложению. К таким отходам относят красители. Они вызывают значительное загрязнение окружающей среды, поскольку препятствуют проникновению солнечного света в воду, что в свою очередь влияет на фотосинтез растений и рост бактерий [1].
Каталитическое окисление органических загрязнителей, в том числе красителей в сточных водах является одним из эффективных методов их обезвреживания. Окислительная деструкция органических соединений происходит с помощью пероксида водорода и катализатора типа Фентона, при взаимодействии которых образуются активные гидроксильные радикалы.
В качестве катализатора типа Фентона могут выступать соединения железа, в частности, оксид железа. Оксид железа в значительном количестве содержится в красном шламе, являющимся отходом промышленного процесса получения оксида алюминия [2-5]. Процесс переработки красного шлама является трудоемким и выделение из него оксида является актуальной задачей на настоящий момент. К тому же, красный шлам - токсичный отход,
требующий утилизации во избежание загрязнения окружающей среды. Таким образом, целью настоящей работы является переработка красного шлама с получением катализатора для окислительных процессов в жидкой фазе различными способами, и исследование при этом текстурных характеристик и каталитических свойств полученных материалов.
Оксид железа из красного шлама получали методом переосаждения из раствора. Красный шлам перемешивали в разбавленной 20 % соляной кислоте в течение 2 часов. Образовавшийся раствор FeQз отделяли центрифугированием от не растворившегося остатка и добавляли к нему осадитель. В первом случае в качестве осадителя использовали раствор гидроксида аммония, во втором - карбоната аммония. В обоих экспериментах готовили 1 М водные растворы осадителей и приливали их в раствор хлорида железа до рН 8. В результате выпадал осадок гидроксида и карбоната железа коричневого цвета, который высушивали при 80 °С, а затем прокаливали при температуре 500 °С в течение 4 часов. Образец оксида железа в случае использования гидроксида аммония в качестве осадителя имел рыжий цвет после прокаливания. А
осадок оксида железа с карбонатом аммония в качестве осадителя имел черный цвет.
Третий образец - красный шлам прокаливали при 500 °С в течение 4 часов без какой-либо предварительной обработки.
Текстурные характеристики образцов рассчитывали на основании изотерм адсорбции-десорбции азота при температуре 77 К, полученных на объемнометрической установке Nova 1200e (Quantachrome, США). Удельную поверхность Sуд образцов рассчитывали методом БЭТ. Суммарный сорбционный объем пор V^ определяли по изотерме адсорбции азота при значении относительного давления, равном 0,99. Средний диаметр мезопор Dме - методом BJH по десорбционной ветви изотермы. Перед измерением изотерм проводили активацию образцов при 300 °С и остаточном давлении 10-3 мм рт. ст. в течение 4 часов.
Каталитическую активность образцов исследовали в реакции окисления органического моноазокрасителя кармуазина пероксидом водорода в водном растворе. Об активности катализаторов судили по обесцвечиванию раствора красителя за счет разрушения хромофорной азогруппы и уменьшению оптической плотности раствора при длине волны 517 нм с помощью спектрофотометра Spekol 1500 UV-VIS (Analytik Jena AJ, Германия). Начальная концентрация кармуазина в растворе составляла 18,3 мг/л, содержание катализатора - 2 г/л, количество пероксида водорода с концентрацией 3 мас.% было трехкратным по сравнению со стехиометрическим для полного окисления кармуазина. Температура опыта - 60 °С, значение рН раствора равно 3. Стабильность катализаторов оценивали по степени вымывания активного компонента в раствор. Анализ содержания ионов железа в растворе после проведения каталитического окисления проводили атомно-абсорбционным методом с использованием спектрометра Квант-АФА (Кортэк, Россия) в центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Представленные в таблице 1 и рисунках 1-3 данные свидетельствуют, что красный шлам и оксид железа, полученный различными способами, обладают нанопористой структурой, причем преобладают преимущественно мезопоры.
Рис. 1. Изотерма адсорбции-десорбции азота при 77 К на красном шламе
Рис. 2. Изотерма адсорбции-десорбции азота при 77 К на оксиде железа (осадитель - NH4OH)
Рис. 3. Изотерма адсорбции-десорбции азота при 77 К на оксиде железа (осадитель - (NH4)2COз)
Таблица 1. Текстурные характеристика катализаторов
Образец Sуд, м2/г Vz, см3/г Оме, нм
Красный шлам 18,0 0,114 3,65
Оксид железа (осадитель - NH4OH) 154,8 0,273 5,07
Оксид железа (осадитель - (NH4)2CO3) 37,2 0,085 3,36
Результаты свидетельствуют, что очистка раствора от красителя происходит в случае применения в качестве катализатора оксида железа, полученного из красного шлама, как при использовании в качестве осадителя гидроксида аммония, так и карбоната аммония (таблица 2). Однако, каталитическая активность последнего больше, и окислительная деструкция кармуазина протекает значительно быстрее при использовании данного катализатора. Неактивированный красный шлам не подходит для использования в процессе Фентона ввиду отсутствия каталитической или адсорбционной активности.
Стабильность систем в отношении вымывания активного компонента в раствор была на высоком уровне. Концентрация ионов железа в водной фазе после реакции окисления красителя во всех случаях не превысила нормы ПДК.
Таблица 2. Адсорбционные и каталитические свойства катализаторов
Степень Концентрация
Образец очистки ионов железа в
раствора, % растворе, мг/л
Красный шлам 5 0,18
Оксид железа
(осадитель -NH4OH) 90 0,13
Оксид железа
(осадитель -(NH4)2CO3) 99 0,12
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, оксид железа, полученный из красного шлама, проявляет высокую каталитическую активность в результате уменьшения количества примесей, в отличии от неактивированного красного
шлама. Более того, варьируя условия переработки красного шлама, то есть используя различные осадители, удалось установить, что оптимальным вариантом является применение карбоната аммония. Каталитическая активность в этом случае достигает 99 %, при том что удельная площадь поверхности имеет небольшое значение и практически сопоставима с площадью поверхности неактивированного красного шлама.
Список литературы
1. Babu A.N., Reddy D.S., Sharma P., Kumar G.S., Ravindhranath K., Mohan G.K. Removal of hazardous indigo carmine dye from waste water using treated red mud // Materials Today: Proceedings. 2019. V. 17. P. 198-208.
2. Thakare S.R., Thakare J., Kosankar P.T., Pal M.R. A chief, industrial waste, Activated Red Mud for subtraction of Methylene blue dye from environment //Materials Today: Proceedings. 2020. V. 29. P. 822827.
3. Joseph C.G., Taufiq-Yap Y.H., Krishnan V., Puma G.L. Application of modified red mud in environmentally-benign applications: A review paper //Environ. Eng. Res. 2020. V. 25. №. 6. P. 795806.
4. Das B., Mohanty K. A review on advances in sustainable energy production through various catalytic processes by using catalysts derived from waste red mud //Renewable Energy. 2019. V. 143. P. 1791-1811.
5. Ratnamala G.M., Shetty K.V., Srinikethan G. Removal of remazol brilliant blue dye from dye-contaminated water by adsorption using red mud: equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies //Water, Air, & Soil Pollution. 2012. V. 223. №. 9. P. 6187-6199.
