CC BY
59
Разрушение двойного электрического слоя частиц азопигмента
О.В. Орехов, А.И. Леонтьева, Д.Н. Труфанов
ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов
В производстве азопигментов процессы диазотирования и азосочетания параллельно с целевым веществом образуют соли натрия, калия и кальция. Для обеспечения требуемой кислотности среды в реакционную массу вводят кислоты или щелочи [1]. Кислоты с образовавшимися солями в жидкой фазе реакционной массы диссоциируют на ионы [2], наиболее распространенными среди них являются положительно заряженные ионы: водород, натрий, калий, кальций, отрицательно заряженные ионы - хлор, сульфатная группа. При образовании твердых частиц целевого вещества ионы формируют вокруг них координационный слой, состоящий из отрицательно заряженный ионов сорбированных на поверхности частиц органического вещества (потенциалообразующий слой) и расположенных на незначительном расстоянии положительно заряженных ионов (слой противоионов), ионы несорбированные на поверхности частиц твердой фазы образуют диффузионный слой в объеме жидкой фазы, то есть формируется двойной электрический слой [3,4] рис.1.
Рисунок 1 Модель двойного электрического слоя для частиц органического вещества; 1- частицы органического вещества; 2 - отрицательно заряженные ионы; 3 - положительно заряженные ионы; 4 - потенциалопределяющая область; 5 - область расположения проитивоинонов; 6 - диффузионная область.
При удалении примесей (ионов солей и кислот) отмывкой сформировавшегося осадка на фильтрующей перегородке или многократной декантацией суспензии с последующей репульпацией, выводятся ионы из диффузионного слоя и часть ионов из потенциалообразующего слоя величина энергии связи которых с твердыми частицами органического вещества незначительна. То есть, достичь полного удаления водорастворимых примесей (ионов солей и кислот) из суспензий азопигментов используя традиционные методы очистки невозможно.
Для полного удаления водорастворимых примесей из суспензий азопигментов, необходимо в жидкой среде суспензии сформировать условие обеспечивающее разрушение связи ионов находящихся в потенциалообразующем слое частиц органического вещества. Для разрушения связи ион- частица органического вещества, было предложено по окончании процесса удаления ионов из диффузионного слоя в жидкую фазу вводить нанометаллы формирующие активные центры координирующие вокруг себя ионы содержащиеся в двойном электическом слое, при чем энергия связи наночастица металла - ион выше чем энергия связи частицы органического вещества с ионами. В качестве металлов в наноструктурированной форме использовали алюминий, никель платина с размером частиц 15-50 нм.
Рисунок 2 Модель разрушения двойного электрического слоя частиц органического вещества за счет перехода ДЭС ионов водорастворимых примесей на поверхность наночастиц; 1 - частицы органического вещества; 2 - потенциалопределяющая область; 3 - область расположения противоионов; 4 - отрицательно заряженные ионы; 5 - положительно заряженные ионы 6 - направление миграции положительно заряженных ионов; 7 -наночастица с ДЭС; 8 - направление миграции отрицательно заряженных ионов; 9 -наночастица.
Предлагаемый способ отмывки тонкодисперсных частиц органических веществ заключается в многократной декантации-репульпации суспензии азопигмента. Первую и вторую репульпации проводили с использованием в качестве промывной жидкости - воды артезианской объемом равным объему жидкой фазы содержащейся в сгущенной суспензии полученной при отстаивании суспензии азопигмента. Температура промывной жидкости 30 °С так как более высокая температура ведет к повышению растворимости и смачиваемости азопигмента, и как следствие к увеличению потери целевого вещества.
Третью репульпацию осуществляли следующим образом: в сгущенную суспензию вводили промывную жидкость - артезианская вода содержащая наноматериалы - сорбенты ионов водорастворимых примесей в таком же объеме как и при первых двух репульпациях при температуре 30 °С. Металлы в наноструктурированной форме на своей поверхности из ионов водорастворимых примесей, формируют двойной электрический (рисунок 2). Перераспределение ионов осуществляется при перемешивании суспензии в течении 5-30 мин.
Для удаления мицелл, представляющих собой частицы наноматериалов с сорбированными на их поверхности ионами водорастворимых примесей, при формировании органического слоя над водным слоем, в суспензию вводят коагулянты, обеспечивающие осаждение мицелл в процессе декантации. В случае осаждения органического слоя, удаление частиц наноматериалов возможно фильтрованием суспензии с последующей промывкой на фильтровальной перегородке или проведение четвертого цикла декантации-репульпации.
В качестве нанометаллов, использовались, порошки наночастиц алюминия с размером частиц 15-50 нм, платины с размером частиц 15-50 нм, железа с размером частиц 15-50 нм, никеля с размером частиц 15-50 нм. В качестве коагулянта может быть применен полиоксихлорид алюминия РАС (PAX-PS), титановый коагулянт (ТУ 262212-001-455270702001), гидроксохлорид алюминия (ТУ 6-00-05795731-250-96), сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85).
