CC BY
5
УДК 661.183.2; 66.087.4 Похвалитова А. А., Гайдукова А.М.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО СОРБЕНТА «ОУ-А» ИЗ РАСТВОРА НИТРАТА НАТРИЯ ПРИ ДОБАВЛЕНИИ ФЛОКУЛЯНТОВ
Похвалитова Анастасия Александровна - бакалавр 4-го года обучения кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов; nastena.pokhvalitova@mail.ru.
Гайдукова Анастасия Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва.
В работе проведены исследования сорбции ионов Fe3+ на порошковом сорбенте марки «ОУ-А» в статическом режиме из раствора нитрата натрия. Для извлечения отработанного углеродного сорбента из водных растворов NaNO3 был предложен электрофлотационный метод и подобраны условия повышения эффективности процесса. Определен размер и заряд частиц угля в присутствии ионов Fe3+ и NO3-. Рассмотрено влияние флокулянтов различной природы на степень извлечения углеродного материала.
Ключевые слова: электрофлотация, сорбция, углеродный материал, флокулянт, электрокинетический потенциал, степень извлечения.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE ELECTROFLOTATION PROCESS OF EXTRACTING THE OU-A POWDER SORBENT FROM A SODIUM NITRATE SOLUTION WITH THE ADDITION OF FLOCCULANTS
Pokhvalitova A.A.1, Gaydukova A.M.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this work studies of the sorption of Fe3+ ions on a powder sorbent of the brand "OU-A" in the static mode from a solution of sodium nitrate are carried out. To extract the spent carbon sorbent from NaNO3 aqueous solutions, the electroflotation method was proposed and conditions for increasing the efficiency of the process were selected. The size and the charge of coal particles in the presence of Fe3+ and NO3- ions were determined. The influence of flocculants of different nature on the degree of extraction of carbon material is considered.
Key words: electroflotation, sorption, carbon material, flocculant, electrokinetic potential, degree of extraction.
Введение
Активированные угли - это высокодисперсные углеродные материалы, имеющие необычную структуру, состоящую из кристаллитов графита и аморфного углерода, между отдельными частицами которых образуются микро-, мезо- и макропоры [1]. Благодаря наличию пор активированные угли обладают высокой удельной поверхностью и способны адсорбировать как органические, так и неорганические вещества. Данная особенность делает углеродные материалы незаменимыми в различных областях человеческой деятельности [1], но особенна актуальна роль углеродных сорбентов при решении экологических задач, а именно при очистке водных стоков в промышленности [2]. Сточные воды промышленных предприятий содержат примеси различной природы: ионы тяжелых и цветных металлов, соли, а также органические добавки. Анализ литературных данных позволил установить, что углеродные материалы являются универсальными сорбентами, способными очищать воду от токсичных примесей различной природы. В настоящее время потребителям предлагается несколько сотен угольных сорбентов различных по способу получения, исходному материалу, внешнему виду и др. Для решения проблем очистки сточных вод от ионов металлов сорбционным методом необходимо использование сорбентов высокой селективности по отношению к ионам извлекаемых токсичных металлов на фоне высоких концентраций
солей. Пористая структура углеродных сорбентов дополнительно обеспечивает селективное извлечение молекул соответствующего объема.
На практике сорбционные процессы протекают по динамическому типу, так как это более приемлемо для автоматизации производственного процесса и его непрерывности. В тоже время из литературных данных известно, что расход сорбента в статическом режиме сорбции в 2- 10 раз меньше, чем для реализации динамического режима для удаления такого же количества примесей из водных растворов [3 - 5]. В настоящее время проводятся многочисленные исследования по разработке эффективной технологии извлечения отработанных сорбентов от очищенной воды при реализации статического режима. Используют седиментацию, фильтрацию, флотацию и их сочетание с флокуляцией и коагуляцией [6 - 9]. В данной работе для извлечения отработанного сорбента из водных растворов использовали электрофлотационный метод, позволяющий достаточно быстро (~5-20 мин), без применения дорогостоящих реагентов, громоздкого оборудования и больших энергозатрат очистить воду до норм ПДК. Для интенсификации и повышения эффективности процесса предлагается использовать органические добавки (флокулянты) различной природы в малых концентрациях до 5 мг/л.
Методика исследования
В качестве объекта исследования был выбран уголь марки «ОУ - А», изготовленный на основе древесного
березового угля. Сорбционные испытания проводили в статическом режиме при постоянном перемешивании раствора, содержащего Ре3+ и 1г/л КаЫОз, с сорбентом в течении определенного времени. Далее сорбент отделяли отстаиванием и фильтрованием, а также в процессе электрофлотационной обработки раствора. Величину сорбции (А, мг/г) определяли по формуле (1)
где со - начальная концентрация, мг/л ср - остаточная концентрация загрязняющего вещества в растворе или равновесная концентрация,
мг/л
V- объем обрабатываемого раствора, л m - масса сорбента, г.
