CC BY
5
УДК 544.723.212; 661.183.2
Кошелева А.В., Гайдукова А.М., Стоянова А.Д.
ВЛИЯНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ НА СОРБЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (III)
Кошелева Александра Викторовна, студент бакалавриата 4 года обучения кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Гайдукова Анастасия Михайловна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Стоянова Алёна Дмитриевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов; milyutina_alena_rhtu@mail.ru. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, домовладение 20
В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований сорбционной способности активированных углей различной фракции (порошковый уголь марки ОУ-Б, гранулированный уголь МеКС) по отношению к ионам трехвалентного железа. Определено оптимальное время проведения сорбционного процесса.
Ключевые слова: углеродные материалы, активированный уголь, адсорбция, ионы трехвалентного железа, водные растворы.
THE EFFECT OF THE FRACTIONAL COMPOSITION OF ACTIVATED CARBONS ON THE SORPTION EXTRACTION OF IRON (III) IONS
Kosheleva A.V., Gaidukova A.M., Stoyanova A.D.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
This article presents the results of experimental studies of the sorption capacity of activated carbons of various fractions (powdered coal of the OU-B brand, granular coal MEX) with respect to trivalent iron ions. The optimal time of the sorption process has been determined.
Keywords: carbon materials, activated carbon, adsorption, trivalent iron ions, aqueous solutions.
Введение
Основными загрязняющими веществами, содержащимися в сточных водах
машиностроительных предприятий, предприятиях цветной металлургии, приборостроения, являются ионы тяжелых металлов. Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют природу, ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности, и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. В первую очередь к таким металлам относят железо (II), и железо (III)/
Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической,
металлообрабатывающей, текстильной,
лакокрасочной промышленности и
сельскохозяйственными стоками. Производственные стоки часто содержат ионы металлов, концентрации которых превышают предельно допустимые. Так в составе кислотных сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, присутствуют ионы трехвалентного железа [1, 2].
Для очистки таких сточных вод применяют различные физико-химические методы: химическое осаждение, фильтрация, ионный обмен, ультрафильтрация, нанофильтрация и др. Наиболее часто применяется адсорбционных метод.
Одними из распространенных, эффективных и недорогостоящих адсорбентов, которые применяются очистки сточных вод, благодаря своим уникальным механическим и сорбционным свойствам, являются активированные угли [3, 4].
Цель данной работы заключалась в исследовании эффективности извлечения ионов железа (III) из водных растворов сорбционным методом на активированных углях различной фракции (МеКС, ОУ-Б).
Методическая часть
В качестве адсорбентов в работе использовались активированные угли (АУ) марок ОУ-Б (порошковый) и МеКС (гранулированный). Их технические характеристики представлены в таблицах 1-2.
Текстурные характеристики образцов
рассчитывали на основании изотерм адсорбции-десорбции азота при температуре 77 К, полученных на объемнометрической установке Nova 1200e (Quantachrome, США). Удельная поверхность была рассчитана по модели Брунауэра-Эммета-Тэллера (БЭТ) при относительном парциальном давлении Р/Р0=0,2.
Таблица 1. Технические характеристики активированного порошкового угля марки ОУ-Б
Адсорбционная активность по метилен. голубому, мг/г, не менее Адсорбционная активность по мелассе, %, не менее Массовая доля золы, %, не более Массовая доля влаги, %, не более Массовая доля водорастворимой золы, %, не более рН водной вытяжки Массовая доля соединений железа в пересчете на Fe, %, не более
210 100 6 58 1 4-6 0,2
Таблица 2. Технические характеристики
активированного гранулированного угля марки МеКС
Характеристика МеКС
Прочность гранул на истирание не менее 75%
Массовая доля золы не более 2%
Насыпная плотность не менее 550 г/дм3
Суммарный объем пор по воде не менее 0,9 см3/г
Лабораторные исследования адсорбции ионов железа (III) на АУ проводили в статическом режиме на магнитной мешалке с якорем. Значение pH доводили до заданного значения с помощью рН-метра рН410. При постоянном перемешивании (200 об/мин) добавляли навеску АУ и осуществляли контакт фаз в течении определенного времени. По истечению эксперимента пробу отфильтровывали на фильтре марки «Синяя лента». Концентрацию железа измеряли спектрофотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой (ПНД Ф 14.1:2.50-96).
