Определение адсорбционных характеристик трепела и анализ методов активации для их улучшения

Аннотация

В докладе проанализирована возможность использования адсорбента на основе природных компонентов. Представлен химический состав трепела, определены адсорбционные емкости по метиленовому оранжевому и йоду, пористость адсорбента и рассмотрены методы активации для улучшения его адсорбционных характеристик.

Ключевые слова: АДСОРБЦИЯ, АДСОРБЕНТ, ТРЕПЕЛ, СВОЙСТВА, ПОРИСТОСТЬ, АДСОРБЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ,  АКТИВАЦИЯ

The report analyzed the possibility of using the adsorbent based on natural ingredients. Presented by the chemical composition of tripoli, identified adsorption capacity of methylene orange and iodine, the porosity of the adsorbent and discussed methods of activation to improve its adsorption characteristics.

Keywords: ADSORPTION, ADSORBENT, TRIPOLI, PROPERTIES, POROSITY, ADSORPTION CAPACITY, ACTIVATE

Основная информация

Адсорбция — это поглощение газа или жидкости поверхностью твердого тела за счет сил межмолекулярного взаимодействия молекул различных газов, жидкостей и молекул твердого тела — адсорбента, который обладает большой удельной поверхностью пор. Адсорбенты по происхождению можно разделить на две основные группы: природные (естественные) и искусственные (синтетические). Адсорбенты на основе природных компонентов стали все чаще находить применение в промышленности в связи с эффективностью и экономической выгодой. К их основным преимуществам относят прежде всего низкую стоимость, легкость добычи и изготовления, что не требует трудоемких и энергоемких затрат, а также возможность их повторного использования или утилизации без вреда для окружающей среды в целом. По химическому составу адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы и некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели, цеолиты и глинистые породы.

Трепел – это природный осадочный минерал, аналогичный диатомиту, содержащий до 80 % активного кремнезема SiO₂, но содержащий меньше органических остатков. Химический состав трепелов и диатомитов почти одинаков, однако микроструктура разная. Это объясняется различием в геологическом возрасте отложений. Эта порода состоит целиком или почти целиком из панцирей диатомовых водорослей, преимущественно родов Gaillonella и Bacillaria, a также некоторых других; по расчету Эренберга, в куб. дюйме трепела содержится до 41 миллиард таких панцирей. Крупнейшими месторождениями трепела можно назвать Билин в Богемии, Лаахерское озеро, окрестности Берлина, Калужская и Смоленская области в России,  г.Кировоград, Амвросиевка в Донецкой области. Например, химический состав трепела из Билина следущий: кремнекислоты 87,58 %, глинозема (с небольшой примесью оксида железа) 2,04 %, извести 1,09 %, магнезии 0,30 %, воды 8,89 %. В некоторых трепелах следы органического происхождения замаскированы метаморфизацией или даже совершенно отсутствуют. Пластичность трепела зависит от содержания в нем глинистых примесей, а средняя плотность трепелов в зависимости от месторождения колеблется от 2000–3000 кг/м³; твёрдость 1–3 [1].

Для определения основных адсорбционных характеристик трепела исследовали 3 образца. Образец № 1 трепела взят без предварительной подготовки. Образец № 2 трепела был обработан СВЧ-излучением при мощности 320 Вт на протяжении 30 минут.  Образец № 3 — просушен при 200 ⁰С в течении двух часов. Далее каждый образец подвергался лабораторным исследованиям.

Пористость является одной из важнейших характеристик адсорбента, которая показывает степень заполнения его объема порами и выражается в процентах. Различают 3 вида пористости: истинную (общая), кажущуюся (открытая) и закрытую. Кажущуюся пористость определяли отношением прироста массы после водопоглощения кипячением к массе образца трепела. Водопоглощение — это выраженное в процентах отношение массы воды, поглощаемой образцом к массе сухого образца. Результаты эксперимента приведены в таблице 1. Следовательно, у образца № 3 пористость выше.

