CC BY
116
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 543.54;504.4.064.3
ПОЛУЧЕНИЕ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА ДИОКСИДА КРЕМНИЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИЕЙ СИЛИКАТА НАТРИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОЙ ПИТЬЕВОЙ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДОЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
© 2010 г. И.Х. Хизриева , З.М. Алиев , А.Ф. Алафердов , Т.А. Харламова
*Дагестанский государственный университет, *Dagestan State University,
г. Махачкала Mahachkala
Московский государственный горный Moscow State Mounting
университет University
Изучены физико-химические свойства коллоидного раствора диоксида кремния, полученного нейтрализацией силиката натрия электрохимически обработанной питьевой водопроводной водой, включающие определение размера коллоидных частиц и их мицеллярной структуры. Показана высокая эффективность использования его в качестве сорбента катионов металлов из коньячной продукции.
Ключевые слова: коллоидный раствор; диоксид кремния; сорбент; анолит; размер частиц.
The physical-chemical characteristics of silicon dioxide colloid solution, synthesized by neutralization of sodium silicate of electrochemical treatment drinking tap water including determination size of colloid particles and its micellar structures are studied. The article shows high effectiveness of its use as sorbent of metal cations in cognacs.
Keywords: colloid solution; silicon dioxide; sorbent; electrochemical treatment water; particle size.
Коллоидные растворы диоксида кремния находят широкое применение в различных областях промышленности, в частности при производстве керамики, композиционных и лакокрасочных материалов, производстве стекол и коагулянтов при очистке воды [1, 2]. В работе [3] приведены данные по деметаллизации жидких пищевых сред с использованием коллоидных растворов диоксида кремния.
Настоящая работа является продолжением исследований, направленных на совершенствование технологии получения коллоидных растворов диоксида кремния и их использование для решения экологических задач.
Коллоидный раствор диоксида кремния получали методом нейтрализации силиката натрия, однако вместо традиционно применяемых для этих целей растворов неорганических кислот использовали кислый анолит. Для его получения брали питьевую водопроводную воду с общей минерализацией 250 - 270 мг/л. Химический анализ показал, что концентрации присутствующих в ней анионов (С1- - 60-70 мг/л, SO4-2 -150-170 мг/л, NOз- - 5-9 мг/л) не превышают значения, регламентируемые ГОСТом 2874-82 «Вода питьевая». Питьевую водопроводную воду пропускали через анодное пространство двухкамерного диафраг-менного электролизера, разделенного катионитовой мембраной, со скоростью 6 л/ч. В результате электро-
химической обработки питьевой водопроводной воды в анодной камере рН ее снижалось с 7,8 до 3,0 - 3,2 при прохождении 0,42 А-ч/л электричества в результате разряда молекул воды и образования катионов водорода Н+, которые, взаимодействуя с анионами, содержащимися в питьевой водопроводной воде, образуют разбавленные растворы соответствующих неорганических кислот. При добавлении кислого ано-лита в разбавленное дистиллированной водой трехмо-дульное жидкое стекло при интенсивном перемешивании до рН 8,0 - 8,3 образовывались свободнодис-персные коллоидные системы диоксида кремния.
Важной характеристикой коллоидных систем является размер образующихся частиц, в связи с чем, в первую очередь, были проведены исследования по определению среднего размера частиц и критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Для этого в насыщенном коллоидном растворе диоксида кремния было определено содержание сухого остатка в пересчете на ксерогель ^Ю2) путем выпаривания его при температуре 220 °С и последующей сушке осадка весовым методом согласно методике, приведенной в работе [4]. При точности взвешивания 2-10-4 г масса ксерогеля составила 0,05 г в 1 л. Указанный насыщенный раствор в дальнейшем использовали как «исходный» и путем его аликвотного разведения были получены образцы для дальнейших исследований.
Определение величин ККМ проводилось кондук-тометрическим методом [5]. Измерения осуществляли с помощью измерительного моста типа Р-568 с использованием платиновых электродов (величина константы кондуктометрической ячейки равнялась 26,3925 см-1). Результаты измерений приведены в табл. 1.
Полученные результаты показывают, что коллоидная система состоит из частиц двух типов с соответствующими величинами ККМ: ККМ1 = 0,00123 г/л и ККМ2 = 0,0123 г/л.