В экспериментах использовали флокулянты марки Superfloc различной природы с концентрацией 5 мг/л: анионный - A - 137, катионный - С - 496, неионогенный - N - 300.
Исследования электрофлотационного процесса извлечения взвешенных веществ проводились в лабораторной установке, схема и принцип работы которой подробно описаны в работе [10].
Эффективность извлечения частиц угля из раствора оценивали по формуле (2):
«эф = 100% (2)
где, со - исходная концентрация, мг/л
скон - остаточная концентрация угля в растворе,
мг/л.
Массовую концентрацию угля измеряли турбидиметрическим методом при помощи мутномера марки HI 98703.
Концентрацию ионов Fe3+ определяли фотометрическим методом в присутствии сульфосалициловой кислоты. Оптическую плотность растворов измеряли на спектрофотометре СФ - 2000 на длине волны 500 нм.
Электрокинетический потенциал активированного угля определяли на Photocor Compact - Z, в основе которого лежит метод динамического рассеяния света. Результаты и обсуждения
В сорбционном процессе очистки сточных вод важную роль играет как физическое, так и химическое взаимодействие сорбента с растворенными в воде примесями. Физическое взаимодействие проявляется за счет возникновения Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, а химическое - является результатом образования прочной связи между растворенным веществом и функциональными группами на поверхности сорбента. Были проведены исследования титриметрического определения содержания кислородсодержащих и основных функциональных групп на поверхности образцов углеродного сорбента марки «ОУ-А». Установлено наличие кислородсодержащих групп в количестве 0,85 ммоль-экв/г, основных - 0,688 ммоль-экв/г. Таким образом, наличие функциональных групп, а также экспериментально полученных изотерм адсорбции (рисунок 1) показывает на возможность протекания хемосорбционного механизма при извлечении ионов Fe3+ из сточных вод.
О 10 20 30 40 50
Ср. мг/л
Рис. 1 Изотермы адсорбции ионов железа (III) на порошковом углеродном сорбенте из воды (1) и
раствора 1г/л NaNOs (2) Как видно из рисунка 1, изотермы адсорбции в области низких значений равновесной концентрации ионов Fe3+ до 2 мг/л (начальная концентрация Fe3+ в растворе до 100 мг/л) в двух исследуемых случаях параллельны оси ординат, что позволяет отнести их к типу Н по классификации Гильса. Изотермы H типа наблюдаются в тех случаях, когда адсорбция сопровождается образованием химического соединения за счет специфического взаимодействия с поверхностными функциональными группами. При увеличении концентрации ионов Fe3+ в растворе адсорбция протекает в микропорах за счет Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, при этом величина адсорбции практически не меняется, что свидетельствует о насыщении адсорбента. Следует отметить, что для ионов Fe3+ в растворе нитрата натрия наблюдается рост сорбционной емкости в исследуемом диапазоне концентраций. Полного насыщения адсорбента Fe3+ следует ожидать при достижении более высоких равновесных концентраций, что позволяет сделать вывод о перспективности использования порошкового сорбента для извлечения ионов железа (III) из нитратных растворов при высоких концентрациях. При начальной концентрации ионов Fe3+ до 100 мг/л степень извлечения составляет 95 - 98 % (равновесная концентрация ионов металла в растворе после сорбции не превышает 2 мг/л).
Далее в работе были проведены исследования электрофлотационного процесса очистки водных растворов от взвешенных веществ. Из литературных источников известно, что поверхностный заряд и размер частиц оказывают наиболее существенное влияние на эффективность электрофлотационного процесса. В работе [10] отмечено, что наибольшая степень извлечения дисперсной фазы достигается, когда поверхность не несет электрического заряда. Были проведены исследования по определению значений электрокинетического потенциала частиц угля в растворе нитрата натрия, а также при добавлении ионов Fe3+ в раствор (рисунок 2). Установлено, что в растворе NaNÜ3, содержащем катионы железа (III), кривая зависимости Z-рН имеет классический вид и пересекает ось абсцисс при рН ~ 7,9 (изоэлектрическая точка), далее происходит перезарядка поверхности частиц угля, знак заряда меняется с положительного на отрицательный (рис. 2, крив. 2). Однако, извлечения углеродного материала при рН= 7,9 в процессе электрофлотационной обработки не наблюдается. Вероятно, это связано с малым размером частиц (11 - 16
мкм). Для увеличения размеров дисперсной фазы было предложено использовать флокулянты различной природы (рисунок 3).
