Сорбция ионов железа(II) углеродными сорбентами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 628.162.1

СОРБЦИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА(11) УГЛЕРОДНЫМИ СОРБЕНТАМИ

О.И.Помазкина1, Е.Г. Филатова2, В.И.Дударев3, О.В.Дударева4

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Изучена поглощающая способность углеродных сорбентов марки ИПИ-Т по отношению к катионам железа (II). Получены изотермы адсорбции в статических условиях при температуре 298 К и рН=4. Изотерма адсорбции удовлетворительно описывается уравнением Ленгмюра. Сорбционная емкость составляет 10 ммоль/г. Изучена кинетика процесса и определены термодинамические параметры сорбции. Сорбционный метод очистки с применением сорбентов марки ИПИ-Т может быть экономически оправдан и полученные материалы перспективны для селективного извлечения ионов железа (II) из производственных стоков. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: углеродные сорбенты; поглощающая способность; термодинамические параметры; ионы железа.

SORPTION OF IRON (II) IONS BY CARBONIC SORBENTS O.I. Pomazkina, E.G. Filatova, V.I. Dudarev, O.V. Dudareva

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The authors studied the absorption capacity of carbonic sorbents of the mark ИПИ-Т with respect to the cations of iron (II). They received the adsorption isotherms under the static conditions at the temperature of 298 K and pH = 4. The adsorption isotherm is satisfactorily described by Langmuir's equation. Sorption capacity is 10 mmol /g. The authors examined the kinetics of the process and determined the thermodynamic parameters of sorption. The sorption purification method with the application of sorbents of the mark ИПИ-Т can be economically feasible and the obtained materials are promising for the selective extraction of iron (II) ions from industrial effluents. 5 figures. 1 table. 2 sources.

Key words: carbonic sorbents; absorption capacity; thermodynamic parameters; ions of iron.

Железо содержится в сточных водах химических, металлургических, машиностроительных, металлообрабатывающих, нефтехимических, текстильных, химико-фармацевтических и других производств. При содержании железа более 1 мг/л вода приобретает бурый цвет. Для удаления железа из сточных вод применяют аэрацию, реагентные методы, электродиализ, обратный осмос и адсорбцию [1].

В работе исследована поглощающая способность углеродных сорбентов марки ИПИ- Т по отношению к ионам железа (II). Сорбенты получены на основе кар-бонизованных полимерных материалов, устойчивы к агрессивным средам, имеют развитую удельную поверхность и недороги по ценовым показателям.

Экспериментальная часть. Изучение адсорбционной способности сорбента по отношению к ионам железа (II) проводили с помощью изотерм и кинетических кривых адсорбции. В работе использованы методы переменных навесок и концентраций, объемов, а

также их комбинации. Адсорбцию из растворов выполняли в статических условиях. Кинетическими опытами в статических условиях определяли время установления равновесия в системе углеродный адсорбент - раствор соли металла. Метод изучения адсорбции из растворов сводится к определению концентрации исходного раствора, встряхиванию навески адсорбента с раствором в течение времени, требуемого для установления адсорбционного равновесия, и определению концентрации вещества, оставшегося неадсорбированным. Тогда статическая адсорбционная емкость адсорбента (А, мг/г) вычисляется по формуле

А = Ъи^к.-к, (1)

т

где Си и Ск - исходная и конечная концентрации металла в растворе, мг/л; V - объем раствора, л; m -навеска адсорбента, г.

1Помазкина Ольга Ивановна, аспирант кафедры химии, тел.: (3952) 405178, e-mail: olga_pomazkina@mail.ru Pomazkina Olga, Postgraduate Student of the Department of Chemistry, tel.: (3952) 405178, e-mail: olga_pomazkina@mail.ru

2Филатова Елена Геннадьевна, доцент кафедры химии, кандидат технических наук, тел.: (3952) 405178, e-mail: efila@list.ru Filatova Elena, Associate Professor of the Department of Chemistry, Candidate of technical sciences, tel.: (3952) 405178, e-mail: efila@list.ru

