CC BY
18
УДК 544.421.42:536.755
Лыу Шон Тунг, С. И. Сиротин, Э. Г. Раков*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 *е-тай: eduard_rakov@rambler.ru
ИЗУЧЕНИЕ КОЛОНОЧНОЙ ЭЛЕКТРОСОРБЦИИ ЦЕРИЯ(Ш) ЭЛЕКТРОДАМИ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Испытан модуль колоночной электросорбции со свёрнутой спиралью парой разделённых изолятором гибких электродов. При напряжении 1.4 В, концентрации Се^03)3 568.5 мг/л (рН 5.67), скорости протекания раствора 3 мл/мин изучены сорбция и десорбция соли из водного раствора. Показано, что максимальная ёмкость модуля и максимальная эффективность извлечения соли составляют соответственно 5.73 мг/г и 74.52%. При электросорбции равновесная концентрация устанавливается за 150 мин, а при перемене полярности электродов десорбция завершается за 5 мин, что позволяет достигать степени концентрирования 24.8 и величины конечной концентрации 1.41 г/л. При этом общие затраты энергии в цикле очистки составляют 3.310-3кВт.ч/г соли.
Ключевые слова: колоночная электросорбция, углеродный электрод, концентрирование Се(Ш).
В работе использовали гибкие плоские электроды производства ООО Глобал СО (г. Химки). На коллектор из ткани ЭЛУР-П с обеих сторон был нанесён состав из АУ марки УЕС-8В (90%); сажи ОМСЛИВ™ СН210 (6%); и связки Ф-4 (4%). Электроды имели размер 20*10 см, толщину 136 мкм, плотность 9.24 мг/см2 или 0.68 г/см3, массу 3.7 г.
Для сборки вертикальной цилиндрического модуля с направлением потока исходного раствора сверху вниз вдоль проницаемых электродов и через них использовали также листы стеклохолста размером 20*10 см; полимерную пористую плёнку толщиной 25 мкм и размером 25 х 15 см. Контакт с источником постоянного тока обеспечивали слоями углеродного холста производства компании 2окек. Оба электрода плотно накручивали на кварцевую трубку диаметром 2 см и герметично закрывали полимерной плёнкой толщиной 0.5 мм. Общий диаметр сборки составлял 2.5 см, её общая длина сборки - 30 см.
Собранную колонку вертикально крепили на штативе и снабжали приемником выходящего раствора, из котого раствор вновь подавали в колонку (рис. 1).
Рис. 1. Схема колоночной электросорбции: 1 - штатив лабораторный; 2- кварцевая труба; 3- электроды; 4-трубка из полимерной пленки; 5- приемник выходного раствора; 6- анализатор TDS - 3; 7- перистальтический нанос Elpan 372. C.
Для изучения электросорбции c помощью перистальтического насоса Elpan 372.C через колонку пропускали 50 мл раствора Ce(NO3)3 с исходной концентрацией 568.5 мг/л. Электропроводность выходного раствора измеряли c помощью анализатора HM Digital TDS Meter каждые 5 мин. Для определения концентрации раствора использовали калибровочную кривую (рис.2). Напряжение в диапазоне меньше 2.0 В измеряли вольтметром марки Sinometr VC9802A+.
Концентрацию металла в анализируемом растворе Ce(NO3)3 определяли по уравнению аппроксимации Ci = (X - 9.778)/1.272. Оно было рассчитано методом наименьших квадратов по результатам измерений, приведённых на рис. 2; значение коэффициента корреляции R-0.999.
С;, МГ/Л
Рис. 2. Калибровочные зависимости для определения концентрации Се^03)3.
После каждого эксперимента электроды тщательно промывали дистиллированной водой.
Результаты экспериментов показаны на рис. 3.
При описании процессов использовали приведенные ниже определения.
