CC BY
68
Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №15 УДК 541.18.042.2:678.745
В. Е. Проскурина, Е. С. Шаброва, Э. Д. Фаткуллина, А. П. Рахматуллина
СЕДИМЕНТАЦИЯ СУСПЕНЗИИ БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНЫ
С УЧАСТИЕМ АНИОННЫХ ГИБРИДНЫХ ФЛОКУЛЯНТОВ
Ключевые слова: анионные сополимеры акриламида, полимер-неорганические гибриды, коагуляция, флокуляция, флоккулирующий эффект.
В режиме стесненного оседания изучены процессы коагуляции и флокуляции суспензии бентонитовой глины при дозированном введении анионных гибридных флокулянтов с низкой и высокой молекулярной массой и с различной концентрацией ионогенных звеньев в. Установлена высокая эффективность флокулообразования в дисперсной системе с участием гибрида на основе анионного сополимера акриламида по сравнению с натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) и промышленным полимерным образцом «Аккофлок». Коагулирующие свойства дисперсной системы усилены введением электролита NaCl.
Keywords: anionic acrylamide copolymer, polymer-inorganic hybrids, coagulation, flocculation, flocculating effect.
Coagulation and flocculation processes of bentonite clay suspension by dosing of anionic hybrid flocculants with low and high molecular weight and with different concentration of ionic branches в in the hindered settling mode have been studied. The high efficiency of floc formation in a disperse system with the hybrid based on the anionic acrylamide copolymer in comparison with carboxymethylcellulose sodium salt (Na-CMC) and industrial polymer sample "Accof-loc". Coagulating properties of the disperse system are reinforced by the introduction of NaCl electrolyte.
Введение
Процессы коагуляции и флокуляции применяют для очистки природных и промышленных сточных вод от дисперсных примесей различного характера. Исследования, связанные с использованием наряду с добавками водорастворимых высокомолекулярных соединений новейших типов функциональных материалов на основе органо-неорганических гибридов, актуальны и перспективны в связи с ухудшением экологической обстановки в стране и в мире [1-4]. По сравнению с индивидуальными коагулянтами и флокулянтами гибридные материалы, сочетающие в одном соединении несколько функциональных компонентов, являются подходящей альтернативой их применения в процессах седиментации суспензий и золей. В ряде публикаций [5-7] бентонитовая глина широко используется в качестве реальной дисперсной системы (ДС), что обусловлено ее способностью к самодиспергации в водной среде с образованием элементарных частиц - плейтле-тов, которые являются природными наночастицами. Существенным признаком бентонитовых глин является их высокая гидрофильность [8].
В развитие исследований по изучению закономерностей процессов седиментации в качестве реальной ДС в работе использовали суспензию бентонитовой глины - глинопорошок «Бентокам». С этой целью в режиме стесненного оседания изучены процессы коагуляции и флокуляции суспензии бентонитовой глины при дозированном введении анионных гибридных флокулянтов с низкой и высокой молекулярной массой и с различной концентрацией ионогенных звеньев.
Экспериментальная часть
При рассмотрении особенностей флокуляции в условиях стесненного оседания частиц дисперсной фазы (ДФ) использовали суспензию бентонитовой глины марки "Бентокам" Берёзовского месторождения (Татарстан), (ТУ 39-0147001-105-93), со средним радиусом частиц ДФ Rср = 5,5-Ю-6 м и с плотностью -
2,63-103 кг/м3. Для получения детализованной информации об анализируемой системе на рис. 1 приведена интегральная кривая распределения по размерам частиц ДФ, полученная по данным гранулометрического анализа в режиме свободного (нестесненного) оседания для СдФ = 0,5 %.
Рис. 1 - Интегральная кривая распределения по размерам частиц дисперсной фазы - суспензии бентонитовой глины
В качестве индивидуальных полимерных добавок использовали анионные полимеры, характеристики которых представлены в таблице 1.
Седиментацию суспензии бентонитовой глины (СДФ = 8%) изучали в режиме стесненного оседания по изменению положения подвижной границы раздела между осветленной и неосветленной частями мерного цилиндра объемом 2000 см3. Перед непосредственным проведением экспериментов расчетное количество разбавленных растворов анионных сополимеров АА и гибридных образцов на их основе концентрации 0,1% добавляли в верхний слой надосадочной жидкости и содержимое цилиндра перемешивали десятикратным медленным его опрокидыванием. Затем через определенные промежутки времени фиксировали положение границы раздела между осветленной и неосветленной частями мер-
ного цилиндра и по получентш экспериментальным данным строили кривые седиментации в координатах
Таблица 1 - Основные характеристики анионных флокулянтов
Название флокулянта
Статистический сополимер акри-ламида с акрилатом натрия
татисти-ческий сополимер акри-ламида с акрилатом калия - промышленный
образец «Аккофлок»
Натриевая соль карбок-си- метил-цел- люлозы
Химические формулы повторяющихся звеньев
-{СНгСН^СНгСН^ С0№, 0=0-0'К'
Условные обозначения флоку-лянтов
А1
А2
А3
в, %
мол.
