Расчетно-экспериментальные исследования получения органоминеральных сорбентов на основе торфа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Фентона для процессов очистки сточных вод от органических красителей, на примере метилоранжа в водном растворе. Лучшим из исследованных носителей оказался оксид алюминия. Со-Се-0/А!203-катализатор проявил наибольшую активность и стабильность в процессе каталитического окисления метилоранжа пероксидом водорода, что позволяет рекомендовать его для возможного использования в технологии очистки сточных вод.

ЛИТЕРАТУРА

1. Nogueira R.F., Oliveira M.C., Paterlini W.C. // Talanta. 2QQ5. V. бб. N 1. P. 8б-91.

2. Souza S.M., Bonilla K.A., Souza A.A. // J. Hazard. Mater. 2Q1Q. V. 179. N 1-3. P. 35-42.

3. Hofmann J., Freier U., Wecks M. // Appl. Cat. B: Environ. 2QQ7. V. 7Q. N 1-4. P. 447-451.

4. Зимин Ю.С., Агеева А.Ф., Кадырова Г.Ф., Борисов И.М., Монаков Ю.Б. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2QQ6. Т. 49. Вып. б. С. 3Q-34;

Zimin Yu.S., Ageeva A.F., Kadyrova G.F., Borisov I.M., Monakov Yu.B. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2006. V. 49. N 6. P. 30-34 (in Russian).

5. Liu Y., Sun D. // J. Hazard. Mater. 2007. V. 143. N 1-2. P. 448-454.

6. Liu T., You H., Chen Q. // J. Hazard. Mater. 2009. V. 162. N 2-3. P. 860-865.

7. Quintanilla A., Fraile A.F., Casas J.A // J. Hazard. Mater. 2007. V. 146. N 3. P. 582-588.

8. Tekbas M., Yatmaz H.C., Bektas N. // Micropor. and Mesopor. Mater. 2008. V. 115. N 3. P. 594-602.

9. Katrinescu C., Teodosiu C., Macoveanu M. // Water Research. 2003. V. 37. N 5. P. 1154-1160.

10. Costa R., Lelis M., Oliveira L. // J. Hazard. Mater. 2006. V. 129. N 1-3. P. 171-178.

11. Неймарк И.Е. Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов. Киев: Наук. Думка. 1982. 216 е.; Neiymark I.E. Synthetic mineral adsorbents and catalyst carriers. Kiev: Naukova Dumka. 1982. 216 p. (in Russian).

12. Sunino D., Variano V., Ciambelli P. // Catalysis Today. 2011. V. 161. N 1. P. 255-259.

13. Caudo S., Centi G., Genovese C. // Appl. Cat. B: Environ. 2007. V. 70. N 1-4. P. 437-446.

Кафедра технологии неорганических веществ

УДК 66.096.5

Л.Н. Овчинников, Н.Л. Овчинников

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ТОРФА

(Ивановский государственный химико-технологический университет) е-тай:оусЫпшкоуп11972@newmail.ru

Приведены результаты экспериментально-статистического моделирования и оптимизации технологических условий получения эффективных гранулированных сорбентов на основе торфа и минеральных добавок - глины и гипса.

Ключевые слова: торф, глина, сорбенты, оптимизация, гранулирование, сушка

ВВЕДЕНИЕ

Для очистки воды от загрязнений широко используются различные синтетические и природные неорганические, органические и органо-минеральные сорбенты. Среди них особое место занимает торф, что связано с его высокими сорб-ционно-ионообменными свойствами и доступностью сырьевой базы [1]. При соответствующей модификации минеральными компонентами сорбенты на основе торфа могут использоваться для очистки воды от нефтемаслопродуктов, солей жесткости, тяжелых металлов и т.д. [2]. По мнению авторов [2] в композиционных торфоминеральных смесях неорганические компоненты могут выступать в роли активного наполнителя. Результатом

этого является возможность создания компози -ций, обладающих новыми гидрофильными свойствами.

