Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

АНАЛИЗ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИРОДНОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Борисова В.Ю. 1 Завалюев В.Э. 1 Кондакова Н.В. 1 Хайсерова Л.Я. 1
1 ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»
Настоящая статья посвящена анализу существующих и исследуемых материалов природного и промышленного происхождения, с помощью которых осуществляется физико-химическая очистка сточных вод. Наряду с уже известным активированным углем используются различные его модификации, в том числе и порошкообразная. Применяются сорбенты из цеолитов, «шоколадных глин», в основном для вод с высоким солесодержанием. Сорбционные установки, как правило, устраивают в виде фильтров, которые могут быть вертикальные или горизонтальные, напорные или безнапорные. Известны установки с загрузкой из гранулированного синтетического материала – пенополиуретана. Но больший интерес представляют материалы из косточек абрикоса, лузги подсолнечника и других отходов растительного происхождения. Это наиболее экономичный материал, так как является вторсырьем, и произрастает во многих регионах. Вопрос остается лишь в выборе обработки,повышающей сорбционные свойства.
сорбционные свойства
сточные воды
активированные угли
цеолиты
адсорбтив
адсорбат
1. Гончаров Ю.Н. Совершенствование технологии очистки высоко-минерализованных вод поверхностных источников: дис. ... канд. техн. наук. – Волгоград, 2014. – С. 149.
2. Долбня И.В. Сорбционный материал на основе абрикосовой косточки для очистки сточных вод от нефтепродуктов // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. – 2015. – № 4 (88).
3. Идиатулов Р.К. Влияние эластомерных добавок на получение и свойства наполненных волокнистых материалов, формуемых из растворов полимеров // Химические волокна. – 2011. – № 1. – С. 63–66.
4. Кирш А.А. Фильтрация аэрозолей волокнистыми материалами ФП // Российский Химический журнал. – 2008. – № 5. – С. 97–102.
5. Когановский А.М. Адсорбция органических веществ из воды / А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Т.М. Лнвченко, И.Г. Рода: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – Л.: Химия, 1990. – С. 256.
6. Павлов Д.В. Очистка сточных вод с высоким содержанием соли // Экология производства. – 2012. – № 7. – С. 68–71.
7. Рысюк Б.Д., Генис А.В. Направления работ КЭМЗ «Стенд» и ВНИИСВа по созданию оборудования для производства волокнистых нетканых материалов // Химические волокна. – 1992. – № 4. – С. 47–54.
8. Серпокрылов Н.С. Мобильно–картриджная система малых насе-ленных мест // Водоснабжение и канализация. – 2012. – № 9–10. – С. 34–42.
9. Сорбционный материал [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru-ecology.info/term/11437.
10. Ямансарова Э.Т. Исследование сорбционных свойств материалов на основе растительного сырья по отношению нефтяным загрязнениям воды // Вестник Башкирского университета. – 2015. – № 4.
11. Das D., Pourdeyhimi B. Composite Nonwoven Materials. Cambrige: Woodhead Publishing is an imprint of Elsevier, 2014. – P. 253.

В настоящее время одними из наиболее эффективных методов очистки сточных вод от специфических загрязнений признаны физико-химические методы, а именно процессы сорбции.

Вопросами изучения сорбционных качеств материалов естественного и искусственного происхождения занимаются ученые многих стран, в том числе и нашей.

Сорбционные явления основаны на физическом и химическом взаимодействии сорбата и сорбента. Материал, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называют сорбентом, а само вещество – сорбатом [5].

Адсорбция из водных растворов – процесс сложный, и поэтому, несмотря на многовековое практическое использование, пока отсутствуют универсальные расчетные зависимости, описывающие процесс очистки от разного вида загрязнений. Основную информацию о сорбционных свойствах материала и характере адсорбции на нем определенных веществ содержат изотермы адсорбции – зависимости концентраций сорбата на сорбенте, или адсорбционной емкости (А, мг/л), от концентрации сорбируемого вещества в растворе (С, мг/л) при постоянной температуре: Л = /(С)Т.

В качестве адсорбентов применяют природные и искусственные материалы. Выпускаемые промышленностью адсорбенты должны удовлетворять определенным стандартным показателям, в числе которых прочность на истирание, сорбционная емкость и др.

Сорбционные установки, как правило, устраивают в виде фильтров, которые могут быть вертикальные или горизонтальные, напорные или безнапорные (рис. 1). Скорость фильтрации зависит от крупности фильтрующего материала, принимается в среднем 2 м/ч [7, 8].

pic_1.tif

Рис. 1. Сорбционная установка

Как уже отмечалось ранее, для сорбционной очистки воды используют множество материалов естественного и искусственного происхождения, однако чаще других применяют активированный уголь АУ (рис. 2).

pic_2.tif

Рис. 2. Вид АУ

Несмотря на интенсивные поиски заменителей, пока не удалось найти иного материала, который был бы столь эффективен в качестве сорбента, как АУ [9]. В настоящее время для сорбции из водных растворов используют гранулированные (ГАУ) и порошкообразные (ПАУ) угли, а также углеродные волокна.