pH
4 6 8 10
Рис. 2 Зависимость электрокинетического потенциала (С) частиц от рН и состава среды: 1 - 1г/л МаМОз; 2 - 1г/л МаШ3 и 25 мг/л Ре3+
Рн
Рис. 3 Зависимость степени извлечения угля от рН раствора при добавлении флокулянтов различной природы: 1 - А-137 (а); 2 - С-496 (к); 3 -N-300 (н), с(оу-а) = 0,2 г/л, с(Рез+) =25 мг/л, т = 10 мин (5 мин для
растворов, содержащих А-137), i = 0,2 А/л Из экспериментальных данных видно, что наибольшая степень извлечения углеродного сорбента «ОУ - А» наблюдается в присутствии флокулянта неионогенной природы. Катионный флокулянт увеличивает степень извлечения в щелочной среде до 87%, а с использованием анионного флокулянта удается очистить водный раствор от взвешенных частиц только на 73% в кислой среде. Полученные результаты согласуются с данными электрокинетического потенциала частиц.
В ходе исследований было отмечено, что в щелочной и слабощелочной среде помимо взвешенных частиц угля водный раствор также очищается от гидратов железа.
Были проведены исследования по определению диапазона извлекаемых концентраций сорбента электрофлотационным методом. Установлено, что в присутствии флокулянта N-300 возможно извлечение отработанного углеродного сорбента в количестве до 1200 мг/л, при этом степень извлечения составляет 98%. Заключение
На основании проведенных исследований был исследован процесс сорбции ионов железа (III) на порошковом углеродном сорбенте в статическом режиме из раствора соли нитрата натрия. Определено количество кислотных и основных функциональных группы на поверхности углеродного сорбента. На основании полученных данных сделано предположение о специфической сорбции ионов металла на углях или
хемосорбции. В результате сорбции степень очистки раствора от ионов железа составляет 95 - 98 % при начальной концентрации до 100 мг/л. Исследовано влияние флокулянтов различной природы на степень извлечения углеродного материала
электрофлотационным методом. Результаты показали, что наиболее эффективно частицы угля «ОУ - А» извлекаются в присутствии неионогенного флокулянта Superfloc N - 300 (а = 91 - 94 % в кислой, нейтральной и слабощелочной среде, в течение 10 мин). Определен диапазон извлекаемых концентраций угля (до 1,2 г/л), при котором степень его извлечения составляет 94 -98%
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева (проект № 3-2020-003).
Список литературы
1. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Пер. с нем. - Л.:Химия, 1984. - 216 с.
2. Краснова Т.А., Беляева О.В., Кирсанов М.П. Использование активный углей в процессах водоподготовки и водоотведения// Техника и технология пищевых производств. 2012 № 3(26).
3. Kyriakopoulos G., Doulia D. Adsorption of Pesticides on Carbonaceous and Polymeric Materials from Aqueous Solutions: A Review. Separation & Purification Reviews. 2006, Vol. 35(3), p. 97-191.
4. López-Ramón M.V., Fontecha-Cámara M.A., Álvarez-Merino M.A., Moreno-Castilla C. Removal of diuron and amitrole from water under static and dynamic conditions using activated carbons in form of fibers, cloth, and grains. Water Research, 2007.Vol. 41 (13), p. 2865-2870
5. Álvarez-Merino M. A., López-Ramón V., Moreno-Castilla C. A study of the static and dynamic adsorption of Zn(II) ions on carbon materials from aqueous solutions. Journal of Colloid and Interface Science, 2005. Vol. 288 (2), p. 335-341,
6. Schwentner G., Kremp W., Mauritz A., Hein A., Metzger S., Rößler A. Spurenstoffelimination in den Klärwerken Böblingen-Sindelfngen und Mannheim. Gemeindetag Baden-Württemberg, 2013. 5. p. 193-201.
7. Löwenberg J., Zenker A., Krahnstöver T., Böhler M., Baggenstos M., Koch G., Wintgens T. Upgrade of deep bed filtration with activated carbon dosage for compact micropollutant removal from wastewater in technical scale. Water Res. 2016. 94, p. 246-256.
8. Meinel F., Zietzschmann F., Ruhl A. S., Sperlich A., Jekel M. The benefits of powdered activated carbon recirculation for micropollutant removal in advanced wastewater treatment. Water Res. 2016. 91, p. 97-103.
9. Krahnstöver T., Wintgens Th. Separating powdered activated carbon (PAC) from wastewater - Technical process options and assessment of removal efficiency. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2018. Vol. 6 (5), p. 5744-5762.
10. Gaydukova A., Kolesnikov V., Stoyanova A., Kolesnikov A. Separation of highly dispersed carbon material of OU-B grade from aqueous solutions using electroflotation technique. Separation and Purification Technology. 2020. 245. 116861
