CC BY
7
УДК 661.183.2; 66.087.4
Колесников А.В., Милютина А.Д., Вороненко И.А.
ВЛИЯНИЕ ФЛОКУЛЯНТОВ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ «ОУ-Б» ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Колесников Артем Владимирович, к.т.н., с.н.с. технопарка «Экохимбизнес-2000+».
Милютина Алёна Дмитриевна, аспирант, ведущий инженер кафедры ТНВ и ЭП,; milyutina alena [email protected]; Вороненко Ирина Андреевна, обучающийся кафедры ТНВ и ЭП.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Экспериментально изучены межфазные характеристики частиц активированного угля «ОУ-Б». Рассмотрена возможность извлечения частиц угля методом электрофлотации. Показаны результаты процесса электрофлотационного извлечения частиц ОУ-Б в присутствии поверхностно-активных веществ (10-100 мг/л), флокулянтов различной природы (10 мг/л) и коагулянта Fe2(SO4)3 (10мг/л).
Ключевые слова: электрофлотация, ПАВ, активированный уголь, электрокинетический потенциал, гидродинамический радиус, степень извлечения, флокулянт.
THE EFFECT OF FLOCCULANTS AND SURFACTANTS ON THE PROCESS OF ELECTROFLOTATION EXTRACTION OF ACTIVATED CARBON "OU-B" FROM AQUEOUS SOLUTIONS
Kolesnikov A.V., Miluytina A.D., Voronenko I.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The interfacial characteristics of activated carbon particles «OU-В» were experimentally studied. The extraction possibility of coal particles by the method of electroflotation was discussed. The results of electroflotation extraction of OU-B particles in the presence of surfactants (10-100 mg/l), flocculants of different nature (10 mg/l) and coagulant Fe2(SO4)3 (10 mg/l) are shown.
Keywords: electroflotation, surfactant, activated carbon, zeta potential, hydrodynamic radius, the degree of extraction, flocculant.
Активированный уголь (АУ) - это высокодисперсный углеродный материал с развитой пористой структурой, состоящий на 87-97 массовых % из углерода [1]. Благодаря пористой поверхности угли обладают уникальными свойствами и продолжают внедряться в разных сферы науки и промышленности. Свое применение они находят в химической, пищевой, металлургической, нефтеперерабатывающей промышленностях. В основном активированные угли используют как сорбенты для очистки газовых выбросов, сточных вод и как носители для катализаторов. Зачастую очень сложно контролировать процесс проникновения активных углей в сточные воды, особенно такой вид АУ как порошковые с размером частиц менее 100 мкм.
Для более эффективной очистки сточных вод от взвешенных и коллоидных частиц применяется метод электрофлотационного извлечения, в том числе и для очистки от высокодисперсных углеродных материалов [2, 3]. Суть данного метода заключается в извлечении частиц за счет их прилипания к пузырькам газа Н2 и 02, образующихся на электродах при пропускании постоянного электрического тока через сточную воду. Образующиеся в процессе электрофлотации пузырьки, поднимаясь к поверхности обрабатываемого раствора, соединяются с частицами с образованием флотокомплексов
«частица - пузырёк электролитического газа». Плотность флотокомплексов меньше плотности воды, что обуславливает их подъем на поверхность обрабатываемого раствора и последующее образование пенного слоя (флотошлама), состоящего из газовых пузырьков, воды и взвешенных частиц [4].
Цель проведенных исследований заключалась в изучении влияния флокулянтов и
поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной природы на процесс электрофлотационного извлечения активированного угля «ОУ-Б» из водных растворов.
