CC BY
77
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
СВОЙСТВА ДРЕВЕСНОГО ОКИСЛЕННОГО УГЛЯ
Л.А. ПЕТРОВ, проф. института органического синтеза УрО РАН им. И.Я. Постовского, д-р. хим. наук,
Ю.Л. ЮРЬЕВ, проф. каф. химической технологии древесины УГЛТУ, канд. техн. наук, И.К. ГИНДУЛИН, асп. каф. химической технологии древесины УГЛТУ,
С.В. ЕРАНКИН, асп. института органического синтеза УрО РАН им. И.Я. Постовского
Применение различных методов (реагентных, электрохимических, коагулянтных) для извлечения катионов тяжелых металлов из сточных вод достаточно дорого и не всегда приводит к нужной степени очистки, а использование для этих целей ионообменных смол сдерживается дороговизной последних. Это обстоятельство побуждает к разработке сорбционных методов очистки сточных вод с применением других материалов. Одним из таких материалов является окисленный древесный уголь (ДОУ).
Способность окисленных углей к сорбции катионов металлов как особенность отличает их от обычных активных углей. Адсорбционная активность по отношению к металлам обусловлена наличием на поверхности ДОУ большого количества групп кислотного характера, различающихся не только по составу (карбоксильные, фенольные, гидроксильные), но и по способности к ионизации [1]. Свойство окисленных углей образовывать поверхностные комплексы с многовалентными металлами обуславливает повышенную емкость и селективность этих сорбентов по отношению к катионам [2].
Древесный окисленный уголь получают путем модификации поверхности древесного или активного угля различными окислителями. Наиболее предпочтительным с экономической и экологической точки зрения является окисление воздухом, при котором возможно получение различных по свойствам древесных окисленных углей.
На кафедре химической технологии древесины Уральского лесотехнического университета получен окисленный древесный уголь, характеристика которого показана в таблице. В качестве окислителя использован горячий воздух.
Для определения поверхностных функциональных групп исходного, активного и
окисленного угля применен метод ИК-спектроскопии. Спектры снимали на ИК-Фу-рье-спектрометре «Spectrum One B» фирмы Perkin Elmer
На рис. 1 приведены ИК-спектры исходных и полученных продуктов.
Как видно из полученных данных, в спектре древесного угля (ДУ) видна слабая полоса 1570 см-1, которую можно отнести к колебаниям связей С = С ароматических колец. Эта же полоса наблюдается и у активного угля (БАУ) и у окисленного (ДОУ).
Таблица
Показатели качества древесного окисленного угля
Показатель Значение
Гранулометрический состав, массовая доля остатка на сите с диаметром отверстий, %: менее 1,5 мм 0,5 мм менее 0,5 мм не более 25 не менее 70 не более 5
СОЕ по щелочи, мг-экв/г не менее 2,0
Массовая доля золы, % не более 10,0
Суммарный объем пор по влагоемкости, см3/г не менее 1,6
Насыпная плотность, г/дм3 не более 240
Рис. 1. ИК-спектры поглощения древесного угля (1), березового активного угля (2) и древесного окисленного угля (3)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
161
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Продолжительность, мин.
Рис. 2. Зависимость статической обменной емкости по Fe3+ (1) и Zn2+ (2) от продолжительности в нейтральной среде
0 10 20 30 40 50 60 70
Продолжительность, мин
Рис. 3. Зависимость динамической обменной емкости по Fe3+ (1) и Zn2+ (2) от продолжительности в нейтральной среде
Рис. 4. Зависимость динамической обменной емкости по Fe3+ (1) и Zn2+ (2) от продолжительности в кислой среде
Рис. 5. Зависимость динамической обменной емкости по Fe3+ (1) и Zn2+ (2) от количества элюата в сильнокислой среде
Рис. 3 подтверждает приведенные ранее данные о различной эффективности сорбции железа и цинка на окисленном древесном угле в нейтральной среде.
Полосы в области 1450-1460 см-1 можно отнести к валентным колебаниям связи С-ОН, они наблюдаются как и у ДУ, так и у ДОУ Присутствие в ДУ этой связи объясняется наличием в матрице угля гуминовых кислот, разрушающихся при активации угля, что также подтверждается спектром БАУ, где отсутствуют полосы в этой области.
Полосу с v = 1770 см-1 у спектров ДОУ можно отнести к колебаниям карбонилов карбоксильных групп и лактонов. Полоса с v = 1710 см-1, по-видимому, относится к валентным колебаниям тех карбонилов карбоксильных групп, которые связаны водородными связями с соседними группировками. Интенсивную и широкую полосу при 1600 см-1 можно отнести к колебаниям хиноидных группировок различной природы совместно с колебаниями близлежащих связей С = С, а полосу при 1200 см-1 - к уширенным и перекрывающимся полосам ассиметричных и
симметричных колебаний групп С-О-С. Колебания при 2900 см-1, наблюдаемые у ДОУ, можно интерпретировать как валентные колебания связей СН-групп.
У полученного древесного окисленного угля исследованы сорбционные свойства по отношению к ионам железа и цинка в статических и динамических условиях.
На приведенном графике (рис. 2) представлено изменение статической обменной емкости (СОЕ) катионов Fe3+ и Zn2+ от продолжительности процесса сорбции.
В лаборатории ООО «Северский трубный завод» были проведены испытания в динамических условиях древесного окисленного угля в качестве катионита для обезвреживания отработанных травильных растворов цинковального отделения. Показано, что окисленный уголь сорбирует в основном ионы железа. При этом концентрация железа после ионообменника составляет не более 5 г/л (при исходной концентрации - 17 г/л). В начале процесса цинк сорбируется достаточно эффективно, до достижения концентрации 13 г/л, а затем его концентрация на вы-
162
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