71,2
18
100
х10-
13,5
4,27
0,14
Результаты и их обсуждение
На первом этапе исследований нами был выбран наиболее простой и доступный метод, основанный на смешении водных растворов анионных сополимеров АА и золя Мд(ОН)2 без полимеризации. Синтез осуществлялся по методике, представленной в работе [9]. Было получено 3 гибридных полимер-неорганических системы на основе анионных полимеров (А1, А2, А3) и золя Мд(ОН)2 (ГА1.1, ГА2.1, ГА3.1).
Переход от кривых седиментации к количественному параметру - интегральному флокулирующему эффекту Р - осуществлялся по формуле [10]:
11 с
где ио, щ - средние скорости седиментации суспензии бентонитовой глины соответственно в присутствии анионных сополимеров АА и полимер-неорганических гибридов (концентрации С) и в их отсутствие (для создания идентичных условий при проведении сопоставительных оценок по скоростям седиментации в ДС все последующие расчеты проведены для фиксированных значений Q =0,4).
Установлена высокая эффективность флокулообра-зования с участием полимер-неорганических гибридов на основе анионных сополимеров акриламида (АА) по сравнению с натриевой солью карбоксиметилцеллюло-зы, которая выступает в качестве стабилизатора суспензии. Наибольшие значения параметра D (рис. 2) отмечены для гибридного образца ГА1.1. Этот резуль-
тат связан с высоким значением молекулярной массы у анионного сополимера АА (А1). С ростом концентрации флокулянта флокулирующий эффект О закономерно увеличивается, это обусловлено возрастающей способностью конкретной макромолекулы участвовать в образовании «мостичных» связей, приводящих к формированию флокул и их росту.
61 5(1 40
30 20
" А1 Ш ГА1.1 а)
26,3
11 II II .1
14 12 10
4 3,35 2
0,2 »,5
■ А2 ■ ГА2.1 12,02
10,91
0
I
0,43 0,1
03
0,2 0,14
од
О
-ОД -о, г -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7
■ №17
I. I. I
1 АЗ ■ ГА3.1 в) 0,19
0,19
I I I I I
I ММ
-0,53 ■
-0,59 -0,61 "°'57
с-ю*,"/»
Рис. 2 - Изменение флокулирующего эффекта D от концентрации анионных флокулянтов и гибридов на их основе с Мд(ОН)2 для суспензии бентонитовой глины
При первом режиме (№С1+ГА1.1) введения в табл. 2 солевая добавка способствует возникновению первичных агрегатов из частиц ДФ, последующее введение гибридного образца формирует вторичные структурные элементы - флокулы. При втором режиме (ГА1.1+№С1) введения компонентов условия формирования флокул совершенно иные, что связано, с необратимым характером процесса адсорбции макромолекул полимера на частицах бентонитовой глины. В третьем режиме {№С1+ГА1.1} введения влияние на структуру образующихся флокул оказывает изменение размеров
макромолекулярных клубков у гибридного образца на этапе предварительного введения электролита в раствор. Установлена корреляция между флокулирующей активностью полимерных систем и параметрами стадии уплотнения осадка в водно-солевых средах. По данным таблицы 2 наиболее высокие показатели по плотности осадка и минимальные по константе уплотнения характерны для системы без добавок. Более рыхлая структура осадка суспензии бентонитовой глины отмечена для систем, содержащих добавки коагулянта NaCl и гибридного образца ГА2.1, с образованием объемных флокул, внутри которых частицы ДФ упакованы менее плотно, включая и области значений, соответствующих максимальной степени осветления системы.
Таблица 2 - Влияние режима введения компонентов в бентонитовую глину на параметры Л, Qmax, рос в водно-солевых средах для 1=240-2 N [ГА1.1] = [ГА2.1] =Ы0-4 %
Где Л - флокулирующая активность; Qmax - максимальная степень осветления цилиндра; рос - плотность осадка.
