Автор: В. Ф. Олонцев, А. А. Минькова, К. Н. Генералова
В. Ф. Олонцев, А. А. Минькова, К. Н. Генералова. Представлены сведения об адсорбционной активности порошкообразных активируемых древесных углей и углеродных волокон. Исследования проведены в соответствии с ГОСТ 4453–74. Представленные данные иллюстрируют адсорбцию из органических растворов. Измерения проводятся по данным градуировочного графика. Показана перспективность применения углеродного волокна по сравнению с активируемым углем.
Активируемый уголь и углеродное волокно являются представителями углеродных материалов, которые используются в промышленности и химической технологии в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.
Активируемый уголь (АУ) представляет собой наиболее известную и широко применяемую модификацию углерода. Древесный порошкообразный уголь получается обугливанием дерева без доступа воздуха. Активность угля может быть определена путем испытания его адсорбционной способности по отношению к растворам, органическим красителям.
Углеродные волокна (УВ), относящиеся к классу углеграфитовых материалов, в структурном отношении характеризуются рядом особенностей. Они зависят не только от специфической формы материала (волокно), но и от ориентированной структуры исходных полимеров, из которых получены [1].
На основании сведений о структуре углеродных адсорбентов можно прийти к выводу о том, что их поверхность образована сочетанием плоскостей микрокристаллитов, параллельных гексагональным слоям ароматических углеродных колец, и плоскостей, образованных гранями этих слоев, связанных вандерваальсовыми силами. Именно на этих участках, сформированных из краевых углеродных атомов ароматических колец, возможно существование различных функциональных групп [2].
В настоящее время нет достаточно надежных данных по адсорбции из водных растворов, которые бы свидетельствовали о формировании полимолекулярных адсорбционных слоев. Также нельзя опираться на опыты по адсорбции красителей, так как даже в очень разбавленных растворах ионы красителей в значительной степени ассоциированы, причем степень их ассоциации является функцией не только концентрации, но и содержания в растворе сильных электролитов (ионов неорганических солей) и рН. По тем же причинам не могут быть использованы молекулы поверхностно-активных веществ. При разработке теории адсорбции растворенных веществ необходимо иметь в виду, что при любом соотношении молекул растворенного вещества и растворителя вся поверхность адсорбента полностью покрыта адсорбированными молекулами. При адсорбции из растворов молекулы адсорбата находятся одновременно под влиянием адсорбционного поля поверхности адсорбента и молекул растворителя (силы взаимодействия с которыми противоположны силам адсорбции). В результате на границе раздела фаз (в адсорбционном слое) молекулы растворенного вещества приобретают определенную ориентацию [3].
При поглощении АУ– или УВ–молекул из раствора происходит физическая адсорбция. Она обусловлена в основном вандерваальсовыми силами. В этом процессе адсорбированное соединение не подвергается химическому изменению [2].
Принципиальное отличие адсорбции из растворов от адсорбции газов и паров прежде всего заключается в том, что такая адсорбция всегда имеет вытеснительный характер и осуществляется путем перераспределения компонентов раствора на границе раздела фаз, а не за счет постепенного повышения концентрации вещества у поверхности адсорбента [3].
Физическая адсорбция органических веществ из водных растворов наиболее сильно проявляется при использовании в качестве адсорбентов углеродных материалов, поскольку энергия вандерваальсового взаимодействия молекул воды с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного меньше энергии дисперсионного взаимодействия этих атомов с атомами углеродного скелета органических молекул. Энергия дисперсионного взаимодействия органических молекул с адсорбентом особенно высока в тех случаях, когда углеродные скелеты молекул адсорбента имеют плоскуюструктуру и характеризуются сопряженной системой и связей, как это наблюдается, например, в ароматических соединениях. Большое различие в энергиях взаимодействия молекул компонентов раствора с поверхностью углеродного адсорбента приводит к сильно выраженной избирательной адсорбции органических веществ. Такая избирательность обусловливает технологическое применение адсорбции и является основой адсорбционных механизмов многих процессов [3].
