Применение терморасширенного графита для очистки воды от ионов СR(VI), Ni(II), Fe(II) Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 546.26-162:628.16:541.183.12

А.В. Яковлев, С.Л. Забудьков, Е.В. Яковлева, А.И. Финаенов

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ СЩУГ), N1(11), ЕЕ(П)

Исследованы адсорбционно-ионообменные свойства терморасширенного графита по катионам никеля (II) и железа (II).

Удовлетворительная сорбционная емкость по катионам хрома (VI) достигнута лишь с невысокой степенью извлечения, что технически ограничивает применение ТРГ для очистки хромсодержащих сточных вод. Для извлечения катионов никеля (II) и железа (II) ТРГ является достаточно эффективным сорбентом. Степень извлечения указанных ионов сопоставима, а в некоторых случаях превышает показатели традиционно используемых сорбентов и ионообменников.

A.V. Yakovlev, S.L. Zabud’kov, Ye.V. Yakovleva, A.I. Finaenov

THERMALLY EXPANDED GRAPHITE (TEG) APPLICATION FOR WATER PURIFICATION FROM CR6+, NI2+, FE2+ IONS

Both adsorptive and ion-exchange properties of thermally expanded graphite in relation to cations (Ni2+ and Fe2+) are studied here.

Acceptable sorption capacity to Cr6+ cations is obtained only with low extraction degree, which technically restricts the application of TEG for purification of chromium-contained sewages and wastes. To extract Ni2+ and Fe2+ cations,

TEG appears to be rather effective sorbent. The extraction degree for these cations is acceptable; in a number of cases it is even higher than that of sorbents and ion exchangers conventionally used.

Как известно, терморасширенный графит (ТРГ) является эффективным сорбентом для извлечения катионов жесткости [1]. Сорбционная емкость по катионам жесткости составляет

0,42 мг-экв/г, что более чем в 3 раза превышает показатели волокнистых сорбентов [2]. Можно предполагать, что ТРГ применим в качестве сорбционного материала для извлечения и других катионов металлов.

В настоящей статье представлены результаты исследований адсорбционных свойств терморасширенного графита по ионам Сг6+, Ni2+, Fe2+.

Экспериментальная часть

Адсорбционная и ионообменная способности ТРГ по катионам Сг6+, Ni2+, Fe2+ оценивались смешением его навески с определенным объемом модельных растворов (табл. 1). В ряде случаев раствор фильтровался через слой ТРГ, помещенный на сетку из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Концентрация катионов после экспозиции растворов с углеродным материалом оценивалась методами, указанными в табл. 1.

Таблица 1

Состав анализируемых растворов и методы определения концентрации катионов

№ п/п Реагент, квалификация «ХЧ» Концентрация катионов, г/л Метод определения концентраций

1 NiCl2-6H2O (ГОСТ 4038-74) 0,25 Комплексонометрия (РД 20.1:2:3.19-95)

2 FeCl2-4H2O (ГОСТ 11159-76) 0,83 Комплексонометрия (ГОСТ 4011-72)

3 К2СГ2О7 (ГОСТ 2652-78) 0,23 Комплексонометрия

4 Н2СЮ4 (ГОСТ 2548-77) 0,36 (РД 52.24.446-95)

В качестве адсорбента для очистки воды, содержащей катионы тяжелых металлов (№2+, Бе2+, Сг6+), использовались образцы терморасширенного графита с насыпной плотностью 5 г/дм3. Методика получения ТРГ и определения его свойств подробно описаны в работе [1].

_з —1

Скорость процесса адсорбции (V, мг-дм -мин ), согласно [3] рассчитывалась как отношение изменения концентрации (АС) к времени фильтрации (т):

АС

v = —, (1)

т

где т - время сорбции.

Результаты очистки модельных хромсодержащих растворов с варьированием массы ТРГ в адсорбционной колонне представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты извлечения катионов шестивалентного хрома фильтрованием модельных растворов (230 мг/л-Сг6+) объемом 250 мл через слой ТРГ

ттрг, г Скорость протекания, л/мин ССг6+ после фильтрации, мг/л я, % С, мгэкв/г

1,7 2,42 212 7,8 0,31

10,2 0,39 201 12,6 0,08

18,5 0,07 190 17,4 0,06

27,3 0,02 140 39,3 0,01

Как следует из табл. 2, увеличение навески ТРГ, а, следовательно, толщины слоя адсорбента приводит к закономерному снижению скорости фильтрации и увеличению степени извлечения (Я) катионов хрома. При этом значительно снижается адсорбционная емкость углеродного материала. Попытка увеличить степень извлечения и адсорбционную емкость многократным фильтрованием модельного раствора с концентрацией хромат-иона, увеличенной до 360 мг/л, выявила незначительное увеличение степени извлечения и сорбционной емкости (табл. 3).

