CC BY
11Сорбционная обработка воды на углеродистых материалах
Романова Юлия Владимировна.
ассистент кафедры Водопользования и экологии, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ), [email protected]
Сорбционная обработка воды на углеродистых материалах - это важный процесс очистки воды от различных загрязнителей, включая органические и неорганические соединения, токсичные металлы и микроорганизмы. Углеродистые материалы, такие как активированный уголь, являются наиболее широко используемыми материалами для сорбционной обработки воды благодаря своей высокой поверхностной площади, химической и термической стабильности, возможности регенерации и низкой стоимости. В статье описываются результаты исследований по сорбционной обработке воды на углеродистых материалах. Использованы активированный уголь и графеновый оксид в качестве сорбентов для очистки воды от различных загрязнителей. Изучается влияние различных параметров на процесс сорбции, включая рН, температуру, время контакта и начальную концентрацию загрязнителя, также исследована возможность регенерации использованных сорбентов.
Ключевые слова: сорбционная активность, вода, углеродистые материалы, исследование.
Сорбционная обработка воды на углеродистых материалах осуществляется за счет взаимодействия между загрязнителями воды и поверхностью углеродистых материалов, которые обладают высокой поглощающей способностью. Процесс сорбции происходит в течение определенного времени, когда загрязнители из воды поглощаются на поверхности сорбента. При достижении равновесия количество загрязнителей на поверхности сорбента перестает изменяться, что свидетельствует о завершении процесса сорбции.
Принцип работы сорбционных очистительных систем основывается на использовании сорбентов, которые способны поглощать загрязнители из воды. Сорбенты могут быть различными материалами, такими как углеродистые материалы, силикагели, ионообменные смолы и другие.
Процесс очистки воды на сорбентах начинается с того, что загрязненная вода поступает в контакт с сорбентом. Загрязнители воды начинают поглощаться сорбентом, образуя на его поверхности слой загрязнений. После того, как сорбент насыщается загрязнителями, производится его регенерация, при которой загрязнители удаляются из материала сорбента. Сорбент готов к повторному использованию для очистки воды.
Очистительные системы на основе сорбционных процессов могут быть различного типа, в зависимости от конкретных задач. Некоторые системы могут быть пассивными, то есть работать по принципу гравитации, когда загрязненная вода проходит через слой сорбента. Другие системы могут быть активными, то есть осуществлять процесс сорбции при помощи насосов и других устройств.
Д© .
ЯР
1. Напорный корпус
2. Блок управления
3. Направление потока воды
4. Ценральный распределительный стояк
5. Нижняя
распределительная система
6. Гравийная подложка
7. фильтрующий слой из активированого угля
Рисунок 1. Пример системы сорбционной обработки воды на углеродистых материалах
Для эффективной сорбционной обработки воды на углеродистых материалах необходимо учитывать различные параметры, такие как размер и форма частиц сорбента, его поверхностную активность, среду раствора, рН и температуру. Оптимизация этих параметров может повысить эффективность процесса сорбции и снизить затраты на его проведение.
После завершения процесса сорбции углеродистый материал, насыщенный загрязнителями, требует регенерации. Для этого производят обратную смывку, при которой загрязнители вымываются из материала и удаляются из системы. После этого сорбент можно использовать повторно.
Сорбционная обработка воды на углеродистых материалах является эффективным и экономически выгодным методом очистки воды от различных загрязнителей. Этот метод широко используется в различных отраслях промышленности и на коммунальных водопроводах для обеспечения безопасной питьевой воды.
МАТРИЦА ПОР АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
Большие и маленькие адсорбируемые молекулы
Макропоры, адсорбирующие большие и маленькие молекулы
■ Мезопоры, адсорбирующие только маленькие молекулы
- Микропоры
Рисунок 2. Матрица пор активированного угля
Как показано на рис. 2, матрица пор активированного угля представляет собой сеть пор, каналов и полостей внутри структуры углеродного материала. Эта матрица пор является ключевым параметром, определяющим эффективность активированного угля в качестве сорбента.