Оценку адсорбции активированных углей проводят на основании результатов, полученных с помощью различных методик. Рассмотрим различные варианты методик.
Адсорбция метиленового голубого дает представление о поверхности активного угля, образованной порами с диаметром больше 1,5 нм. Молекула метиленового голубого имеет относительно большие линейные размеры, тем не менее с помощью адсорбционных опытов на силикатах со слоистой структурой решетки было установлено, что вследствие резонанса трех колец молекула этого красителя адсорбируется как плоская пластина.
В США число метиленового голубого определяют следующим образом: 15 мг измельченного в порошок угля при перемешивании титруют раствором метиленового голубого (1 г/л) до тех пор, пока через 5 мин не прекратится обесцвечивание раствора. Число миллиграммов метиленового голубого, которое адсорбирует 1 г активированного угля, принимают за число метиленового голубого. Титр стандартного раствора метиленового голубого соответствует американскому числу метиленового голубого 7,5.
В японской промышленности стандартный метод основан на адсорбции метиленового голубого из раствора с концентрацией 1,2 г/л. После 5–минутного встряхивания с активированным углем раствор фильтруют через предварительно пропитанную раствором метиленового голубого фильтровальную бумагу. Таким образом, можно свести к минимуму ошибки за счет потери красителя на бумаге. Количество опытов увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута остаточная стандартная окраска [4].
Адсорбция фенола. С помощью этого способа на различных навесках измельченного в порошок угля определяется изотерма Фрейндлиха. Затем графически оценивается адсорбционная емкость при равновесной концентрации фенола 1 мг/л, которая принимается за адсорбционную емкость по фенолу [4].
Адсорбция алкилбензолсульфоната. При подготовке питьевой и технической воды, а также при очистке сточных вод во многих случаях адсорбция алкилбензолсульфоната является важной характеристикой при выборе активированного угля. Испытания проводятся на порошковом угле. После определения изотермы Фрейндлиха адсорбционная емкость определяется относительно остаточной концентрации 1,0 и 0,1 млн–1 [4].
Адсорбция иода. В соответствии с этим методом под йодным числом активированного угля понимают количество иода (мг), которое может адсорбировать 1 г этого угля в порошкообразной форме из разбавленного водного раствора иода; остаточная равновесная концентрация иодного раствора должна быть 0,02 н. Предполагается, что при таком значении иод адсорбируется в виде монослоя. Существует зависимость между иодным числом активированного угля и его удельной поверхностью, которую можно определить по методу Брюнера–Эммета–Теллера (БЭТ). Иод адсорбируется в основном на поверхности пор с диаметром значительно более 1 нм, а при большой удельной поверхности возрастает доля тонких пор, которые не доступны молекулам иода [2]
Методика эксперимента. Для определения адсорбции была выбрана методика, представленная в ГОСТ 4453–74 [5]. Этот стандарт подразумевает определение адсорбционной активности порошкообразного активированного угля, значение которой должно соответствовать норме и быть не менее 225 мг/г.
Приведем основные физико-химические характеристики активированного угля, используемого в работе. Уголь активированный осветляющий (ОУ-А) получают из древесного угля-сырца методом парогазовай активации с последующим размолом [6].
Сделаем следующие выводы. Адсорбция растворенных органических
веществ лежит в основе многих технологических процессов. Особенно актуально использование сорбционных процессов в технологии очистки от органических веществ. На адсорбционную активность влияет не только пористая
структура, но и сырье. Объектами исследования в работе являлись уголь марки ОУ–А и УВ. Доказана перспективность применения УВ по сравнению
с АУ. Активированное углеродное волокно не является просто волокнистым
активным углем
, оно обладает высокофункциональными свойствами, которых нет у традиционного гранулированного и порошкообразного активированных углей. Благод