Целью исследования являлось получение органоминеральных сорбентов и выбор оптимальных технологических условий их гранулирования и сушки с получением эффективного продукта.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Большинство технологий приготовления гранулированных сорбентов предусматривают внедрение прогрессивного грануляционного и сушильного оборудования. В связи с этим, нами была разработана и апробирована в лабораторных условиях технологическая схема (рис. 1) получе-

ния плавающих гранулированных сорбентов на основе торфа с добавками глины и гипса, обладающих высокими сорбционно-ионообменными свойствами.

1

со

т

Влажный материал

V

ж

■П

>1

Li

Гранулы

Щ

-Р4

Рис. 1. Технологическая схема получения гранулированных сорбентов на основе торфа: 1 - реактор для приготовления пасты торф - вода - минеральная добавка; 2 - экструдер;

3 - прибор для измерения температуры; 4 - термопары; 5 - сушилка с плотным слоем; 6 - элекгрокалорифер; 7 - ротаметр; 8 - газодувка Fig. 1. The technological scheme of production of granulated sorbents on the base of peat: 1 - the reactor for preparation of paste of peat - water - mineral additive; 2 - extruder; 3 - the device for temperature measurement; 4 - thermocouples; 5 - dryer with a dense layer; 6 -electroheater; 7 - rotameter; 8 - gas pump

j!!!|lliij!lil|llll|lll!|llll

9 10 11 12 Ш

Приготовленные при различных массовых соотношениях (торф: вода: минеральная добавка) гранулы сорбентов (загружались в количестве 20 штук в мерные (объемом 1 л) химические стаканы с водой. В каждой пробе гранулы имели одинаковый размер и концентрацию минеральной добавки. После загрузки гранул в емкость с водой фиксировалось среднее время их осаждения на дно сосуда.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследований плавучести гранулированных сорбентов с различной концентрацией добавок представлены на рис.3. Они позволяют выбрать соответствующую концентрацию минеральной добавки при заданном времени плавучести органоминерального сорбента.

В основе исследования получения органо-минеральных сорбентов с минеральными добавками использовался метод математического планирования экспериментов типа 23 [3, 4], позволяющий осуществить поиск оптимальной области режимов сушки и гранулирования с максимальным выходом нефтеемкости гранулированного продукта и одновременным улучшением других качественных характеристик гранул (прочность, конечная влажность, усадка).

6

о

Рис. 2. Фотография гранул органоминерального сорбента Fig. 2. The photo of organic-mineral sorbent granules

Отметим, что массовое соотношение исходных компонентов торфа к воде в диапазоне 0,85-1, с последующим учетом доли минеральной добавки (0,02-0,04), позволяло достигнуть требуемой пластичности формуемой массы перед гранулированием и сохранять высокую плавучесть высушенных гранул на водной поверхности.

Методика определения плавучести гранулированных сорбентов, фотография которых представлена на рис. 2, состояла в следующем.

1 2 3 4 5

х, сут.

Рис. 3. Изменение времени плавучести гранул сорбента от концентрации минеральной добавки: 1 - глина, 2 - гипс Fig. 3. Change of time of buoyancy of sorbent granules as a function of mineral additive concentration: 1 - clay, 2 - plaster

B качестве исследуемых параметров были выбраны качественные характеристики продукта: Y1 -прочность гранул, МПа; Y2 - нефтеемкость (впитывающая способность нефтепродуктов), масс. доля; Y3 - конечная влажность гранул, доли; Y4 - усадка гранул, доля.

Независимыми переменными являлись: Х1 - температура воздуха под решеткой сушилки (рис. 1), °С; Х2 - концентрация суспензии, масс.

5

4

3

2

%; Х3 - время сушки, мин.; Х4 - масса слоя, гр.; Х5 - расход воздуха, м3/ч.