В МИСИ имени В.В. Куйбышева разработан способ сорбционной очистки сточных вод фильтрованием через тонкодисперсный активированный уголь [9]. Способ базируется на использовании в качестве адсорберов намывных фильтров. Технологическая схема представлена несколькими намывными фильтрами. Первый из них с загрузкой вспомогательного фильтрующего порошка (диатомита, перлита и др.) устанавливается для задержания взвешенных загрязнений. Последующие фильтры представляют собой адсорберы с развитой поверхностью фазового контакта за счет того, что тонкодисперсный активированный уголь располагается на значительной поверхности намывных фильтров. Противоток в схеме организован переключением аппаратов с недонасыщенным углем навстречу сточной воде. Фильтрующий слой на внутреннюю поверхность фильтра намывается из бака-суспензатора с помощью насоса. Удаление (смыв) отработанного материала осуществляется обратным током воды. Смыв перлита производится после потери давления в нем 0,36 МПа, смыв угля – только с первого по ходу воды адсорбера при истощении его сорбционной способности.

В отличие от ионитов диапазон применения пористых сорбционных материалов, основными представителями которых являются активированные угли и силикагель, значительно шире. Они могут использоваться для очистки как растворов, так и паровоздушных смесей. Сфера применения определяется структурой используемого материала.

Порошкообразный активный уголь имеет развитую поверхность, что обусловливает его высокие сорбционные свойства. Скорость адсорбции растворенных загрязнений ПАУ очень высокая: менее чем за 10 мин контакта с водой достигается равновесное состояние. Вследствие малого размера частиц ПАУ применяют в виде суспензий, которые вводят в отстойники либо используют при фильтрации в качестве намывного материала. В последнем случае могут быть применены различные типы намывных фильтров: патронные, дисковые, камерные, а также с центробежной выгрузкой осадка.

Процесс получения активированного угля из активного ила, предварительно высушенного до влажности 5–10 %, сводится к термическому разложению (деструкции) органического материала до получения карбонизованного остатка (полукокса) и последующей активации его водяным перегретым паром. В результате воздействия паром происходит удаление углеводородов и смолистых веществ с поверхности полукокса, который после этого получается более разрыхленным, с развитой пористой структурой. Наиболее целесообразная температура водяного пара определена в 700 °С. Более высокая температура ведет к резкому увеличению зольности, обгару угля и падению его сорбционной способности. Оптимальная продолжительность активации, как показали опыты, равна 60 мин. При большей продолжительности увеличивается обгар и зольность активированного угля [9].

Ультрафильтрационные системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала мембран обеспечивают разделение растворов без потерь и чистый фильтрат от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания волокон и частиц из фильтрата после использования волокнистых и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область использования ультрафильтрации постоянно растет. Причина – возможность восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.

Из недавно опубликованных исследований стало известно, что в мире используется кипящий слой материала с сорбционными и каталитическими свойствами [11].

При пиролизе отходов древесины по известной технологии образуется полидисперсный порошок с размерами частиц 0,3–0,7 мм. Сорбционная емкость такого нефтесорбента «Илокор» составляет 8,0–8,8 г нефти на 1 г сорбента. Удельная поверхность сорбента, определенная методом ртутной порометрии, колеблется в пределах 2840–3660 мг/г. Плотность «Илокора» – 0,82–0,87 г/см3, насыпная масса – 82 кг/м3. Разработанный материал является экологически чистым, не оказывающим даже незначительного отрицательного влияния на все звенья экологической цепи природных экосистем, в первую очередь биологических объектов, вплоть до генетического уровня.

В Харьковском отделении ВНИИ ВОДГЕО были проведены исследования по доочистке биологически очищенных сточных вод на фильтрах, в которых в качестве загрузки использовался гранулированный синтетический материал – пенополиуретан (поролон) [4]. Характерными особенностями поролона помимо его малого объемного веса 0,028–0,045 г/см3 и высокой пористости 90–92 % являются его упругость и эластичность, а также высокие сорбционные и адгезионные свойства.

Следующий метод – ионообменный метод фильтрации. Он требует для своей реализации ионитов – ионообменных (катионных и анионных) смол или искусственных материалов с такими же свойствами. Эти свойства состоят в том, что ионообменный материал способен захватывать из воды одни ионы, насыщая ее другими ионами, входящими в его состав.

Для очистки воды все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты, «шоколадные» глины и некоторые другие материалы) (рис. 3) [1, 6].

pic_3.tif

Рис. 3. «Шоколадная» глина

Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой сорбционной емкостью их, избирательностью, катионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью (иногда – как местного материала).

Так, на крупных производствах, имеющих свои ТЭЦ, а также на ГРЭС накапливаются большие количества золы и шлака. Измельченное состояние, особенно летучей золы, количество которой составляет около 70–75 % всей суммы образующихся золы и шлака, привели к мысли, что этот материал, обладая развитой поверхностью, может проявлять сорбционные свойства. Большие массы золы и шлака, образующиеся в топках, выдвинули новый, более дешевый способ их удаления – гидрозолоудаление.