Материалы и методика
В работе был исследован и активированный уголь «ОУ-Б» (ГОСТ 4453-74). Ранее исследованные характеристики пористой структуры угля ОУ-Б приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики пористой структуры активированного угля ОУ-Б.__
Образец S S2? м /г Vx, 3/ см /г Vмезо, 3/ см /г Vмикро, 3/ см /г Dме, нм
ОУ-Б 825 0,654 0,293 0,408 4,0
АУ исследовали в водных растворах в присутствии различных типов ПАВ (анионный, катионный и неионогенный) с концентрацией 10-100
радиуса и частиц методом установке
процесса
мг/л при комнатной температуре (20±2°С): анионный - NaDDS, катионный - Катинол, неионогенные - Triton Х-100 (TX-100), ОксиПАВ А1218.30; а также в присутствии 10 мг/л флокулянтов марки SNF Floerger: анионный AN 905, катионный FO 4190, неионогенный FA 920. В качестве добавок использовались: фоновый электролит Na2SO4; коагулянт Fe2(SO4)3.
Определение гидродинамического электрокинетического потенциала
дисперсной фазы проводили динамического светорассеяния на PHOTOCOR Compact-Z.
Лабораторные исследования электрофлотационного извлечения частиц ОУ-Б проводили в непроточном электрофлотаторе с нерастворимым анодом ОРТА. В процессе электрофлотации через каждые 5 мин осуществлялся отбор проб с целью определения остаточной концентрации ОУ-Б в водном растворе. Концентрация ОУ-Б определялась по адаптированной методике с использованием спектрофотометра ПРОМЭКОЛАБ ПЭ-5300В и портативного мутномера HI 98703 фирмы HANNA. Степень извлечения ОУ-Б а, % рассчитывали по формуле (1):
, (1)
где Сисх и Скон - начальная и конечная концентрация активированного угля, мг/л.
Результаты и их обсуждение
Были исследованы межфазные характеристики частиц угля ОУ-Б, влияющие на эффективность процесса их электрофлотационного извлечения из водных растворов в присутствии ПАВ различной природы (таблица 1).
Таблица 2. Влияние природы ПАВ на степень извлечения (а, %), электрокинетический потенциал мВ) и средний гидродинамический радиус (К, мкм) частиц ОУ-Б в
раствора в присутствии различных типов ПАВ представлена на рисунке 1.
Суспензии NaDDS Катинол TX-100
а, % 2 52 4
С мВ -23 -6 -13
R, мкм 7 37 5
С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; C(Na2SO4) рН = 7,0; т = 30 мин, Jv = 0,2 А/л.
0,5 г/л;
Определено, что небольшая величина потенциала (-6 мВ) и большой размер частиц (37 мкм) обуславливает более эффективное извлечение частиц ОУ-Б из водного раствора Катинола (52%) по сравнению с КаБББ и ТХ-100 (2-4%). Стоит отметить, что чем меньше размер частиц, тем больше отрицательное значение ^-потенциала, и, следовательно, процесс электрофлотации протекает менее эффективно.
Изученная кинетика процесса
электрофлотационного извлечения ОУ-Б из водного
Рисунок 3. Зависимость степени извлечения активированного угля ОУ-Б в присутствии ПАВ: 1 -2 - Катинол; 3 - ТХ-100. С(ОУ-Б) = 100 мг/л;
С(ПАВ) = 100 мг/л; С^а^О^ = 0,5 г/л; рН = 7,0; Jv = 0,2
А/л
Представленные результаты на рис. 1 показали, что максимальная степень извлечения частиц ОУ-Б из водного раствора Катинола достигалась в течении 10 минут процесса электрофлотации. В системах КаБББ и ТХ-100 частицы не извлекались на протяжении всего времени электрофлотации.
В таблице 3 представлено влияние ПАВ (10 мг/л) различной природы на степень извлечения высокодисперсного активированного угля марки ОУ-Б.
Таблица 3. Кинетическая зависимость степени извлечения активированного угля марки ОУ-Б при
т, мин Степень извлечения ОУ-Б а, %
Без добавок Катинол ОксиПАВ NaDDS
5 36 40 40 32
10 33 40 44 32
20 20 28 37 26
С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 10 мг/л; С(Ыа2804) = 1 г/л; рН = 7,0; Л = 0,4 А/л
Данные таблицы 3 показали, что наибольшая степень извлечения частиц ОУ-Б (40-44%) наблюдалась в водных растворах ПАВ катионной и неионогенной природы и достигалась после 10 минут процесса электрофлотации. Продолжительная флотация частиц приводила к ухудшению эффективности процесса за счет неустойчивости пенного слоя.