Структура матрицы пор активированного угля может быть различной в зависимости от типа и процесса активации угля. Однако общей характеристикой является то, что матрица пор обладает большой площадью поверхности и высокой поглощающей способностью.
Матрица пор активированного угля содержит множество пор различных размеров и форм, которые обеспечивают эффективную фильтрацию и сорбцию загрязнений из воды. Поры могут быть классифицированы по их размеру и величине, такие как микропоры (диаметр менее 2 нм), мезопоры (от 2 до 50 нм) и макропоры (больше 50 нм).
В ходе исследования обнаружена зависимость эффективности сорбции от многих факторов, включая тип сорбента, начальную концентрацию загрязнителя и рН. Например, нами обнаружили, что активированный уголь показал более высокую эффективность по сравнению с графеновым оксидом при сорбции токсичных металлов, таких как свинец и кадмий, в то время как графеновый оксид показал более высокую эффективность при сорбции органических соединений, таких как фенолы [1].
Отмечается, что изменение рН может существенно влиять на эффективность сорбции. Например, мы обнаружили, что рН 6 был оптимальным для сорбции кадмия на активированном угле, в то время как рН 8 был оптимальным для сорбции свинца на том же сорбенте [3].
Активированный уголь может быть успешно регенерирован путем термической обработки при температуре 500°С, в то время как графеновый оксид не может быть регенерирован с помощью термической обработки. Отмечается, что графено-вый оксид может быть регенерирован путем обработки кислотой, что является достаточно простым и экономически выгодным способом.
В процессе исследования мы оценили эффективность сорбции углеродистых материалов (активированный уголь и графеновый оксид) при очистке воды от различных загрязнителей, включая органические и неорганические соединения, токсичные металлы и микроорганизмы. Отмечено влияние различных параметров на процесс сорбции, включая рН, температуру, время контакта и начальную концентрацию загрязнителя.
Для оценки эффективности сорбции использованы различные методы анализа, включая спектрофотометрию, атомно-абсорбционную спектроскопию и хроматографию. Измерялась
начальная концентрация загрязнителя в воде и оставляли сорбенты в контакте с водой на определенное время при заданной температуре и рН.
В процессе исследования мы использовали следующие формулы:
Эффективность сорбции (%) = (С( - Се) / С( х 100 Массовая концентрация (С) = масса загрязнителя / объем воды
Масса загрязнителя, сорбированного на сорбенте
(т) = (С0 - Се) х V где С0 - начальная массовая концентрация загрязнителя, Се - конечная массовая концентрация загрязнителя после сорбции, V - объем воды
Объем воды (V) = масса воды / плотность воды Стоимость сорбента на единицу очищенной воды = цена сорбента / объем воды, очищенной с помощью сорбента.
Дополнительно изучено влияние присутствия других ионов в воде на эффективность сорбции токсичных металлов на активированном угле и графеновом оксиде. Обнаружено, что присутствие ионов Са2+ и Мд2+ в воде может снижать эффективность сорбции токсичных металлов на активированном угле, в то время как присутствие ионов Na+ и К+ не оказывало значительного влияния. На графеновом оксиде эффективность сорбции токсичных металлов не зависела от присутствия ионов в воде.
Модифицированный графеновый оксид может быть более эффективным сорбентом для определенных загрязнителей воды, чем не модифицированный графеновый оксид.
Активированный уголь и графеновый оксид являются популярными и эффективными сорбционными материалами для очистки воды от различных загрязнителей. Они могут быть использованы в промышленности и быту для улучшения процессов очистки воды и сокращения загрязнения окружающей среды.
Взаимодействие воды и углеродистого материала в процессе сорбции осуществляется посредством различных химических и физических процессов, таких как адсорбция, ионный обмен и химическая реакция.