 

Таблица 1. Результаты экспериментов

Одна из важнейших характеристик трепела является его адсорбционная емкость, которая выражает максимальное количество адсорбата, которое может быть адсорбировано на адсорбенте. Именно этот показатель в решающей степени влияет на величину капитальных затрат, так как им определяется необходимое количество адсорбента. Для любого адсорбента его адсорбционная емкость зависит прежде всего от концентрации вещества или парциального давления, температуры и от природы адсорбента. Чаще всего этот показатель представляют в виде кривых, соответствующих фиксированным значениям температуры - в виде изотерм или оценивают в виде цифровых параметров. Экспериментально определялись адсорбционная емкость трепела по метиленовому оранжевому (МО) в соответствии с ГОСТ 6217–74 и адсорбционная емкость трепела по йоду в соответствии с ГОСТ 4453–74. Йодное число является приближенной мерой способности вещества адсорбировать небольшие молекулы и зависит от величины площади поверхности. Результаты двух экспериментов сведены в таблицу 1.

Природные сорбенты, в том числе и трепел, активируют или модифицируют для увеличения физико-химических, каталитических и адсорбционных свойств методами термической активации, обработкой щелочами и кислотами, неорганическими и органическими веществами, гидротермальной обработкой.

При термической обработке трепела основное внимание исследователей было обращено на определение оптимальной температуры активации. Однако среди изученных работ нет четко установленной температуры активации сорбентов, она колеблется в широких пределах от 110 до 700 ⁰С. Это вполне объяснимо, поскольку сорбенты имеют различную природу, исходный минералогический состав и генезис. Оптимальная температура активации трепела 200–300 °С до потери гидратной воды 50–80 %, приблизительно такая же температура (150–300 °С) была предложена Осокиным А. П., Энтиным З. Б., Семиндейкиным В. Н., Бахаревым М. В., Сиденко И. Л., Нефедовой Л. С. Что касается механизма термической активации, то повышение адсорбционной способности сорбентов при термообработке обусловлено удалением адсорбированной и конституционной воды, то есть увеличением общей пористости. Близко к термической активации стоит метод гидротермального модифицирования природных сорбентов обработка в парах воды при высоких температурах и давлении.

Вместе с тем, для повышения эффективности процесса сорбции необходимо разрыхление и увеличение площади поверхности сорбентов. Для достижения подобного эффекта используют методы измельчения твердых частиц и активации поверхности, чаще всего в виде обработки химическими агентами: кислотами или щелочами. Метод химического модифицирования трепела позволяет шире регулировать степень изменения иго структуры от незначительных до глубокой деструкции при длительном воздействии химических реагентов

Наиболее распространена кислотная активация природных сорбентов. Оптимальные условия активации кислотами минералов, при которых достигается их наибольшая адсорбционная активность, находятся путем опыта. Как правило, при кислотной активации сорбентов используют 15–20 % H₂SO₄ или 10–15 % HCl, взятых в количестве 50% от воздушно-сухой навески, длительность обработки составляет 2–6 часов. Имеются сведения об использовании активации фосфорной кислотой, механизм сводится к растворению и вымыванию катионов щелочных и щелочноземельных металлов из каркаса минерала. Как ионы водорода, так и ионы алюминия занимают обменные позиции и создают обменную (Н, Al) активность сорбента. Этот же процесс является одним из недостатков кислотной активации, в результате чего происходит удаление значительного количества оксида алюминия из матрицы сорбентов, их активность и стабильность падают. Другим недостатком, отмеченным исследователями, является потеря механической прочности сорбента после его кислотной активации.

Активация минеральных природных сорбентов с применением щелочей и извести отражена во многих работах. Под действием этих веществ происходят изменения физико-химических и механических свойств трепела и других природных сорбентов и возможно образование новых фаз, которые по своим химическим и адсорбционно-структурным свойствам резко отличаются от исходного минерала и обладают, как правило, большей адсорбционной способностью [2].

 

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Дистанов У. Г.., Конюхова Т. П., Минеральное сырье. Сорбенты природные:.– М.: Геоинформмарк, 1999.–107 с.
2. Зеленцов В. И., Дацко Т. Я., Электрообработка природных сорбентов. Электронная обработка материалов. № 3, 2006. – 137 с.