Относительно хорошие результаты по сорбции ионов таких металлов, как медь и цинк, были получены в опытах с использованием в качестве сорбента шлака свинцовой плавки: степень очистки от меди и цинка составила 95–98 %. Немагнитная фракция клинкера способна извлекать из раствора медь и мышьяк на 90–95 %, но для очистки сточных вод от цинка этот материал непригоден. Незначительна сорбционная емкость по меди и цинку у шлака отражательной плавки сульфидных медных концентратов. Наилучшие результаты получены в опытах с использованием актюбинского феррохромового шлака; его сорбционная емкость возрастает с увеличением содержания в нем оксида кальция. Использование высокоосновных шлаков позволяет очищать растворы от ионов цветных металлов до ПДК. Наиболее активный феррохромовый шлак имеет емкость по меди 80–100 и по цинку 50–60 мг/г. Промышленные испытания с использованием феррохромового шлака показали реальную возможность очистки промышленных сточных вод от ионов цинка, меди, кадмия, свинца и других компонентов.

Известны производства сорбционных материалов из отходов, получаемых при утилизации автомобильных шин за счет низкотемпературного пиролиза, протекающего при (250–400) °С (рис. 4). Образующийся твердый остаток, как показали результаты элементного анализа, содержит до 95 % мас. углерода (в пересчете на сухое беззольное вещество).

Величина удельной поверхности составляет 32 м2/г, сорбционная активность данного продукта, найденная по различным методикам, позволяет использовать его в процессах сорбции.

Поэтому оценку сорбционных свойств проводили путем сравнения результатов измерений с помощью различных адсорбтивов: метиленового голубого, фенола, йода.

Адсорбция метиленового голубого дает представление о поверхности сорбента, образованной порами с диаметрами больше 1,5 нм. В исследуемом диапазоне концентраций максимальная величина сорбционной емкости твердого остатка пиролиза автомобильных шин составила 320 мг/г, что не ниже аналогичной величины для известных марок активных углей [3, 5].

Аналогичный опыт проведен для метиленового красного (остаточную концентрацию красителя определяли фотометрическим методом), в результате была найдена сорбционная емкость, равная 450 мг/г.

Адсорбцию фенола проводили из растворов в диапазоне исходных концентраций 1,0–10,0 ммоль/дм3. Найденная величина сорбционной емкости составила 244 мг/г, что согласуется с литературными данными, приведенными для адсорбции фенола из водных растворов на угле КАД.

Таким образом, результаты выполненных исследований свидетельствуют о возможности использования твердого остатка низкотемпературного пиролиза автомобильных шин в качестве сорбента для удаления некоторых органических загрязнений для очистки сточных вод.

pic_4.tif

Рис. 4. Материал из отработанных шин

Проанализирована перспективность получения из вторичного растительного сырья материалов, обладающих адсорбционными свойствами [10]. Получены новые сорбционные материалы на основе лузги подсолнечника и шелухи гречихи (рис. 5).

pic_5.tif

Рис. 5. Материал на основе лузги подсолнечника

Сорбенты получали путем обработки исходного воздушно-сухого сырья горячей дистиллированной водой (90 °С), а затем – водным раствором этилового спирта (1:1). После этого замачивали в концентрированной соляной кислоте с последующей обработкой концентрированным раствором едкого натра в течение двух часов при комнатной температуре. Другой способ заключался в замораживании промытого сырья при температуре –20 °С в течение 50 часов, после чего размораживали с помощью водяного пара при температуре 100 °С. Была исследована их адсорбционная способность. Показано, что наибольшей эффективностью обладает материал из шелухи гречихи, последовательно обработанный концентрированной соляной кислотой и раствором едкого натра. Полученные материалы по своим адсорбционным свойствам по отношению к нефтепродуктам не уступают современным промышленным сорбентам.

Проводятся исследования по изучению сорбционных свойств сорбента, полученного из отходов пищевых производств агропромышленного комплекса – абрикосовой косточки [2]. Сорбционный материал получают путем химической модификации и термообработкой. Было выявлено, что данный сорбент обладает достаточной пористостью, удельной поверхностью, сорбционной емкостью к нефтепродуктам, эффективность очистки составляет 85–98 %.

Следует вывод, что крупномасштабное использование различных сорбентов в целях охраны окружающей среды (очистка стоков, газовых выбросов, загрязненных почв) требует расширения производства пористых углеродных материалов из дешевых видов органического сырья: ископаемых твердых топлив, различных природных и техногенных органических отходов, материалов. При этом в настоящее время большое внимание уделяется изучению сорбционных свойств природного происхождения, а именно растительного.


Библиографическая ссылка

Борисова В.Ю., Завалюев В.Э., Кондакова Н.В., Хайсерова Л.Я. АНАЛИЗ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИРОДНОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 9-2. – С. 233-237;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40726 (дата обращения: 21.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074