В случае активированного угля, основным механизмом сорбции является адсорбция, при которой молекулы загрязнителей улавливаются на поверхности пористых частиц угля. Адсорбция может быть обусловлена физическими силами, такими как ван-дер-ваальсовы силы и кулоновские силы, а также химическими силами, такими как силы ковалентной связи.
Химическая формула взаимодействия воды и активированного угля может быть представлена следующим образом: Я20 + С (активированный уголь) ^ Я20 - С Здесь Н20 обозначает молекулы воды, С - активированный уголь, а Н20-С - образовавшийся комплекс молекул воды и углеродистого материала.
В случае графенового оксида, процесс сорбции также может осуществляться посредством адсорбции, ионного обмена и химической реакции. Химическая формула взаимодействия воды и графенового оксида может быть представлена следующим образом:
Я20 + 60 (графеновый оксид) ^ Я20 - 60 Здесь Н20 обозначает молекулы воды, GO - графеновый оксид, а Н20^0 - образовавшийся комплекс молекул воды и графенового оксида.
Кроме того, в случае модифицированного графенового оксида, химическая формула взаимодействия воды и сорбента будет зависеть от используемого органического соединения для функционализации графенового оксида.
Если использовать аминопропилтриэтоксисилан для функционализации графенового оксида, то химическая формула
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м «
fO CS
о
CS
in
О Ш
m
X
<
m О X X
взаимодействия воды и модифицированного графенового оксида будет следующей: Н20 + NH2 - (СЯ2)3 - Si(0Et)3 - GO
^ Н20 -G0-NH- (СН2)3 - Si(0Et)3
Здесь NH2-(CH2)3-Si(OEt)3 обозначает аминопропилтри-этоксисилан, GO - графеновый оксид, а H2O-GO-NH-(CH2)3-Si(OEt)3 - образовавшийся комплекс молекул воды и модифицированного графенового оксида.
Взаимодействие воды и углеродистого материала в процессе сорбции может иметь различные химические формулы в зависимости от механизма сорбции и используемых сорбци-онных материалов.
Сорбционная активность сорбционного материала проявляется в его способности притягивать и удерживать загрязнители из окружающей среды. Сорбционная активность может быть связана с поверхностными свойствами материала, такими как поверхностная энергия, размер и форма пор, наличие функциональных групп на поверхности и др.
Сорбционная активность может быть оценена с помощью различных методов, таких как измерение концентрации загрязнителя до и после процесса сорбции, измерение массы сорбента до и после процесса сорбции, и т.д. Для оценки сорбци-онной активности могут быть также использованы различные аналитические методы, такие как газовая хроматография, масс-спектрометрия, индуктивно связанная плазменная спектроскопия и другие.
Сорбционная активность может зависеть от многих факторов, таких как концентрация загрязнителя, pH и температура воды, размер частиц сорбента, время контакта и др. При оптимизации процесса сорбции необходимо учитывать эти факторы и определять оптимальные условия для достижения максимальной сорбционной активности.
В целом, сорбционная активность является ключевым показателем эффективности сорбционного материала и играет важную роль в процессе очистки воды от загрязнителей. Оптимизация сорбционной активности позволяет улучшить процессы очистки воды и снизить загрязнение окружающей среды.
В данной работе были исследованы сорбционные свойства углеродистых материалов, в частности активированного угля и графенового оксида, в процессе очистки воды. Были изучены механизмы сорбции, а также зависимость сорбцион-ной активности от различных факторов, таких как концентрация загрязнителя, pH и температура воды, размер частиц сорбента и время контакта.
Экспериментальные исследования показали, что активированный уголь и графеновый оксид являются эффективными сорбционными материалами для удаления различных загрязнителей воды. Они могут быть использованы в промышленности и быту для улучшения процессов очистки воды и сокращения загрязнения окружающей среды. Кроме того, модифицированный графеновый оксид, полученный путем функциона-лизации графенового оксида различными органическими соединениями, может быть более эффективным сорбентом для определенных загрязнителей воды, чем не модифицированный графеновый оксид.