Интервалы и уровни варьирования независимых переменных при получении органомине-ральных сорбентов выбирались в следующих границах технологических параметров: температура воздуха под решеткой 70 - 90°С; концентрация суспензии 2 - 4, масс. %; время сушки 15- 25, мин; масса слоя 40 - 80, гр.; расход воздуха 30 -40, м3/ч.

Матрицы планирования экспериментов и результаты исследований представлены в табл. 1 и 2.

В результате применения экспериментально-статистического метода обработки результатов исследований, включающего оценку значимости коэффициентов регрессионных уравнений по критерию Стьюдента и проверку адекватности уравнений по критерию Фишера, были получены зависимости, характеризующие следующие качественные характеристики продукта: - для технологических условий гранулирования и сушки сорбента на основе торфа и глины: конечная влажность

У1=0,018+0,002Х1+0,004Х2-0,014Хз+0,008Х4 -0,002x5; (1)

Таблица 1

Матрица планирования и результаты опытов в процессе получения сорбентов на основе торфа и глины

№ п/п Х1 Х2 Хэ Х4 Хз Y1 Y2 Y3 Y4

Температура воздуха под решеткой Концентрация суспензии Время сушки Масса слоя Расход воздуха Влажность гранул Прочность гранул Нефтеемкость Усадка гранул

Начальная Конечная Время опыта 30 мин Время опыта 60 мин

°С % мин гр. м3/ч масс. доля масс. доля МПа масс. доля масс. доля об. доля

1 70 2 15 80 40 1,03 0,039 0,3 0,22 0,42 0,84

2 90 2 15 40 30 1,006 0,017 0,36 0,51 0,59 0,91

3 70 4 15 40 40 1,003 0,016 0,42 0,53 0,54 0,85

4 90 4 15 80 30 0,996 0,056 0,54 0,53 0,53 0,9

5 70 2 25 80 30 1,008 0,004 0,54 0,54 0,56 0,86

6 90 2 25 40 40 1,012 0,004 0,43 0,5 0,52 0,91

7 70 4 25 40 30 1,006 0,006 0,53 0,5 0,51 0,86

8 90 4 25 80 40 1,039 0,005 0,72 0,54 0,54 0,9

Таблица 2

Матрица планирования и результаты опытов в процессе получения сорбентов на основе торфа и гипса Table 2. Matrix of planning and results of experiences in process of sorbents production on the base of peat and plaster

№ n/n

Xi

« §

н §

<D

a ч о a

о «

л

a £

a

<D

a

S я S x

X,

о

^

о «

5

£

6

И

<D

Я

и

о «

Хз

В

&

<D

а m

Хд

«

о ч о л о о л

Х5

СЗ

X

СП

о «

Ч О

х

и а Рч

Yi

Влажность гранул

я

-а

Ч Л

£ х

к V

<D

К о

Y,

ч £

&

л н о о и

О &

Y,

Нефтеемкость

л н -о

а о

S °

s

а m

н -о

а о

(D

а m

Y4

4 £

л &

5

о

°с

%

мин

гр.

м3/час

масс. доля

масс. доля

МПа

масс. доля

масс. доля

об. доля

70

15

80

40

1.097

0,11

0,29

0,42

0,43

0,85

90

15

40

30

1,102

0,031

0,38

0,47

0,52

0,9

70

15

40

40

1,081

0,053

0,41

0,46

0,48

0,86

90

15

80

30

1,126

0,12

0,52

0,44

0,49

0,9

70

25

80

30

1,09

0,053

0,5

0,46

0,48

0,86

90

25

40

40

1,074

0,007

0,45

0,49

0,54

0,91

70

25

40

30

1,079

0,036

0,49

0,52

0,53

0,87

90

25

80

40

1,123

0,057

0,6

0,5

0,55

0,89

1

2

2

4

4

2

2

4

4

прочность

У2=0,48+0,0325Х1+0,0725Х2+0,075Хз+0,045Х4 ; (2) нефтеемкость

Уз=0,52+0,02Х1+0,006Х2+0,007Хз-0,01Х4 -0,02x5; (3) усадка

У4= 0,88+0,026Х1+0,004Хз -0,004x4; (4) - для технологических условий гранулирования и сушки сорбента на основе торфа и гипса: конечная влажность