Величину сорбции А, мг/г (1), и эффективность сорбционного извлечения а, % (2) ионов железа (III) рассчитывали по формулам:
А = (1)
ш
о = 1004 (2)
со
где со и а - начальная и конечная концентрация Fe3+, мг/л;
V- объем анализируемого раствора, л;
m - масса навески АУ, г.
Экспериментальная часть
На основе полученных изотерм сорбции-десорбции азота были рассчитаны текстурные характеристики образцов активированных углей (Таблица 3).
Таблица 3. Текстурные характеристики углеродных адсорбентов
Результаты исследования удельной поверхности активированных углей показывают, что активированный уголь марки МеКС обладает большей удельной поверхностью, чем уголь марки ОУ-Б. Наибольшая пористость материала также свойственен углю МеКС.
Были проведены исследования сорбционной способности активированных углей в зависимости от начальной концентрации ионов железа в водном растворе (Таблица 4).
Было установлено, что наиболее эффективно процесс сорбции протекает при небольших начальных концентрациях ионов железа (III). При добавлении 0,2 г навески АУ в раствор, содержащий 10 мг/л Fe3+ степень сорбционного извлечения ионов железа за 90 минут достигала 90-94% для обоих образцов активированных углей. При повышении начальной концентрации железа степень извлечения умешалась до 50-60 % (500 мг/л Fe3+).
Наиболее эффективным сорбентом оказался уголь марки МеКС, удельная поверхность и пористость которого более развита.
Таблица 4. Влияние начальной концентрации ионов железа (III) на их сорбционное извлечение из водных растворов активированными углями
С0 (Fe3+) ОУ-Б МеКС
а, % А, мг/г а, % А, мг/г
10 90 4 94 5
25 82 8 86 11
50 67 13 78 20
100 65 14 76 40
200 56 35 63 66
500 52 96 61 160
Условия проведения процесса: Vß-ра = 25 мл; рН 2,0; т = 90 мин; m (АУ) = 0,2 г
Также была исследована зависимость сорбции ионов трехвалентного железа от времени процесса на гранулированном угле марки МеКС (рис. 1).
т мин.
Рисунок 1 - Кинетическая зависимость сорбционной способности гранулированного активированного угля МеКС по отношению к ионам железа (III). Условия процесса: Ур~ра = 25 мл;рН 2,0; т (АУ) = 0,2 г; со (Ев3+) = 100 мг/л
№ Адсорбент м2/г Vi, см3/г Vмикро, см3/г Dме, нм
1 МеКС 1559 0,872 0,796 3,95
2 ОУ-Б 825 0,654 0,408 4,0
Исходя из данных рисунка, было установлено, что уже через 10 минут процесса сорбции достигаются максимальные значения (9-10 мг/л). Однако равновесие достигается лишь через 75 минут процесса адсорбционного извлечения Бе3+.
Заключение
Таким образом, экспериментальные
исследования позволили заключить, что гранулированный активированный уголь является наиболее эффективным сорбентом для извлечения ионов железа (III). Также было установлено, что сорбционное равновесие на угле МеКС устанавливается за 75 минут процесса.
Список литературы
1. Филатова Е.Г. Обзор технологий очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, основанных на физико-химических процессах //
Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2015. - №2 (13). - С. 97 - 109.
2. Бродский В.А., Гайдукова А.М., Колесников В.А., Ильин В.И. Влияние рН среды на физико-химические характеристики и эффективность электрофлотационного извлечения малорастворимых соединений металлов подгруппы железа из водных растворов // Физическая химия. - 2017. - Т. 36. - №
8. - С. 56-63.
3. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 308 с.
4. Мухин В.М., Учанов П.В. Получение активного угля на основе антрацина. Исследование его пористости и адсорбционных свойств // Успехи в химии и химической технологии. - 2013. - Т. 27. - №
9. - С. 35 - 40.
