CC BY
18
УДК 661.183.2
Давыдкова Т.В., Милютина А.Д., Колесников А.В.
ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАДИУСА И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЧАСТИЦ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Давыдкова Татьяна Валерьевна, магистр 2 курса факультета Инженерной химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Милютина Алена Дмитриевна, к.т.н., ведущий инженер кафедры Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Колесников Артем Владимирович, к.т.н., старший научный сотрудник технопарка «Экохимбизнес-2000+» РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9, Москва, e-mail: [email protected]
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований по сорбционному извлечению ионов металлов (Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe3+) из водных растворов на активированном угле марки «ОУ-Б». Проведены исследования по влиянию гидродинамического радиуса R, и электрокинетического потенциала Z, на эффективность электрофлотационного извлечения ОУ-Б и УНЧ в присутствии ПАВ различной природы и без него.
Ключевые слова: адсорбция, гидродинамический радиус, электрокинетический потенциал, активированные угли, поверхностно-активные вещества.
EFFECT OF HYDRODYNAMIC RADIUS AND ELECTROKINETIC POTENTIAL ON THE EFFICIENCY OF THE EXTRACT OF PARTICLES OF ACTIVATED CARBON FROM AQUEOUS SOLUTIONS
Davydkova T.V., MilyutinaA.D., KolesnikovA.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This paper presents the results of experimental studies on the extraction of metals (Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe3+) from aqueous solutions with activated carbon «OU-В». Studies on the effect of hydrodynamic radius and electrical interaction on the electro-flotation process have been carried out.
Keywords: adsorption, hydrodynamic radius, electrokinetic potential, activated carbons, surfactants
Введение
На промышленных объектах в технологических процессах получения композиционных материалов, при нанесении лакокрасочных покрытий, обработке поверхности металлов и сплавов, а также в микроэлектронике используются многие
органические вещества, токсичность которых очень высока. Сточные воды таких производств могут содержать эмульсии, ионы тяжелых металлов.
Высокодисперсные углеродные материалы также токсичны. Благодаря своим малым размерам и физико-химическим свойствам они являются опасными веществами для окружающей природной среды, они с легкостью могут проникать в живые организмы и причинять им непоправимый ущерб.
На сегодняшний день для получения углеродных материалов широко используются катализаторы на основе Со, Мо, N1 и др. металлов, примеси которых попадают в сточные воды в процессах активации, травления, промывки. При использовании углеродных материалов применяются водные растворы, содержащие поверхностно-активные вещества (ПАВ), часть которых также попадает в сточные воды. В конечном итоге это приводит к
образованию жидких техногенных отходов сложного состава.
Для очистки сточных вод от органических загрязнителей используют активированные угли в виде порошков, которые вводятся в водный раствор, где происходит адсорбция органических загрязнений. Эффективность данного процесса выше чем при адсорбции в стационарном слое на фильтрах. В виду малого размера частиц порошкообразных углей (1-15 мкм) их извлечение с использованием классических методов
(седиментация, флотация и фильтрация) малоэффективно. Эффективного извлечения частиц с размером от 1 до 30 мкм можно достичь, используя электрофлотационнный метод [1-3].
Экспериментальная часть
В экспериментах использовали 3 типа ПАВ различной природы: 1) Анионный ПАВ - NaDDS (додецилсульфат натрия); 2) Катионный ПАВ -Катинол (алкилдиметил (2-гидроксиэтил) аммоний хлорид); 3) Неионогенный ПАВ - «Triton X-100» (TX-100, Ci4H22O(C2H4O)9).
Для приготовления стандартных
концентрированных растворов солей металлов и
фоновых электролитов использовались реактивы марок «ч», «хч» и «чда».
Текстурные характеристики образцов ОУ-Б рассчитывали на основании изотерм адсорбции-десорбции азота при температуре 77 К. Удельную поверхность (Sw) образцов рассчитывали методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ), объем микропор (VmKpo) - по уравнению Дубинина-Радушкевича (ДБ). Суммарный сорбционный объем мезо- и микропор Vs определяли по изотерме адсорбции азота при значении относительного давления, равном 0,95, средний диаметр мезопор (Рмезо) -методом Баррета-Джойнера-Халеды (БДХ) по десорбционной ветви изотермы. Результаты представлены в таблице 1 и на рисунке 1. Микрофотографии поверхности высокодисперсных углеродных материалов были получены на сканирующем электронном микроскопе.
Измерение дзета-потенциала (Z-потенциал) основано на измерении электрофоретической подвижности частиц в жидкости под действием приложенного электрического поля в соответствии с уравнением Генри. Измерение электрофоретической подвижности частиц основано на определении скорости движения частиц методом Допплера.
Измерение размера частиц основано на использовании метода динамического
светорассеяния DLS (Dynamic Light Scattering) или, иначе, фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС), при котором, измеряется интенсивность рассеянного частицами образца света и строится корреляционная кривая изменения интенсивности света за определенные возрастающие временные интервалы.
В процессе измерения размера частиц луч света, испускаемый лазером, проходит через аттенюатор и попадает в кювету с образцом. Рассеянный частицами образца свет регистрируется детектором. Затем электрический сигнал детектора, пропорциональный интенсивности света,
обрабатывается коррелятором по математическим алгоритмам, заложенным в программном обеспечении, и вычисленный результат в виде соответствующих параметров размеров частиц отображается на экране компьютера.