У1= 0,057-0,005Х1-0,0083Х2-0,011Хз -0,007x4; (5) прочность

У2=0,48+0,0325Х1+0,0725Х2+0,075Хз+0,045Х4; (6) нефтеемкость

Уз= 0,5+0,023Х1+0,01Х2+0,023Хз -0,015x4; (7) усадка

У4= 0,88+0,026х1+0,004хз -0,004x4 (8)

Из сопоставления уравнений (1) - (8) можно сделать вывод о том, что совпадение регрессионных зависимостей (4) и (8) подтверждает одинаковые кинетические особенности усадки гранул сорбентов, приготовленных как с добавкой глины, так и гипса в рассматриваемом диапазоне технологических условий их получения.

Дальнейшие расчетно-экспериментальные исследования предполагали проведение статистической оптимизации с целью нахождения максимальной нефтеемкости гранул сорбента с различным содержанием глины или гипса. Оптимизация осуществлялась методом крутого восхождения Бокса - Уилсона. Значение «шагов» варьирования для переменных определялось по уравнению:

дУ

C

AX =-

8X.

(9)

I

fдг_

8X.

дизельного топлива к исходному весу сорбента до начала испытания.

1

0,6 0,5

к

о 0,4 ч:

о о

го 0,3

т"

0,2 ^

0,1 -

0,0

0

10

20

30 40

Т, мин

50

60

где С = 1, 2, 3...20 - константа, определяющая размеры «шага».

На рис. 4 представлены результаты кинетических исследований нефтеемкости сорбентов, полученных при оптимальных технологических условиях их получения. Нефтеемкость сорбента определялась по стандартной методике (ТУ 21410942238-03-95) в массовых долях, как отношение разности весов сорбента до и после поглощения

Рис. 4. Кинетика нефтеемкости сорбента (а, масс. доля): 1 - с

добавкой глины, 2 - с добавкой гипса Fig. 4. Kinetics of sorbent capacity on oil. (a, mass fraction): 1 -with a clay additive, 2 - no plaster additive

Из рис. 4 следует, что нефтеемкость продукта для одного и того же времени его насыщения, в диапазоне от 20 до 60 мин, на 21 % выше для гранул, приготовленных на основе торфа и глины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гамаюнов Н.И., Косов В.И., Масленников Б.И. Ионообменные процессы и электрокинетические явления в набухающих природных и синтетических ионитах. Тверь: ТГТУ. 1997. 156 е.;

Gamayunov N.I., Kosov V.I., Maslennikov B.I. Ion exchange processes and the electrokinetic phenomena in swelling natural and synthetic ionites. Tver: TGTU. 1997. 156 p. (in Russian).

2. Мисников O.C., Тимофеев A.E. // Торф и бизнес. 2007. № 3. С. 22-27;

Misnikov O.S., Timofeev A.E. // Torf i bizness. 2007. N 3. P. 22-27 (in Russian).

3. Кафаров B.B. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия. 1971. 496 е.;

Kafarov V.V. Metods of cybernetics in chemistry and chemical technology. M: Khimiya. 1971. 496 p. (in Russian).

4. Круглов B.A., Овчинников Л.Н., Сухов Н.И., Кисель-ников В.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1984. Т. 27. Вып. 11. С. 1339-1342;

Kruglov V.A., Ovchinnikov L.N., Sukhov N.I., Kiselnikov V.N. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 1984. V. 27. N 11. P. 1339-1342 (in Russian).

¿=1

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии, кафедра технологии керамики и наноматериалов