При добавлении коагулянта Бе (табл. 4) эффективность процесса электрофлотационного извлечения значительно возрастает.
Таблица 4. Зависимость степени извлечения активированного угля марки ОУ-Б при добавлении ПАВ
т, мин Степень извлечения ОУ-Б а, %
КаБББ Катинол ТХ-100
5 15 71 58
10 18 98 77
20 19 98 92
30 20 98 97
С(ОУ-Б) = 100 'мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; С(¥е3+) = 10 мг/л; С(Ыа£0) = 50 мг/л; 0,2 А/л; рН 7,0
Степень извлечения частиц ОУ-Б в водных растворах Катинола или ТХ-100 в присутствии коагулянта достигает значений 97-98%. При этом в растворе с катионным ПАВ степень извлечения ОУ-Б достигает максимума уже через 5 минут электрофлотации. В присутствии ПАВ анионной природы частицы ОУ-Б практически не извлекаются методом электрофлотации. Это связано с тем, что в присутствии Бе3+ в растворе не происходит образования труднорастворимых осадков Ре(0Н)3 вследствие перехода ионов металлов в растворимые комплексы «Ме-анионный ПАВ».
В таблице 5 приведены экспериментальные данные по влиянию флокулянтов различной природы на степень извлечения частиц ОУ-Б.
Таблица 5. Кинетическая зависимость степени извлечения активированного угля марки ОУ-Б при добавлении флокулянтов разной природы._
т, мин Степень извлечения ОУ-Б а, %
Без добавок Б0 4190 (к) БЛ 920 (н) ЛК 905 (а)
5 36 11 26 42
10 33 6 22 60
20 20 6 23 60
С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(флок) = 10 мг/л; С(Ыа2Б04) = 1 г/л; рН = 7,0; Л = 0,4 А/л
Результаты показали, что высокая эффективность извлечения частиц ОУ-Б достигается при введении анионного флокулянта (60%). Стоит отметить, что введение катионного флокулянта сильно ухудшает процесс электрофлотации частиц -степень извлечения снижается до 6%.
Заключение
Таким образом, были исследованы межфазные характеристики частиц ОУ-Б, влияющие на процесс их электрофлотационного извлечения. Результаты показали, что частицы ОУ-Б эффективно извлекаются из водного раствора катионного ПАВ за счет большого размера частиц и малого отрицательного заряда. Кроме того, уменьшение концентрации ПАВ позволяет извлекать частицы ОУ-Б в равной степени как из раствора катионного, так и из раствора неионогенного ПАВ (40-44%).
Показано, что метод электрофлотационного извлечения частиц ОУ-Б наиболее эффективен в присутствии коагулянта Бе3+ - эффективность процесса повышается до 97-98% в присутствии катионного и неионогенного ПАВ.
Также установлено, что добавление 10 мг/л анионного флокулянта АК 905 позволяет флотировать 60% частиц ОУ-Б.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0169 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) ЯЕМЕГ15 7417X0169.
Список литературы
1. Мухин В.М. Производство и применение углеродных адсорбентов: учеб. пособие / Мухин В.М., Клушин В.Н. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 308 с.
2. Физико-химическая эффективность процесса электрофлотации высокодисперсного углеродного наноматериала из водных растворов с поверхностно-активными веществами // Доклады академии наук. 2017. Т. 476. № 2. Стр. 166-169.
3. Милютина А.Д., Крюков А.Ю., Колесников В.А. Электрофлотационный процесс извлечения высокодисперсных углеродных материалов из сточных вод в присутствии поверхностно-активных веществ // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. №6. С. 11-13.
4. Электрофлотация в процессах водоочистки и извлечения ценных компонентов из жидких техногенных отходов. Обзор // Теор. основы хим. технологии. 2017. Т. 51. № 4. С. 1-16.
