Вход

Закономерности извлечения растворимых в воде металлов углеродным сорбентом Техносорб. Извлечение алюминия

Реферат по химии
Дата добавления: 04 сентября 2011
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 231 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу

Закономерности извлечения растворимых в воде металлов углеродным сорбентом Техносорб. Извлечение алюминия

А.А. Цибулько, Т.Ю. Цибулько, Г.И. Раздьяконова, В.Ф. Суровикин, Конструкторско-технологический институт технического углерода СО РАН

В последнее время в связи с повсеместным ужесточением требований к качеству воды хозяйственно-бытового назначения многие ставшие классическими методы водоподготовки не могут обеспечить необходимую глубину очистки природных и сточных вод или являются нерентабельными с экономической точки зрения. Поэтому большое внимание исследователи уделяют поиску и разработке новых, нетрадиционных способов удаления токсичных веществ различного происхождения из воды. Достаточно перспективным и уже применяемым на практике является сорбционный метод очистки, удачно сочетающий высокую, практически недостижимую другими способами, степень извлечения растворенных примесей и высокую производительность процесса очистки при относительно небольших материальных и энергозатратах. Немаловажным достоинством сорбционной технологии является простота аппаратурного оформления и возможность полной или частичной автоматизации всего процесса в целом, а также отдельных его частей. Следует отметить, что традиционно используемые в сорбционной практике микропористые активные угли обладают рядом недостатков, сдерживающих более широкое применение сорбционных методов при водоподготовке. К наиболее существенным из них следует отнести неправильную форму гранул, создающую повышенное гидродинамическое сопротивление, их малую механическую прочность, сокращающую время непрерывной работы сорбционной установки, и замедленную кинетику извлечения примесей из растворов. В настоящее время ассортимент углеродных материалов существенно расширился за счет появления нового класса синтетических материалов на основе пироуглерода, получаемых путем высокотемпературного скоростного пиролиза углеводородов с последующей активацией и химической модификацией поверхности [1]. От традиционных активных углей синтетические материалы отличаются высокой механической прочностью, сферической формой гранул, развитой удельной поверхностью с преобладанием микро- и мезопор и возможностью регулирования структурно-дисперсных характеристик поверхности на этапе получения углеродного материала. Указанные свойства открывают широкие перспективы для потенциального использования синтетических углеродных материалов в различных областях науки и техники, в том числе и в процессах сорбционной очистки воды.

Объектом исследования в данной работе является синтетический углеродный сорбент Техносорб-1, выпускаемый КТИТУ СО РАН. Основные физико-химические показатели углеродного сорбента отражают его дисперсность, объем пор, удельную поверхность и прочность формы [2] и не дают информации о его адсорбционной активности в водно-солевых средах. Цель работы - исследование основных закономернос

Рис. 1. Изотерма извлечения алюминия углеродным сорбентом Техносорб-1 (а) и зависимость степени извлечения алюминия от начальной концентрации раствора (б) при температуре 327 К

тей извлечения алюминия из водных растворов его солей углеродным сорбентом Техносорб-1 и определение принципиальной возможности его использования в процессах очистки загрязненных природных и сточных вод.

Процесс извлечения алюминия проводили в изотермическом режиме при контакте модельных растворов с углеродным сорбентом при массовом соотношении 10:1 соответственно, в статических условиях. В качестве модельных использовали растворы алюмоаммонийных квасцов с концентрацией от 20 до 500 мг Al/л. Количественное определение алюминия в растворах проводили по методу градуировочного графика в соответствии с методикой [3], сущность которой заключается в образовании стабильного комплекса алюминия с ксиленоловым оранжевым в среде формиатного буфера при pH 3,5. Фотометрирование растворов осуществляли на ФЭК-60 при длине волны 540 нм в кювете с толщиной слоя 30 мм. Чувствительность метода 0,5 мкг в 50 мл конечного разбавления, относительная погрешность определения - не более 5%.

Топографию поверхности углеродного сорбента, импрегнированного соединениями алюминия, изучали стандартным методом тепловой десорбции аргона [4]. Использование "мягких", не разрушающих сорбционные слои методов исследования позволило получить объективную информацию о природе процессов, протекающих на углеродной поверхности в ходе извлечения алюминия и объяснить основные закономерности изменения физико-химических свойств углеродного сорбента.

Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования показали, что кинетика извлечения алюминия в условиях эксперимента описывается уравнением первого порядка. Кинетические изотермы имеют завершенный вид, характеризуются крутым подъемом в начальные моменты времени и описываются в неравновесных условиях (до плато) уравнением:

 = ln(Со/Cp) / exp(8,17 - 3363 / Т),

(1)

где  - время контакта углеродного сорбента с раствором, мин;

Сo - начальная концентрация алюминия в растворе, мг/л;

Сp - конечная концентрация алюминия в растворе, мг/л;

Т - температура, при которой проводится извлечение, К;

8,17 и 3363 - эмпирические постоянные, численно равные константам в уравнении Аррениуса, выражающем зависимость константы скорости реакции от абсолютной температуры.