Таблица 3

Результаты очистки хромсодержащего модельного раствора (ССг6+=360 мг/л, 1/=100 мл) многократным фильтрованием через слой ТРГ (ттрг=27,3 г)

№ пробы Время т, мин. Конечная концентрация Сг6+, мг/л Скорость сорбции V, —3 —1 мгдм -мин 1 Степень извлечения я, % Сорбционная емкость, мгэкв/г

1 32 160 6,25 55,55 0,085

2 38 135 5,92 62,50 0,096

3 45 127 5,17 64,72 0,099

4 48 115 5,10 68,06 0,105

5 53 110 4,72 69,44 0,107

По экспериментальным данным следует констатировать низкую скорость адсорбции катионов Сгб+, что обусловлено затрудненностью ионообменного процесса многозарядного катиона, а для эффективной адсорбционной очистки ТРГ обладает недостаточно высокой удельной поверхностью.

Оценка сорбционной способности ТРГ по отношению к катионам №2+ и Бе2+ проводилась в стационарном режиме. Для этого в модельные растворы (табл. 1) помещалась навеска ТРГ и выдерживалась в течение 30 минут.

В процессе очистки модельного электролита происходит некоторое подкисление среды (табл. 4), пропорционально степени извлечения катионов. Это может быть следствием двух причин: за счет связывания групп ОН- ионами №2+ или Бе2+, находящихся вблизи положительно заряженной графитовой поверхности и за счет вытеснения ионами №2+ и Бе2+ ионов Н+ с поверхности ТРГ. В результате сорбционных и ионообменных процессов на границе ТРГ - модельный электролит происходит увеличение потенциала углеродного материала, установление постоянного значения которого свидетельствует о достижении равновесия процесса.

Таблица 4

Результаты извлечения катионов никеля и железа из модельных растворов (20 мл) выдержкой с ТРГ (0,05 г) в течение 30 минут

О^трг; г/дм3 Раствор Ы1С!2, (нач)См2+=0,25 г/л; рН=6,56 Раствор РэС!2, (нач)Сге2+=0,83; рН=5,28

(кон)^ 2+ С1\11 , г/л Я, % (С)м12+, мгэкв/г рН (кон)^ 2+ СРе , г/л Я, % (С)ге2+, мгэкв/г рН

2 0,11 56,7 5,0 6,25 0,34 59,6 17,7 5,02

4 0,13 47,2 2,1 6,33 0,37 55,4 8,2 5,12

6 0,16 37,8 1,1 6,36 0,46 44,6 4,4 5,18

Применение ТРГ с меньшей насыпной плотностью приводит к возрастанию степени очистки от катионов №2+ и Бе2+ (см. рисунок).

С, мг*экв/г _

15 -

10 -

5 -

0 +

0

Зависимость сорбционной емкости (С) ТРГ от насыпной плотности углеродного материала (аГрг) массой 0,05 г по катионам: 1 - Ре2+; 2 - №2+ при выдержке в растворах РеС!2 и ЫЮ12 с концентрацией 5 г/л в течение 30 минут

Выводы

Удовлетворительную сорбционную емкость по катионам Сг6+ можно получить лишь с невысокой степенью извлечения, что технически ограничивает применение ТРГ для очистки хромсодержащих сточных вод. Для извлечения катионов никеля и двухвалентного железа ТРГ является достаточно эффективным сорбентом. Степень извлечения указанных ионов сопоставима, а в некоторых случаях превышает показатели традиционно используемых сорбентов и ионообменников [2,4,5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Применение терморасширенного графита в процессе водоочистки и водоподготов-ки / А.В. Яковлев, А.И. Финаенов, Е.В. Яковлева, Э.В. Финаенова // Журнал прикладной химии. 2004. № 11. С. 1833-1835.

2. Скворцов Н.Г. Волокнистые сорбенты для извлечения никеля из сточных вод / Н.Г. Скворцов, Т.А. Ананьева, Т.А. Хабазова // Журнал прикладной химии. 1989. № 5. С. 1161-1164.

3. Воропанова Л.А. Сорбция Сг^) из водных растворов на анионите АМ-25 / Л. А. Воропанова, С.Г. Рубановская, Е.Ю. Гетоева // Журнал прикладной химии. 1998. № 9. С. 1439-1443.

4. Ионообменные и электрохимические свойства углеродных волокнистых материалов / К.А. Каздобин, О.В. Гнатюк, Ю.С. Дзядько и др. // Украинский химический журнал. 1996. Т. 62. Вып. 3, 4. С. 106-110.

5. Варшавский В.Я. Современные волокнистые материалы для очистки жидких и газообразных сред / В.Я. Варшавский, Л.С. Скворцов // Экология и промышленность России. 1996. № 8. С. 11-13.

Яковлев Андрей Васильевич -

кандидат технических наук,

докторант кафедры «Технология электрохимических производств», доцент кафедры «Физическая и органическая химия»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета

Забудьков Сергей Леонидович -

аспирант кафедры «Технология электрохимических производств»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета

Яковлева Елена Владимировна -

кандидат химических наук, научный сотрудник ЗАО «УНИХИМТЕК», г. Москва

Финаенов Александр Иванович -

доктор технических наук,

профессор кафедры «Технология электрохимических производств»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета