CC BY
15
УДК 661.183.2; 66.087.4
Ненашева А.С., Гайдукова А.М., Напреева А.Д.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ УГЛЕЙ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ В ПРИСУТСТВИИ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДОБАВОК
Ненашева Анастасия Сергеевна, студентка 2 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и электрохимических процессов
Гайдукова Анастасия Михайловна, к.т.н., старший преподаватель кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Напреева Алина Дмитриевна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и электрохимических процессов; alinanapreeva@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе рассмотрена перспективность применения электрофлотационного метода для извлечения порошковых углей из водных растворов. Приведены данные, показывающие влияние коагулянта на основе хлорида железа (III) на степень извлечения углей. Установлено, что в присутствии коагулянта FeCl3 повышается эффективность процесса извлечения углеродных сорбентов в кислой среде (а достигает 92 - 93%). Проведены исследования и подобраны композиции «коагулянт - органическая добавка» для наиболее полного извлечения порошковых углеродных материалов.
Ключевые слова: электрофлотация, активный уголь, коагулянт, флокулянт, поверхностно-активные вещества, электрохимия, сточные воды.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF EXTRACTION OF COALS POWDER FROM WATER SOLUTIONS IN THE PRESENCE OF ORGANIC AND INORGANIC ADDITIVES BY THE ELECTROFLOTATION METHOD
Nenasheva Anastasiia Sergeevna, Gaydukova Anastasiia Mikhailovna, Napreeva Alina Dmitrievna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The paper considers the prospects of using the electroflotation method for the extraction ofpowdered coals from aqueous solutions. Data are presented showing the effect of a coagulant based on iron (III) chloride on the degree of extraction of coal. It has been established that in the presence of the coagulant FeCl3, the efficiency of the process of extracting carbon sorbents in an acidic medium increases (a reaches 92 - 93%). Research was conducted and compositions "coagulant -organic additive " were selected for the most complete extraction of carbon powder materials.
Keywords: electroflotation, activated carbon, coagulant, flocculant, surfactants, electrochemistry, wastewater.
С точки зрения физико-химических свойств, активные угли (АУ) являются уникальными сорбционными материалами [1-2], которые нашли применение для решения широкого спектра задач. Такие углеродные сорбенты используют в пищевой промышленности, гидрометаллургии, медицине, для очистки или поглощения паров и газов, но в основном их активно применяют в системах водоподготовки и очистки сточных вод [3-4].
В настоящее время используют классическую схему очистки с применением специальных сорбционных фильтров и колонн с активным углем. Однако данная технология имеет ряд существенных недостатков, например, возникает необходимость в периодической замене сорбционных элементов по мере их заполнения загрязняющими веществами, а также утилизация или рекуперация уже отработанных сорбционных материалов.
В качестве альтернативы предлагается порционно вводить углеродный сорбент непосредственно в объем очищаемой жидкости. Такая технология получила название «углевания». В работах [5-6] проводились исследования эффективности метода с целью извлечения ионов
тяжелых металлов, а также поверхностно-активных веществ из водных растворов. Анализ результатов исследований показал, что технология является достаточно эффективной, позволяющей очистить стоки пищевых, автомобильных и т.д. предприятий до санитарных норм.
В то же время необходимо решить проблему отделения углеродного сорбента от очищаемой воды. Одним из перспективных направлений может служить электрофлотационный метод, суть которого заключается в пропускании постоянного электрического тока через очищаемый раствор, при этом на электродах образуются пузырьки водорода и кислорода. Поднимаясь, они сталкиваются с частичками загрязнений, прилипают к ним, образуя пенный слой на поверхности раствора - флотошлам. Таким образом, электрофлотационный способ позволит достаточно быстро (~5-20 мин), без применения дорогостоящих реагентов, громоздкого оборудования и больших энергозатрат очистить воду до ПДК. Для интенсификации процесса электрофлотации предлагается вводить в малых концентрациях широко применяемый коагулянт
ЪеС13, а также органические добавки различной природы.