3Дударев Владимир Иванович, профессор кафедры общеобразовательных дисциплин заочно-вечернего факультета, доктор технических наук, тел.: (3952) 405178, e-mail: vdudarev@mail.ru

Dudarev Vladimir, Professor of the Department of Disciplines of General Education of the Part-Time Evening-Correspondent Faculty, Doctor of technical sciences, tel.: (3952) 405178, e-mail: vdudarev@mail.ru

4Дударева Оксана Витальевна, доцент кафедры информатики, кандидат геолого-минералогических наук, тел.: (3952) 405178, e-mail: ovdudareva@mail.ru

Dudareva Oksana, Associate Professor of the Department of Computer Science, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, tel.: (3952) 405178, e-mail: ovdudareva@mail.ru

В качестве адсорбтивов использовали модельные водные растворы соли Ре804-7Н20 квалификации «хч». Концентрации катионов железа (II) контролировали стандартным перманганатометрическим методом количественного анализа [2]. Использованные в работе углеродные адсорбенты марки ИПИ-Т представляют собой черные гранулы неправильной формы со средним размером частиц от 2 до 5 мм и имеют технические характеристики, представленные в табл. 1. Установлено, что на сорбцию оказывает заметное влияние кислотность среды. Опыты по определению оптимального значения рН проводили в статических условиях. Навески адсорбента массой 0,2, 0,5, 1 и 2 г помещали в раствор соли металла объёмом 100 мл. Значение рН варьировали от 1 до11 (рис.1).

Таблица 1

Техническая характеристика углеродных сор-

бентов марки^ИПИ-Т

Удельная поверхность, м2/г, не менее 500

Механическая прочность (по ГОСТ 16188), %, не менее 86

Суммарный объем пор по воде, см3/г, не менее 0,6

Насыпная плотность, дм3/г, не нормируется 500

60 50 40 30 20 10 0

0 2 4 6 8 10 12

Кислотность, рН Рис.1. Зависимость сорбции катионов Ее2* на сорбенте ИПИ-Т от рН (время процесса 60 мин)

Время установления адсорбционного равновесия составило 30 мин. Максимальная сорбция катионов железа происходит в слабокислой среде при рН = 4. На рис. 2 представлены полученные кинетические кривые. По полученным кривым построена изотерма сорбции (рис. 3).

Время, час

Рис.2. Кинетические кривые сорбции катионов Ее2* при рН=4

500

и

^ 400

л

н

0 300

л

к 200

я

1 100

Я

»о

& 0 ♦

и

0

Равновесная концентрация Ре2+ через 2 часа от начала опыта, мг/л

Рис.3. Изотерма сорбции катионов Ее2* при температуре 298 К

Анализ изотермы адсорбции показывает, что процесс сорбции протекает неоднозначно. В начальный период времени изотерма имеет 8-образную форму, что свидетельствует о препятствиях в протекании адсорбционного процесса. Вероятно, это связано с внут-ридиффузионными процессами, протекающими в самих гранулах адсорбента.

В настоящее время единое уравнение для описания адсорбции из растворов отсутствует. Для обработки экспериментальных данных, соответствующих средней части изотермы адсорбции, широко используется уравнение Фрейндлиха:

А = к-о1/п , (2)

где А - величина адсорбции, моль/г; о - равновесная концентрация раствора, моль/л; к и 1/п - постоянные. Константа к представляет собой значение адсорбции при концентрации адсорбата с = 1 моль/л. Показатель 1/п является правильной дробью и характеризует степень приближения изотермы адсорбции к прямой. При изучении адсорбции из растворов 1/п принимается постоянным и лежащим в пределах 0,10,8. Постоянные уравнения Фрейндлиха находили графически (рис. 4), представив уравнение Фрейндли-ха в логарифмических координатах в виде прямолинейной зависимости 1д А = 1д к + 1/п 1д с.

1д c

Рис. 4. Изотермы сорбции катионов Ее2* в логарифмических координатах Фрейндлиха (А - величина адсорбции, моль/г; с - равновесная концентрация раствора, моль/л)

Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен 1дк, а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен 1/п. Найдены значения констант Фрейндлиха при температуре 298 К п=1,66 и к= 3,16.