Уравнение (1) выполняется с точностью до 7% при температуре от 306 до 344 К и отношении Со/Cp от 1 до 200. Указанные граничные условия исследованы ввиду их практической важности.

Характеристическая энергия извлечения алюминия из водных растворов углеродным сорбентом, рассчитанная на основании анализа зависимости скорости извлечения от температуры, составляет 28 кДж/моль и указывает на значительное влияние температуры на скорость процесса. Температурный коэффициент скорости извлечения составляет 1,4, что несколько меньше значений , типичных для химических реакций [5].

На рис.1 представлены абсолютная (а) и относительная (б) изотерма извлечения алюминия из водных растворов углеродным сорбентом Техносорб-1 при температуре 327 К. Величину извлечения алюминия определяли по разности концентраций исходных и равновесных растворов, отнесенных к массе сорбента; степень извлечения алюминия вычисляли по формуле:

И = 100 * (Со-Сp) / Со,

(2)

где И - степень извлечения, %;

Cо и Сp - соответственно начальная и равновесная концентрации алюминия в исследуемом растворе, мг/л.

Предельная статическая емкость углеродного сорбента Техносорб-1 по алюминию реализуется в области начальных концентраций 100 мг/л и составляет 0,7 мг/г.

Характерной особенностью извлечения алюминия углеродным сорбентом Техносорб-1 является кооперативный эффект коагуляции гидроксида алюминия на поверхности сорбента и в объемной фазе раствора, сопровождающий кажущееся уменьшение величины извлечения в области начальных концентраций более 100 мг/л (рис.1). Максимальный вклад эффекта объемной коагуляции гидроксида алюминия наблюдается в области начальных концентраций от 200 до 300 мг/л.

Поскольку механизм извлечения алюминия из водных растворов углеродным сорбентом Техносорб обусловлен молекулярными реакциями образования и осаждения гидроксида алюминия в щелочной среде, создаваемой поверхностью углеродного сорбента [6], необходим контроль реакции среды. Экспериментальная зависимость степени извлечения (И,%) от pH изоэлектрического состояния сорбента Техносорб в области максимального извлечения имеет вид:

И = 47 ( pH - 8,4),

(3)

где pH - текущее значение pH изоэлектрического состояния углеродного сорбента в ходе процесса извлечения металла;

8,4 - значение pH изоэлектрического состояния оксида алюминия.

Возможности применения углеродного сорбента Техносорб в процессах водоподготовки однозначно определяются требованиями потребителя к величине конечной концентрации алюминия в очищенной воде. Анализируя зависимость степени извлечения алюминия от начальной концентрации раствора (рис. 1) можно прогнозировать наибольшую эффективность применения углеродного сорбента Техносорб для очистки слабозагрязненных вод с концентрацией алюминия до 50 мг/л, где достигаемая степень его извлечения составляет 95-97 %.

Углеродные сорбенты имеют несколько марок, отличающихся пористостью и топографией поверхности, определяющих их адсорбционную активность [1]. Для обоснования рационального выбора сорбента представляет интерес изучение локализации гидроксида алюминия на поверхности углеродного сорбента.

На рис. 2 показана зависимость удельной поверхности углеродного сорбента от содержания алюминия. Немонотонный характер изменения удельной поверхности сорбента при осаждении на ней гидроксида алюминия объясняется, по-видимому, блокировкой устьев адсорбционно- активных микро- и супермикропор сорбента. Дальнейшее осаждение сорбционных слоев на поверхности мезо- и макропор с образованием "гребенкообразных" полислойных структур приводит к увеличению величины удельной поверхности. Последующее уменьшение удельной поверхности позволяет сделать вывод о преимущественном осаждении гидроксида алюминия в пространстве между образовавшимися "наростами" адсорбата и сглаживании поверхности.

Таким образом, проведенные исследования указывают на эффективность применения синтетического углеродного сорбента Техносорб для сорбционного удаления алюминия из слабозагрязненных алюминием вод в статических условиях и позволяют определить некоторые количественные характеристики извлечения. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для исследования различных аспектов динамического извлечения алюминия и практического создания установок для сорбционной очистки природных и сточных вод.

Список литературы

Суровикин В.Ф. Новые углерод-углеродные материалы для различных областей применения // Адсорбция и хроматография макромолекул: Тр. Междунар. 4-го нац. симп. по адс. и хроматогр. макромолекул. М.: Изд-во ПАИМС, 1994. С. 104.

ТУ 38 41538-94. Сорбент технический углеродный Техносорб.

Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1979. С. 372.

ГОСТ 25699.4-90. Углерод технический для производства резины. Метод определения удельной адсорбционной поверхности.

Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Химия, 1975, С. 654.

Раздьяконова Г.И. Ионообменные свойства поверхности технического углерода // Адсорбция и хроматография макромолекул: Тр. Междунар. 4-го нац. симп. по адс. и хроматогр. макромолекул. М.: Изд-во ПАИМС, 1994. C. 83.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.omsu.omskreg.ru/



© Рефератбанк, 2002 - 2017