Методика и объекты исследований
В работе исследованы порошковые угли марок «ОУ-А», «РАУ» и «УАФ». Уголь марки «ОУ-А» изготовлен на основе древесины березы, уголь «РАУ» - на основе соломы рапса, «УАФ» - на основе каменного угля. Характеристика порошковых активных углей представлена в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики
Из литературных источников известно, что введение в исследуемый раствор в малых концентрациях коагулянтов, органических добавок (например, ПАВ или флокулянты) либо композиции «коагулянт-органическая добавка» способствует значительному повышению эффективности электрофлотационного процесса извлечения загрязняющих веществ. Поэтому в данной работе применяли коагулянт ЪеС13, флокулянт катионного типа серии БирегАос С-496, ПАВ катионной и анионной природы - СептаПАВ ХСБ-50 и КаБББ соответственно.
Перед электрофлотационным процессом рабочий раствор, содержащий фоновую соль, коагулянт и органические добавки нужной концентрации, подвергают сорбционной обработке. Для этого в объем раствора добавляют углеродный материал и проводят перемешивание в течение 10-20 минут.
Исследования по извлечению частиц порошковых углей из раствора, моделирующего сточные воды, проводили в лабораторной непроточной элекрофлотационной установке с нерастворимым анодом (ОРТА) и катодом в виде сетки из нержавеющей стали.
Эффективность процесса извлечения дисперсной фазы из раствора оценивали по показателю степени
извлечения - а (измеряется в %). Степень извлечения рассчитывается по формуле (1): я _ ^„^„н юо% (1)
где сисх и скон - исходная и конечная концентрация активного угля в растворе (мг/л).
Массовую концентрацию углеродного материала измеряли на мутномере марки Н1 98703 турбидиметрическим методом. Данный прибор предназначен для анализа непрозрачных жидкостей и измерения содержания в растворе взвешенных частиц путем рассеяния света.
Остаточную концентрацию ионов Ъе3+ измеряли фотометрическим методом на спектрофотометре СФ-2000 [8].
Результаты и их обсуждение
Зависимость степени извлечения порошковых углей различных марок от величины рН без добавок и в присутствии коагулянта ЪеС13 методом электрофлотации приведена в таблице 2.
Таблица 2. Влияние ионов Ее3+ на эффективность электрофлотационного извлечения углеродных сорбентов
Условия эксперимента: * - без добавок, г = 0.4 А/л, с (ЫаС1) = 1 г/л, с (АУ) = 200 мг/л, т = 10 мин, с (Ре3+) = 25 мг/л
По результатам видно, что присутствие коагулянта способствует повышению степени электрофлотационного извлечения из раствора порошковых углей, причем лучше всего процесс протекает в кислой среде. Присутствие в растворе коагулянта позволяет повысить степень извлечения углей на древесной основе и на основе каменного угля (ОУ-А и УАФ) до 92-93%. Влияние коагулянта на извлечение угля на основе рапса (РАУ) оказалось незначительное (а = 28%). Стоит также отметить, что в процессе электрофлотации на поверхности раствора образовывался пенный слой с включениями частиц угольного материала и частиц желтого цвета. Исследования по определению
Т-. 3+
остаточной концентрации ионов Ъе показали, что помимо угля извлекается и коагулянт в виде гидроксида железа (III).
Известно, что введение в раствор органических добавок (ПАВ, флокулянты) способствует повышению эффективности электрофлотационного процесса. Поэтому далее были проведены исследования по влиянию данных добавок на степень извлечения углеродных материалов из водных растворов в присутствии коагулянта (таблица 3).