В целом изотерма адсорбции описывается уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра, которое адек-

50 100 150 200

ватно для описания процесса достижения предельного значения сорбции:

А = А , (3)

СО i Тг ' V /

1 + K • с

где А - текущая величина адсорбции, моль/г; А -предельные величины адсорбции, моль/г; K - константа адсорбционного равновесия; c - концентрация раствора, моль/л. Поделив единицу на левую и правую части выражения, получим уравнение прямой линии в координатах 1/A=f (1/c):

1111

— = —+---, (4)

А А А K с

00 00

которое позволяет графическим способом найти постоянные А и Kв уравнении Ленгмюра (рис.5).

350 300 250 200 150 100 50 0

0 500

1000

1 / c

Рис.5. Линейная зависимость адсорбции от концентрации (А - текущая величина адсорбции, моль/г; c - концентрация раствора, моль/л)

Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен 1/А». По тангенсу угла наклона прямой находили константу адсорбционного равновесия. Ниже представлены постоянные уравнения Ленгмюра А и K при температуре 298 К.

Температура, К А, ммоль/г K

298 10 2,1

Анализ результатов, полученных по уравнению Ленгмюра, свидетельствует о том, что сорбция имеет довольно существенное значение, сорбционная емкость составляет 10 ммоль/г. Энергию Гиббса определили по формуле

-AG = RT ln K

(5)

где AG - энергия Гиббса; R - газовая постоянная = 8,314 Дж/(моль-К); Т - температура реакции, К; ^ константа равновесия. Энергия Гиббса при 298 К равна -1,8 кДж. Отрицательное значение энергии Гиббса определяет самопроизвольность протекания процесса извлечения ионов железа.

Контроль рН показал, что всякий раз в результате сорбции значение рН уменьшается, вероятно, при сорбции идет ионообменный процесс Ре + с ионами водорода, в связи с этим механизм сорбционного процесса можно представить как ионообменный: 2Р - Н + Ре2+ = РРе + 2Н+. Исходя из этого константа равновесия будет выражаться уравнением

K =

[RFe]] H +J

(6)

[ - Н ]2 [

Из уравнения (6) видно, что на процесс сорбции значительное влияние оказывает концентрация ионов водорода в растворе.

Выводы. Исследованы процессы сорбции ионов железа (II) из водных растворов на углеродных адсорбентах, синтезированных на основе полимерных материалов. Получены изотермы адсорбции в статических условиях при температуре 298 К и рН=4. Изотерма адсорбции удовлетворительно описывается уравнением Ленгмюра. Сорбционная емкость составляет 10 ммоль/г. Изучена кинетика процесса и определены термодинамические параметры сорбции. Сорбцион-ный метод очистки с применением сорбентов марки ИПИ-Т может быть экономически оправдан и полученные материалы перспективны для селективного извлечения ионов железа (II) из производственных стоков.

Библиографический список

1. Яковлев С.В., Карелин Я.А. и др. Очистка производствен- 2. Васильев В.П. ных сточных вод. М.: Стройиздат, 1985. 335 с. 366 с.

Аналитическая химия. М.: Дрофа, 2002.

УДК 669.713

РЕГЕНЕРАЦИЯ ФТОРИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАВОДАХ Э.П.Ржечицкий1, В.В.Кондратьев2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Изучены теоретические и практические аспекты распределения фтористых солей в производстве алюминия. Изучены растворимости в системах NaF - Na2SO4 - Na2CO3 - - NaHCO3 - H2O. Показано, что экономически целесообразно вести переработку всех фторсодержащих продуктов с получением низкомодульного электролита, чтобы снизить натриевую нагрузку на баланс фтористых солей.

1Ржечицкий Эдвард Петрович, кандидат технических наук, инженер первой категории, тел.: (3952) 723988. Rzhechitsky Edward, Candidate of technical sciences, Engineer of the first category, tel.: (3952) 723988.

2Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий, тел.: (3952) 723988.

Kondratiev Victor, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Innovative Technologies, tel.: (3952) 723988.