Способ удаления водорастворимых примесей многократной декантацией-репульпацией был реализован при очитки суспензий Пигментов оранжевого Ж и красного БОЯ (рисунок 3),
НзС-С -С-М=М У-І '\-N=N-0 -С -СНз
II II \ / \_____/ И И
N С-ОН )-' '-( НО- С N
\ / С1 С1 \ /
N N
а
Рисунок 3 Структура азопигмента: а - оранжевого Ж; б - красного БОЯ,
В качестве водорастворимых примесей при синтезе пигмента оранжевого Ж образуются соли КаС1, Ка2Б04, а так же в суспензии азопигмента присутствует НС1, И2804, получение пигмента красного БОЯ сопровождается образованием солей КаС1, Ка2Б04, в
качестве кислоты суспензия содержит НС1. Состав ионов содержащихся в жидкой фазе этих
+ + 2
азопигментов одинаков и состоит из Н , Ка , С1", Б04 ". Согласно теории формирования ДЭС вокруг частицы органических веществ [5] формируется потенциалоопледеляющий слой за счет отрицательно заряженных ионов, а слой противоионов соответственно из положительно
заряженных. На основании анализа величин энергии связи ионов хлора и сульфатной группы с частицами Пигмента оранжевого Ж и красного FGR рассчитанных при помощи пакета программ Firetly, наиболее вероятным будет формирование потенциалоопледеляющего слоя ионами хлора, а слоя противоионов ионами натрия. Иноны сульфагруппы и водорода будут в основном размещены в диффузионном слое.
При максимальном удалении ионов водорастворимых примесей из диффузионного слоя в суспензию вводятся наночастицы никеля и алюминия размером 15-50 нм., согласно выполненному расчету энергия связи ион - наночастица металла на 18-47% выше чем энергия связи ион - частица азопигмента (таблица 1).
Таблица 1. Значения энергии связи рассчитанные с помощью программы Firetly
№ Наименование связи Ед. изм. Значение
1 Пигмент оранжевый Ж-ион хлора кДж/моль 156
2 Пигмент оранжевый Ж- сульфат ион кДж/моль 47
3 Пигмент красный FGR- ион хлора кДж/моль 118
4 Пигмент красный FGR- сульфат ион кДж/моль 34
5 Наночастица никеля - ион натрия кДж/моль 196
6 Наночастица никеля- ион водорода кДж/моль 98
7 Наночастица алюминия - ион натрия кДж/моль 171
8 Наночастица алюминия - ион водорода кДж/моль 71
9 Наночастица железа - ион натрия кДж/моль 192
10 Наночастица железа - ион водорода кДж/моль 91
11 Наночастица платины - ион натрия кДж/моль 224
12 Наночастица платины - ион водорода кДж/моль 124
Реализация вышеизложенного способа удаления водорастворимых примесей из суспензий азопгименов оранжевого Ж и красного FGR с использованием в качестве промывной жидкости на третьем цикле репульрации-декантации артезианской воды содержащей наночастицы железа, никеля или платины с концентрацией 5х10"3 кг/м3 позволила получить следующие результаты эффективности удаления примесей с поверхности частиц органического вещества (таблица 2).
Таблица 2. Эффективность удаления водорастворимых примесей
Наночастицы используемые при репульпации Общее количество промывных вод, 3 м Характеристики отмытой сгущенной суспензии
Концентрация водорастворимых примесей в жидкой фазе, кг/м3 Концентрация водорастворимых примесей сорбированных на твердой фазе, кг/м3
Пигмент оранжевый Ж
Без наноматериала* 66 0,35 0,18
Железо 44 0,21 0,10
Никель 44 0,22 0,10
Платина 44 0,21 0,09
Пигмент оранжевый FGR
Без наноматериала* 70 0,30 0,17
Железо 40 0,28 0,09
Никель 40 0,29 0,10
Платина 40 0,27 0,07
*- процесс многократной репульпации-декантации осуществлялся до достижения требуемой концентрации водорастворимых примесей в пасте азопигментов с использованием на каждом цикле объема воды равного объему сгущенной суспензии, (количество циклов для Пигмента оранжевого Ж - 6, для Пигмента красного FGR - 7).
На основании полученных данных (таблица 2), можно сделать следующие выводы:
1.Использование при отмывке тонкодисперсных органических продуктов многократной репульпации-декантации водами содержащими наночастицы металлов позволяет снизить количество промывных вод на 40-43%, при одновременном повышении характеристик качества (колористическая концентрация) на 20-40%.
2. Максимальная эффективность процесса разрушения ДЭС у частиц азопигмента обеспечивается наночастицами платины, а так же наночастицами железа или никеля.
Список литературы
1.Степанов, Б. И. Введение в химию и технологию органических красителей / Б. И. Степанов. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
2.Захарченко В.Н. Коллоидная химия. - 2-е изд., перераб. - М.: Высшая школа. 1989г. - 237с.
3.Салем Р.Р. Теория двойного электрического слоя. - М.: Физматлит, 2003. - 104с.
4. Статья Маши
5.Мягченков В.А. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: КолосС. 2007. - 187 с.