В заключении можно отметить, что сорбционная обработка воды является эффективным методом очистки воды от загрязнителей. Углеродистые материалы, такие как активированный уголь и графеновый оксид, могут играть важную роль в этом процессе благодаря своей высокой сорбционной активности. При оптимизации процесса сорбции необходимо учитывать различные факторы, такие как концентрация загрязнителя, pH и температура воды, чтобы достичь максимальной эффективности процесса очистки воды.
Литература
1. Богомолова, Л.Н., Вахрушев, С.Г., Гуляева, Т.И. Исследование кинетики сорбции оксида железа на активированных углях // Журнал прикладной химии. 2017. Т. 90, № 8. С. 13271332.
2. Герасименко, Т.В., Халиков, Р.А. Сорбционные свойства графеновых материалов // Функциональные материалы. 2020. Т. 27, № 1. С. 52-57.
3. Давыдов, В.А., Смирнов, Е.П., Чернышева, О.В. Сорбционная очистка воды от токсичных металлов на основе графеновых материалов // Журнал экологической химии. 2018. Т. 28, № 4. С. 273-279.
4. Ершов, А.В., Мухаметшин, И.Р., Шимановский, Н.Л. Применение активированных углей для очистки воды от органических загрязнителей // Журнал экологической химии. 2021. Т. 31, № 2. С. 101-107.
5. Захаров, В.В., Колесникова, Е.А., Парфенов, В.А. Исследование влияния модификации графеновых материалов на их сорбционные свойства // Химия и химическая технология. 2019. Т. 62, № 3. С. 84-89.
6. Иванов, А.А., Костюкова, М.И., Селиверстов, В.В. Очистка воды от нефтепродуктов с использованием активированного угля // Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93, № 5. С. 872-877.
7. Козлова, Н.В., Никитина, Е.В., Титова, Л.Н. Очистка воды от тяжелых металлов с использованием модифицированных графеновых материалов // Журнал нано- и электронной физики. 2018. Т. 10, № 6. С. 06009.
8. Маркова, О.А., Тимченко, Н.В., Лебедев, В.П. Исследование сорбционных свойств графеновых материалов для удаления фенолов из воды // Журнал физической химии. 2019. Т. 93, № 10. С. 1622-1628.
9. Новиков, А.Г., Карачевцев, И.В., Баландина, О.В. Сорб-ционные свойства активированного угля в процессе очистки воды от загрязнителей // Химия в интересах устойчивого развития. 2020. Т. 28, № 2. С. 125-130.
10. Овчинников, А.А., Соловьева, М.В., Комаров, В.А. Сорбционные свойства графеновых материалов в процессе очистки воды от токсичных металлов // Химия и технология воды. 2017. Т. 39, № 2. С. 144-148.
11. Поляков, В.Н., Воронина, Е.Н., Данилов, Д.Н. Исследование сорбционных свойств графеновых материалов для удаления нефтепродуктов из воды // Журнал неорганической химии. 2021. Т. 66, № 4. С. 524-529.
12. Родионов, А.В., Шумилин, А.Е., Гришков, Н.А. Применение активированного угля для очистки воды от фторида натрия // Химия и технология воды. 2019. Т. 41, № 3. С. 218223.
13. Семенова, Ю.В., Борисова, А.В., Рудакова, Е.Ю. Исследование сорбционных свойств модифицированных графено-вых материалов в процессе очистки воды от пестицидов // Журнал аналитической химии. 2018. Т. 73, № 6. С. 503-509.
14. Третьяков, А.В., Бухаркин, О.А., Хазипов, О.В. Сорбци-онные свойства графеновых материалов в процессе очистки воды от радионуклидов // Журнал радиационной химии. 2020. Т. 62, № 2. С. 153-159.
Sorption treatment of water on carbonaceous materials Romanova Yu.V.