Средние размеры коллоидных частиц (г) найдены турбодиметрическим методом с применением фотоколориметра марки КФК-2. По полученным значениям оптической плотности рассчитывали радиусы частиц по эмпирическим уравнениям Геллера: D = ЮС" и Z = 8пг/Х, где D - оптическая плотность; Z, k и " - эмпирические коэффициенты Геллера, X - длина волны (табл. 2).
Средние радиусы частиц составили: для частиц с ККМ1 - 1,775-Ю-6 м и для частиц с ККМ2 - 2,262-10-6м.
Таблица 1
Опытные данные для определения величин ККМ
Характеристика Образец
Исходный 1 2 3 4 5
Концентрация по сухому ксерогелю (С, г/л) 0,05 0,0010 0,0015 0,005 0,015 0,025
1п (С) -2,996 -6,908 -6,502 -5,298 -4,199 -3,689
Электрическое сопротивление (Я, Ом) 169 898 791 386 256 212
Удельная электропроводность (X, См/м) 0,1561 0,0294 0,0334 0,0684 0,1047 0,1245
1п (X) -1,8572 -3,5267 -3,399 -2,6823 -2,2566 -2,0834
№ 1 lgA. D lgD n z
Для образца с ККМ1
1 315 -6,502 0,27 -0,569
2 364 -6,439 0,18 -0,745
3 400 -6,398 0,15 -0,824
4 490 -6,310 0,115 -0,939 0,633 12,4
5 540 -6,268 0,075 -1,125
6 590 -6,229 0,075 -1,125
7 670 -6,174 0,065 -1,187
8 750 -6,125 0,060 -1,222
Для образца с ККМ2
1 315 -6,502 0,09 -1,046
2 364 -6,439 0,04 -1,398
3 400 -6,398 0,03 -1,523
4 490 -6,310 0,02 -1,699 0,300 13,8
5 540 -6,268 0,015 -1,824
6 590 -6,229 0,015 -1,824
7 670 -6,174 0,010 -1,910
Таблица 2
Данные для расчета размеров коллоидных частиц
Согласно экспериментальным данным, коллоидная система представляет собой достаточно однородный коллоидный раствор и, вероятно, может быть успешно применена в качестве сорбента-коагулянта для удаления ионов металлов из жидких сред. Поэтому в дальнейшем были изучены сорбционные свойства коллоидного раствора для деметаллизации коньячной продукции с целью исключения кристаллических помутнений и повышения устойчивости продукции, так как содержание ионов металлов, в частности кальция выше 5 мг/л и железа выше 1,5 мг/л, является одной из причин коллоидных помутнений. Кроме этого, ионы меди, железа, кадмия и свинца объединенной комиссией ООН по Пищевому кодексу включены в число обязательных компонентов, подвергаемых контролю при международной торговле.
Предварительными экспериментами было определено оптимальное соотношение объемов коньячной продукции (на примере разливного коньяка, в который искусственно вводили катионы металлов) и коллоидного раствора диоксида кремния с целью максимального извлечения катионов металлов.
Из данных табл. 3 следует, что увеличение объема коллоидного раствора диоксида кремния, вводимого в пробу розливного коньяка, более 20 мл не приводит к существенному снижению концентрации катионов кальция (данные приведены с учетом разбавления) и, следовательно, соотношение объемов разливного коньяка к коллоидному раствору диоксида кремния, равное 10:1, можно считать оптимальным и используется нами в дальнейшем.
Таблица 3
Влияние объемного соотношения коньяка и коллоидного раствора диоксида кремния на остаточную концентрацию ионов кальция
Объем разливного коньяка, мл 200 200 200 200 200 200 200
Объем коллоидного раствора диоксида кремния, мл 5 10 12 16 20 25 30
Концентрация* Са 2+ , мг/л 14,4 8,2 6,9 4,4 3,8 3,6 3,6
Примечание. *Время сорбции 18 ч.
В табл. 4 приведены данные по сорбции ионов кальция коллоидным раствором диоксида кремния из разливного коньяка при их оптимальном объемном соотношении, полученные двумя разными методами анализа.
Результаты по сорбции коллоидным раствором диоксида кремния катионов свинца, кадмия и железа в пробах разливного коньяка представлены в табл. 5.