В работе отмечена высокая эффективность флоку-лообразования в дисперсной системе с участием гибрида на основе анионного сополимера акриламида по сравнению с натриевой солью карбоксиметилцеллюло-зы и промышленным полимерным образцом «Аккоф-лок». Показано, что коагулирующие свойства реальной ДС усилены введением электролита №С1. Установлен оптимальный режим седиментации. Максимальные значения флокулирующих активностей и констант уплотнения характерны для первого режима введения
активных компонентов: (NaCl+rA1.1) - вначале вводится электролит NaCl, а затем гибридный образец ГА1.1.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№15-03-01399) и программы «У.М.Н.И.К.».
Литература
1. Lee, K. E. Comparative study on the effectiveness of hy-drophobically modified cationic polyacrylamide groups in the flocculation of kaolin / K. E. Lee, N. Morad, B. T. Poh, T. T. Teng // Desalination. - 2011. - V.270. - N.1-3. - P. 206-213.
2. Mittal, H. Flocculation and adsorption properties of biodegradable gum-ghatti-grafted poly (acrylamide-co-methacrylic acid) hydrogels / H. Mittal et al. //Carbohydrate polymers. - 2015. - Т. 115. - С. 617-628.
3. Roselet, F. Screening of commercial natural and synthetic cationic polymers for flocculation of freshwater and marine microalgae and effects of molecular weight and charge density / F. Roselet et al. //Algal Research. - 2015. - Т. 10. - С. 183-188.
4. Vandamme, D. Reversible flocculation of microalgae using magnesium hydroxide / D. Vandamme et al. //BioEnergy Research. - 2015. - Т. 8. - №. 2. - С. 716-725.
5. Lau, Y. Y. Degradation of cationic and anionic dyes in coagulation-flocculation process using bi-functionalized silica hybrid with aluminum-ferric as auxiliary agent / Y. Y. Lau et al. //RSC Advances. - 2015. - Т. 5. - №. 43. - С. 34206-34215.
6. Wei, Y. Characterization and coagulation-flocculation behavior of an inorganic polymer coagulant-poly-ferric-zinc-sulfate / Y. Wei et al. //Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. - 2016. - Т. 58. - С. 351-356.
7. Проскурина, В.Е. Флокуляционный способ очистки маслосодержащих систем полимер-неорганическими гибридами / В.Е. Проскурина [и др.] // Вестник технологического университета, Казань, 2016. - Т.19. № 14. -С. 5-9.
8. Nanko, M. Definitions and categories of hybrid materials / M. Nanko // The AZo Journal of Materials Online. - 2009. -V.6. - P. 1-8.
9. Проскурина, В.Е. Флокуляция концентрированной суспензии TiO2 полимер-неорганическими гибридами / В.Е. Проскурина [и др.] // Вестник технологического университета. 2015. - Т.18. №11. - С.21-25.
10. Проскурина, В.Е. Современные проблемы теории и практики процессов флокуляции с участием полимер-неорганических гибридов: монография / В.Е. Проскурина, Ю.Г. Галяметдинов. Казань: Изд-во КНИТУ, 2015. -112 с.
№ п/п Режим ввода компонентов Л-10-3, м3/кг Qmax Рос10-3, кг/м3
1 бентонитовая глина --- 0,828 1,144
2 (NaCl+rA1.1) 7,197 0,712 1,086
3 (TAU+NaCl) 8,09 0,68 1,077
4 {NaCl+ГАЫ} 5,944 0,696 1,082
5 (NaCl+rA2.1) 16,24 0,748 1,098
6 (ГА2.1+NaCl) 21,73 0,732 1,092
7 {NaCl+rA2.1} 17,52 0,736 1,094
© В. Е. Проскурина - доц. каф. физической и коллоидной химии КНИТУ, v_proskurina@mail.ru; Е. С. Шаброва - магистрант той же кафедры, shabrova.93@mail.ru; Э. Д. Фаткуллина - магистрант той же кафедры, elmira-nw@mail.ru; А. П. Рахматул-лина - д-р. тех. наук, проф. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ, rah-al@yandex.ru.
© V. E. Proskurina - Dr, docent at the Department of Physical and Colloid Chemistry KNRTU, v_proskurina@mail.ru; E. S. Sha-brova - student at the Physical and Colloid Chemistry Department KNRTU, shabrova.93@mail.ru; E. D. Fatkhulina - student at the Physical and Colloid Chemistry Department KNRTU, elmira-nw@mail.ru; A. P. Rakhmatiillina - Dr., Professor at the Department of Synthetic Rubber Technology, rah-al@yandex.ru.