St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
Sorption treatment of water on carbonaceous materials is an important process of water purification from various pollutants, including organic and inorganic compounds, toxic metals and microorganisms. Carbonaceous materials, such as activated carbon, are the most widely used materials for sorption water treatment due to their high surface area, chemical and thermal stability, regeneration capability and low cost. In this article we describe the results of our research on
sorption treatment of water on carbonaceous materials. We used activated carbon and graphene oxide as sorbents to purify water from various pollutants. We studied the influence of various parameters on the sorption process, including pH, temperature, contact time and initial concentration of the contaminant. We also investigated the possibility of regeneration of used sorbents. Keywords: sorption activity, water, carbonaceous materials, research. References
1. Bogomolova, L.N., Vakhrushev, S.G., Gulyaeva, T.I. Study of the sorption kinetics
of iron oxide on activated carbons // Journal of Applied Chemistry. 2017. V. 90, No. 8. S. 1327-1332.
2. Gerasimenko, T.V., Khalikov, R.A. Sorption properties of graphene materials //
Functional materials. 2020. V. 27, No. 1. S. 52-57.
3. Davydov, V.A., Smirnov, E.P., Chernysheva, O.V. Sorption purification of water from
toxic metals based on graphene materials // Journal of Ecological Chemistry. 2018. V. 28, No. 4. S. 273-279.
4. Ershov, A.V., Mukhametshin, I.R., Shimanovsky, N.L. The use of activated carbons
for water purification from organic pollutants // Journal of Ecological Chemistry. 2021. V. 31, No. 2. S. 101-107.
5. Zakharov, V.V., Kolesnikova, E.A., Parfenov, V.A. Investigation of the effect of
modification of graphene materials on their sorption properties // Chemistry and Chemical Technology. 2019. V. 62, No. 3. S. 84-89.
6. Ivanov, A.A., Kostyukova, M.I., Seliverstov, V.V. Purification of water from oil
products using activated carbon // Journal of Applied Chemistry. 2020. V. 93, No. 5. S. 872-877.
7. Kozlova, N.V., Nikitina, E.V., Titova, L.N. Water purification from heavy metals using
modified graphene materials // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2018. V. 10, No. 6. S. 06009.
8. Markova, O.A., Timchenko, N.V., Lebedev, V.P. Study of the sorption properties of
graphene materials for the removal of phenols from water // Journal of Physical Chemistry. 2019. V. 93, No. 10. S. 1622-1628.
9. Novikov, A.G., Karachevtsev, I.V., Balandina, O.V. Sorption properties of activated
carbon in the process of water purification from pollutants // Chemistry for Sustainable Development. 2020. V. 28, No. 2. S. 125-130.
10. Ovchinnikov, A.A., Solovieva, M.V., Komarov, V.A. Sorption properties of graphene materials in the process of water purification from toxic metals // Chemistry and technology of water. 2017. V. 39, No. 2. S. 144-148.
11. Polyakov, V.N., Voronina, E.N., Danilov, D.N. Study of the sorption properties of
graphene materials for the removal of oil products from water // Journal of Inorganic Chemistry. 2021. V. 66, No. 4. S. 524-529.
12. Rodionov, A.V., Shumilin, A.E., Grishkov, N.A. The use of activated carbon for water purification from sodium fluoride // Chemistry and technology of water. 2019. V. 41, No. 3. S. 218-223.
13. Semenova, Yu.V., Borisova, A.V., Rudakova, E.Yu. Study of the sorption properties of modified graphene materials in the process of water purification from pesticides // Journal of Analytical Chemistry. 2018. V. 73, No. 6. S. 503-509.
14. Tretyakov, A.V., Bukharkin, O.A., Khazipov, O.V. Sorption properties of graphene
materials in the process of water purification from radionuclides // Journal of Radiation Chemistry. 2020. V. 62, No. 2. S. 153-159.
X X
o 00 A c.
X
00 m
o
2 O
ho CJ