порошковых углей
Показатели Марка угля
УАФ ОУ-А РАУ
Насыпной вес, г/дм3 - - 135
Суммарный объем 3/ пор, см /г 0,75 0,75 4,14
Объем микропор, 3/ см /г 0,23 0,28 0,20
Массовая доля воды, % 5,0 10,0 2,4
Массовая доля золы общей, % 12,0 10,0 16,5
Адсорбционная активность по: -йоду, % -метиленовому голубому, мг/г 70 68 225 39 87
Массовая доля железа 3+ в пересчете на Ъе , %, не более - 0,2 0,26
рН Степень извлечения угля после электрофлотации а, %
УАФ ОУ-А РАУ
Ъе3+ - Ъе3+ - Ъе3+
4 0 92 4 93 4 28
5 0 46 7 32 5 12
6 0 43 3 6 7 5
7 0 2 2 3 6 3
Таблица 3. Влияние композиции «^^-органическая добавка» на эффективность извлечения порошковых углей методом электрофлотации
рН Степень извлечения угля после электрофлотации а, %
УАФ ОУ-А РАУ
-* Fe3+ Fe3++ ПАВ1 - Fe3+ Fe3++ флок.2 - Fe3+ Fe3++ ПАВ3
4 0 92 96 4 93 79 4 28 54
5 0 46 53 7 32 76 5 12 70
6 0 43 43 3 6 74 7 5 56
7 0 2 14 2 3 81 6 3 42
Условия эксперимента: * - без добавок, 1 - СептаПАВ (к) 10 мг/л, 2 -А/л, с (NaCl) = 1 г/л, с (АУ) = 200 мг/л, т = 10 мин, с (Fe3+) = 25 мг/л
Анализ полученных данных показал, что 3. введение в исследуемый раствор композиции «коагулянт - органическая добавка» способствует наиболее полному извлечению углеродных сорбентов из раствора в процессе электрофлотации не только в кислой, но и в нейтральной среде. Исключение составляет уголь на древесной основе (ОУ-А): при рН=4 дополнительное введение флокулянта снижает эффективность процесса, 4. степень извлечения падает с 93% до 79%.
Заключение
Таким образом, в ходе проведенных исследований были получены новые данные по 5 извлечению порошковых углей различных марок из водных растворов методом электрофлотации. Отмечено влияние коагулянта FeCl3 на эффективность извлечения углей. Проведены исследования и подобраны композиции «коагулянт -органическая добавка» для наиболее полного ^ извлечения порошковых углеродных материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева (проект 3-2020-003).
Список литературы 7
1. Paajanen A., Lehto J., Santapakka T., Morneau J. P. Sorption of Cobalt on Activated Carbons from Aqueous Solutions // Separation Science and „ Technology. 2011. P. 813-826. 8
2. Amerkhanova S., Shlyapov R., Uali A. The active carbons modified by industrial wastes in process of sorption concentration of toxic organic compounds and heavy metals ions // Colloids and Surfaces A. 2017. V. 532. P. 36-40.
uperfloc С-496 (к) 5 мг/л, 3 - СептаПАВ (к) 5 мг/л, i = 0.4
Славинская Г. В., Куренкова О. В. Применение активных углей для очистки воды от органических веществ //Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2013. №. 6. С. 71-87.
Мухин В. М. Производство и применение углеродных адсорбентов: учеб. пособие / В. М. Мухин, В. Н. Клушин / — М.: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 2012. - 308 с. Иванец М. Г., Гришпан Д. Д. [и др.] Очистка сточных вод различного состава модифицированными угольными сорбентами // Весщ нациянальнай акадэмп навук Беларусь Серыя «Хiмiчных навук». 2011. - № 3. - С. 7075.
Hu J., Aarts A., Shang R., Heijman B., Rietveld L. Integrating powdered activated carbon into wastewater tertiary filter for micro-pollutant removal // J. Environ. Manage. 2016. Vol. 177. P. 45-52.
Долина Л. Ф. Современная техника и технологии для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов: Монография. Дн-вск.: Континент, 2008. С. 94.
Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации общего железа в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой [Электронный ресурс] / URL:
http://docs.cntd.ru/document/898902517 (дата обращения: 26.04.2020).