Максимальную эффективность удаления соли определяли по уравнению
Емкость электрода определяли по уравнению
E = (с0 - C) -у
, где V - объем пропущенного через
m
электроды раствора, л; m - масса электрода, г, С -конечная концентрация - и нашли, что Е =5.73 мг/г. Общие затраты энергии в цикле очистки
определяются уравнением W = U j Idt, где U -
напряжение, В, I — сила тока, t - время. Удельные затраты энергии на массу удаленной соли с учётом
объёма раствора V составили w - W =
(C0 -C)-V
3.310-3 кВт.ч/г соли.
Выводы. Изучение электросорбции ионов Ce(III) из раствора Ce(NO3)3 с исходной концентрацией 568.50 мг/л на модуле колоночной электросорбции с пористым сепаратором показало, что при потенциале 1.4 В и скорости протекания 3 мл/мин, за 150 мин максимальная емкость составила 5.73 мг/г, а концентрация раствора уменьшилась до 114.83 мг/л. Максимальная эффективность удаления соли составила 74.52%. При перемене полярности (U= ±1.4В) десорбция протекала очень быстро (за 5 мин), что позволяет достигать степени концентрирования 24.8 и величину конечной концентрации 1.41 г/л при общих затратах энергии в цикле очистки 3.310-3кВт.ч/г соли.
Лыу Шон Тунг, аспирант кафедры технологии редких элементов и наноматериалов на их основе РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Сергей Иванович Сиротин, к.т.н., ведущий научный сотрудник ООО Глобал СО. Россия, Химки. Эдуард Григорьевич Раков, д.х.н., профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Porada S., Zhao R., Van der Wal A., Presser V., Biesheuvel P. M. Review on the science and technology of water
desalination by capaitive deionization //Progress in Materials Science. - 2013. - V. 58. - P.1388-1442.
2. Humplik T., Lee J., O'Hem S. C., Fellman B. A., Baig M. A., Hassan S. F., Atieh M. A., Rahman F., Laoui T., Karnik
R., Wang E. N. Nanostructured materials for water desalination //Nanotechnology. - 2011. - V. 22. - P. 292001.
3. Ma C. Y., Huang S. C., Chou P. H., Den W., Hou C. H. Application of a multiwalled carbon nanotube-chitosan
composite as an electrode in the electrosorption process for water purification //Chemosphere. - 2016. - V. 146. - P. 113-120.
4. Zhao R., Porada S., Bisheuvel P. M., Van der Wal A. Energy consumption in Membrane Capacitive Deionization for
different water recoveries and flowrates, and comparison with Reverse Osmosis //Desalination.-2013.-V. 330. -P. 3541.
5. Suss M. E., Baumann T. F., Worsley M. A., Rose K. A., Jaramillo T. F., Staderman M., Santiago J. G. Impedance-based
study of capacitive porous carbon electrodes with hierarchical and bimodal porosity // Journal of Power Sources. -2013. - V. 241. - P. 266-273.
Luu Son Tung, Sergey Ivanovich Sirotin, Eduard Grigorievich Rakov*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: eduard_rakov@rambler.ru
COLUMN ELECTROSORPTION ОF CERIUM(III) BY ELECTRODES FROM CARBON MATERIALS
Abstract. The module column for electrosorption with a pair of flexible spiral electrodes separated by an insulator was tested. The sorption and desorption (during switch of electrode polarity) was studied at voltage of 1.4 V, temperature 23 oC, concentration of Ce(NO3)3 in water 568.5 mg/L (рН 5.67), and solution speed of 3 mL/min. It was shown that the maximal capacity of the module and maximal effectiveness of salt extraction were equal to 5.73 mg/g and 74.52 %. The equilibrium concentration during electrosorption is fixed within 150 min, and at reverse of electrode polarity fixed within 5 min. That allows to reach the concentration ratio of 24.8 and solution final concentration of 1.41 g/L.
Key words: column electrosorption, carbon electrode, concentration of cerium (III)
^кс (%) =
(C - C^ ) -100 ,
Cn '
где С
равн
равновесная конечная концентрация соли, мг/л, С0 -исходная концентрация. При снижении концентрации от 568.5 мг/л до 114.83 мг/л, величина
Пл<акс составила 74.52%.