Лабораторные исследования сорбции ионов металлов из растворов их солей на ОУ-Б проводили в динамическом режиме. Определение концентрации ионов металлов в растворах проводилось методом атомно-абсорбционной спектроскопии.
Определение количественного содержания частиц высокодисперсных углеродных материалов (ВДУМ) проводилось по адаптированной методике спектрофотометрического анализа.
Таблица 1. Основные характеристики пористой структуры активированного угля ОУ-Б.__
Образец V м /г Vf, см /г Vмезо, см3/г Vмикро, см3/г Dме, нм
ОУ-Б 825 0,654 0,293 0,408 4,0
V, см'/г
450 400 350
300 250 200
0 0 О/
dV/dD, смЧ(ныфг) 0,1
о.ое :)".-0.Ü6 , Qß5 :)■■■■
0,03 > 0.О2 £ 0.01 ^
о
о 50 100 150 Dllt. HM
(б)
Рис. 1. Изотерма сорбции азота при 77 К на активированном угле ОУ-Б (а), распределение пор по размерам для активированном угле ОУ-Б (б).
Наличие гистерезиса на изотерме адсорбции-десорбции азота на активированном угле ОУ-Б (рис.1а) и дифферциальная кривая распределения пор по диаметру (рис. 1б) свидетельствуют о том, что ОУ-Б обладают развитой мезопористой структурой с широким распределением пор по размеру. Средний диаметр мезопор составляет порядка 4 нм.
На рисунке 2 представлены микрофотографии частиц ОУ-Б в водном растворе электролита Na2SO4 в присутствии ПАВ различной природы.
По представленным фотографиям видно, что лучшее укрупнение частиц достигается в растворе катионного ПАВ Катинол. Тогда как в анионном NaDDS и неионогенном Triton X-100 размер частиц неизменяется.
(а)
У'.г -■ ■ - " '
i
>
* ч -.V■ / с \
■ vV у . . *
••. —. . \
' Ь > ."i ? V W- i
' у * * ■ •.
(а) ' (б)
* ' s
-V^'-n V
» v . I »
: - -v-
.•. > / . -< •
I *
* V _ и '.¡Uli
* • /V
(в)
Рис. 2. Микрофотография частиц ВДУМ в водном растворе Na2SO4 в присутствии анионного ПАВ NaDDS (а), катионного ПАВ Катинол (б), неионогенного ПАВ ТХ-100 (в).
Условия эксперимента: С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; С NN03) = 10-3 М.
Были проведены исследования по сорбционному извлечению ионов металлов ^е2+, Со2+, №2+, Си2+, 2п2+, Бе3) из водных растворов на активированном угле марки «ОУ-Б» (таблица 2).
Таблица 2. Влияние начальной концентрации ионов металлов на их сорбционное извлечение из водных растворов на частицах ОУ-Б._
C(Men+), Г, мг/г
мг/л Fe2+ Co2+ NI2+ Cu2+ Zn2+ Fe3+
10 2 1 4 1 3 4
100 10 4 22 8 10 14
Условия эксперимента: С(ОУ-Б) = 100 мг; рН 4,0; т = 30 мин.
На основе экспериментальных данных (табл. 2), установлено, что активированный уголь ОУ-Б эффективно извлекает ионы таких металлов как №2+ (22 мг/г), Fe3+ (14 мг/г), Fe2+ (10 мг/г) и Zn2+ (10 мг/г) при их начальной концентрации 100 мг/л.
Влияние гидродинамического радиуса R, нм и электрокинетического потенциала мВ на
эффективность электрофлотационного извлечения ОУ-Б и УНЧ (табл. 3) в присутствии ПАВ различной природы и без него.
Таблица 3. Влияние природы ПАВ на степень извлечения, электрокинетический потенциал и средний гидродинамический радиус частиц ОУ-Б в водных растворах.____
Суспензии аПАВ кПАВ нПАВ
а, % 2 52 4
Z, мВ -23 -6 -13
R, мкм 7 37 5
Условия эксперимента: С(ОУ-Б) = 100 мг/л; С(ПАВ) = 100 мг/л; C(Na2SO4) = 0,5 г/л;рН = 7,0; т = 30мин., Jv = 0,2 А/л.
По результатам таблицы 3 видно, что средний гидродинамическим радиус частиц ОУ-Б варьируется в диапазоне 810-890 нм. При этом видна закономерность, что чем меньше размер частицы, тем больше значение электрокинетического потенциала, и, следовательно, процесс электрофлотации протекает эффективнее. Максимальная степень извлечения ОУ-Б 52% достигается в водном растворе с катионным ПАВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии N°14.574.21.0169 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI5 7417X0169.
Список литературы
1. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. 305 с.
2. Нистратов А.В., Клушин В.Н., Мухин В.М., Колесников А.В., Беккерева Ю.В. Особенности доочистки сточных вод гальванических производств от дизельного топлива современными активными углями // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. № 1. С. 96-103.
3. Иванец М.Г., Гриншпан Д.Д., Цыганкова Н.Г., Невар Т.Н., Макаревич С.Е. Очистка сточных вод различного состава модифицированными угольными сорбентами // Весщ нацыянальнай акадэмп навук беларуа. 2011. № 3. С. 70-75.