Таблица 4
Сорбция катионов кальция из розливного коньяка
Показатель Концентрация ионов кальция, мг/л
Спектро-фотометрический анализ Атомно-адсорбционный анализ
До обработки коллоидным раствором диоксида кремния 18,34 ± 0,08 18,34 ± 0,3
После обработки коллоидным раствором диоксида кремния 3,78 ± 0,03 3,80 ± 0,1
Степень извлечения, % 79,39 79,28
Таблица 5
Сорбция катионов металлов из розливного коньяка
Вид катиона Концентрация катионов, мг/л Степень извлечения, % ПДК, мг/л
до обработки после обработки
Cd+2 0,15 0,01 93,3 0,03
Fe+3 18,6 0,26 98,6 0,3
Pb+2 0,318 0,042 86 0,3
0,418 0,068 85
0,617 0,068 89
0,718 0,070 89
0,920 0,072 92
Анализ табличных данных свидетельствует о том, что обработка коллоидным раствором диоксида кремния розливного коньяка, содержащего катионы кальция, свинца, кадмия и железа в количествах, превышающих ПДК более чем в 3 раза, позволяет снижать их концентрацию до предельно допустимых значений.
Выводы
Исследован процесс получения коллоидно-дисперсных систем диоксида кремния нейтрализацией силиката натрия кислым анолитом.
Исследована структура полученных коллоидно-дисперсных систем, представляющая собой однородный коллоидный раствор, состоящий из частиц двух типов с ККМ1 = 0,00123 г/л и ККМ2 = 0,0123 г/л и со средними размерами частиц 1,775-10-6 и 2,262-Ш-6 м, соответственно.
Изучен процесс сорбции катионов металлов из коньячной продукции. Показано, что обработка образцов коллоидным раствором диоксида кремния улучшает экологические показатели коньячной продукции и снижает вероятность появления кристаллических помутнений за счет снижения концентрации токсичных металлов.
Способ получения коллоидно-дисперсных систем диоксида кремния нейтрализацией силиката натрия кислым анолитом защищен патентом.
Литература
1. Фролов Ю.Г. Получение и применение гидрозолей кремнезема. М., 1979. Вып. 107. 65 с.
Поступила в редакцию
2. Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема. М., 2004. 208 с.
3. Пат. № 2272833 России МПК7 С01 В 33/12; В01 G 2/08 Способ осветления и стабилизации виноматериалов / З.М. Алиев, И.Х. Хизриева, Т.А. Харламова. Опубл. 27.03.06. Б.И. № 9.
4. Семенов Ю.В. Лабораторный практикум по курсу: «Коллоидная химия» для студентов 2-го курса специальности «Инженерная защита окружающей среды» / Московский государственный горный университет. М., 2005. 49 с.
5. Исследование и выявление оптимальных параметров кислотного разложения нефелинсодержащего сырья с целью получения гидрогелевых составов для изоляции буровых скважин и обезвреживания жидких отходов / В.Н. Лыгач [и др.] // Горный инф.-аналит. бюл. 2004. № 3. С. 337.
7 июля 2010 г.
Хизриева Индира Хизриевна - канд. техн. наук, доцент, Дагестанский государственный университет. Тел. 8-872-26-807-03. E-mail: zazav@mail.ru
Алиев Зазав Мустафаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, Дагестанский государственный университет. Тел. 8-872- 26 -807-03.
Алафердов Алексей Федорович - канд. техн. наук, старший преподаватель, Московский государственный горный университет. Тел. 236-94-20.
Харламова Татьяна Андреевна - д-р техн. наук, профессор, Московский государственный горный университет. Тел. 236-94-20.
Chizrieva Indira Chizrievna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Dagestan State University. Ph. 8-872-26-807-03. E-mail: zazav@mail.ru
Aliev Zazav Mustafaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department, Dagestan State University. Ph. 8-872-26-807-03.
Alaferdov Aleksey Fedorovich - Candidate of Technical Sciences, senior lector, Moscow State Mounting University. Ph. 236-94-20.
Charlamova Tatiana Andreevna - Doctor of Technical Sciences, professor, Moscow State Mounting University. Ph. Тел. 236-94-20.