т 2,0
Т, мин
Рис. 3. Электросорбция и десорбция раствора Ce(NO3)з при переключении напряжения от -1.4 В до + 1.4 В, температуре 23оС и скорости протекания раствора 3 мл/мин. Кривая 1- зависимость концентрации раствора от времени; кривая 2 - зависимость напряжении от времени.
УДК 621.039.7
А. Ю. Бомчук, А. В. Обручиков*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: alexobruch@mail.ru
ПОИСК СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ГОРЮЧЕСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИОДНЫХ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА
В работе проведен анализ влияния некоторых антипиренов на горючесть композиционного иодного сорбента. Установлено, что наиболее эффективно процесс тления (горения) подавляет добавка сернокислого аммония. Выбрано оптимальное количество (NH4)2SO4, ингибирующее процесс горения иодного сорбента в токе воздуха. В результате получен композиционный сорбент, относящийся классу материалов с низкой горючестью.
Ключевые слова: композиционные иодные сорбенты; улавливание радиоиода; горючесть; скорость горения; антипирены.
Важной характеристикой любого сорбционного материала, применяемого в системах вентиляции объектов атомной энергетики, является его способность сопротивления повышенным температурам и возгоранию. Целью настоящей работы является поиск способа снижения горючести композиционного иодного сорбента на основе пенополиуретана за счет внесения в него ингибиторов горения.
Получаемый композиционный сорбент представлял собой инертную пористую матрицу из пенополиуретана с нанесённым на неё слоем сорбирующего вещества [1]. Матрица -пенополиуретан RegiCell с повышенной химической стойкостью. Для получения композиционных сорбентов была выбрана фракция порошка активированного угля СКТ-3 100-160 мкм. Клеевая основа - водная дисперсия полиакрилата.
Из литературных данных стало ясно, что наиболее эффективными солями, ингибирующими процесс горения, являются фосфаты, сульфаты, бораты и пиросульфаты [2, 3].
Внесение антипирена в состав сорбента осуществляли в соответствии со следующей методикой:
• Из листа пенополиуретана вырезали бруски длиной 150 мм с квадратным сечением (10х10)±1 мм.
• Бруски пропитывали водным раствором антипирена с определенной концентрацией.
• После сушки образцы равномерно пропитывали акриловым клеем.
• Обработанные бруски пенополиуретана помещали в смеситель и добавляли туда подготовленный импрегнированный порошок активированного угля.
• После перемешивания бруски сушили при комнатной температуре и избавлялись от излишков угля на виброгрохоте. Определение группы горючести материалов
производили на установке, приведенной на рис. 1.
«=¿3=
Рис. 1. Стенд для испытания образцов: 1 - кварцевая
труба; 2 - образец; 3 - горелка; 4 - компрессор; 5 -штатив; 6 - держатель образца.
Испытание образцов проводили в соответствии с ГОСТ 30244-94.
• Закрепляли образец (рис. 1, поз. 2) в держателе (6) в центре верхней части трубы (2).
• С помощью компрессора (4) направляли в трубу поток воздуха со скоростью 25 см/с.
• Подносили горелку (3) к образцу так, чтобы пламя действовало на середину нижнего торца.
• Засекали время тления образца после первого поджигания.
• После самостоятельного затухания или затухания в результате отделения куска горящего образца проводили повторное поджигание.
По результатам тестирования трех образцов определяли скорость горения (тления) измерением массы образца или измерением длины сгоревшей части образца.
Для классификации материала по степени горючести пользовались нижеприведенной таблицей 1.
По результатам исследования (табл. 2) стало ясно, что образец, необработанный антипиреном, относится к материалам повышенной горючести (Г4). Остальные образцы с добавкой антипиренов (за исключением силиката натрия) переходят в класс материалов умеренной горючести (Г2).
