Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У будь-якій галузі промисловості використовуються процеси сорбції речовин.

Адсорбенти – високодисперсні природні або штучні матеріали з великою питомою поверхнею, на якій відбувається адсорбція речовин з дотичних з нею газів або рідин. Адсорбенти застосовують для очищення води від металів і домішок, в протигазах, в якості носіїв каталізаторів, в медицині для поглинання газів і отрут.

Також адсорбенти застосовуються як наповнювачі для полімерів, для хроматографічного розділення сумішей в хроматографії, в нафтопереробці (риформінг, гідроочищення, гідрокрекінг), нафтохімії для очищення нафтопродуктів (нафти, бензину та т. д.) і газів, від кислот – продуктів окислення олії, як статичні осушувачі при консервації приладів і обладнання, а також в високовакуумної техніці для сорбційних насосів.

Адсорбційні властивості адсорбентів залежать від хімічного складу і фізичного стану поверхні, від характеру пористості і питомої поверхні (поверхні, що припадає на 1 г речовини). Непористі адсорбенти (мелені кристали, частки димів, сажі, аеросил) мають питомі поверхні від 1 м2/г до 500 м2/г. Питома поверхня пористих адсорбентів (силікагелей, активованого оксиду (окису) алюмінію (алюмогель), алюмосилікатних каталізаторів, активованого вугілля) досягає 1000 м2/ г. Пористі адсорбенти отримують, створюючи мережі пор в грубодисперсних твердих тілах хімічною дією.

Найпоширенішими адсорбентами є активні (активовані) вугілля, які отримують шляхом термічної деструкції речовин, що містять вуглець. Найбільш часто, в якості сировини використовується береза. Березові активні вугілля (БАУ) можна застосовувати для процесів сорбції в харчовій промисловості і медицині – це говорить про високу якість даних адсорбентів. Але слід памʼятати, що береза – довго відновлюване джерело сировини, не кажучи вже про погіршення екологічного стану регіонів, де проводиться масова вирубка цих дерев.

1. Актуальність теми

Адсорбентами можуть виступати різноманітні матеріали з високою питомою поверхнею: пористий вуглець (найбільш поширена форма – активоване вугілля), силикагели, цеоліти, а також деякі інші групи природних мінералів і синтетичних речовин. Високоякісні адсорбенти отримують піролізом малосмолистих порід дерев, наприклад берези, що, безумовно, не прийнятно як з соціальної, так і з екологічної точок зору. Тому в даний час активно розробляються способи отримання активного вугілля з альтернативної сировини.

2. Мета і задачі дослідження

Основною метою даної роботою є розробка способу отримання нових адсорбентів з швидко відновлюваної рослинної сировини.

Основні задачі дослідження:

  1. Розглянути можливість отримання адсорбентів з нетрадиційного виду сировини.
  2. Отримати зразки адсорбентів з рослинної сировини.
  3. Вивчити вплив солей на процес отримання активованого вугілля.
  4. Зробити висновок про можливість застосування отриманих зразків замість традиційного активованого вугілля.

3. Основна частина

Адсорбція – процес самовільного перерозподілу компонентів системи між поверхневим шаром та обʼємної фазою.

3.1. Теорія адсорбції

Адсорбція є механізм закріплення речовин, що знаходяться в молекулярній або іонній формі, на поверхні матеріалів з певними властивостями. Цей процес супроводжується, як правило, перенесенням речовини, що знаходиться в стані істинного або колоїдного розчину на твердофазних поверхню. Адсорбційні властивості таких твердих тіл визначаються, перш за все, їх питомою поверхнею, яка вимірюється в квадратних метрах на грам адсорбуючої речовини.

Адсорбція полягає в уловлюванні поверхнею микропористого адсорбенту (активоване вугілля, силікагель, цеоліти) молекул шкідливих речовин. Одним з кращих адсорбентів є активоване вугілля, у якого в 1 г міститься до 1600 м2 поверхонь.

Крім загальної площі поверхні адсорбенту, рівень адсорбції визначається так само і характером звʼязку адсорбенту та адсорбуємої речовини [1].

Переважно на величину адсорбції впливають сили Ван-дер-Ваальса [2], а також сили електростатичного притягання.

Механізм протікання процесу фізичної адсорбції за моделлю Ван-дер-Ваальса пояснюється орієнтаційним, індукційним і дисперсійним ефектами. Орієнтаційний ефект полягає в наступному. Незаряджені молекули можуть мати дипольний момент, характерною рисою якого є розбіжність центрів тяжіння позитивних і негативних зарядів (дипольний момент залежить від самого заряду і відстані між центрами тяжіння). Взаємодія молекул з дипольними моментами відбувається за типом тяжіння в разі, якщо різнойменні заряди ближче один до одного, ніж однойменні.

Має значення і спорідненість між молекулами, наприклад, ароматичними вуглеводнями і вуглецем, що має структуру графіту, у якого виникають сили відштовхування з органічними сполуками іншої будови. Так само має значення і час контакту між адсорбуючою речовиною. Маса адсорбованої речовини, яка припадає на одиницю поверхні сорбенту, визначається її концентрацією у водному середовищі. У рівноважному стані молекули, адсорбовані на поверхні, постійно міняються місцями, що в певному наближенні описується законом Фрейндліха [3].

Експериментальні ізотерми адсорбції є найбільш поширеним способом опису адсорбційних явищ. Методи отримання адсорбційних даних для побудови ізотерм адсорбції засновані на вимірі кількості газу (рідини), видаленого з газової (рідкої) фази при адсорбції, а також на різних способах визначення кількості адсорбата на поверхні адсорбенту.

Розрізняють шість (пʼять) основних типів ізотерм адсорбції (рис. 1). Тип I характерний для мікропористих твердих тіл з відносно малою часткою зовнішньої поверхні. Тип II вказує на полімолекулярну адсорбцію на непористих або макропористістю адсорбентах. Тип III характерний для непористих сорбентів з малою енергією взаємодії адсорбент-адсорбат. Типи IV і V аналогічні типам II і III, але для пористих адсорбентів. Ізотерми типу VI характерні для непористих адсорбентів з однорідною поверхнею [4].

Рисунок 1 – Типи ізотерм адсорбції

Рисунок 1 – Типи ізотерм адсорбції

Ізотерми адсорбції використовуються для розрахунку питомої поверхні матеріалів, середнього розміру пор або середнього розміру нанесених частинок, розподілу пор або частинок за розмірами.

3.2. Типи адсорбентів

Розглядаючи вплив полярності на збільшення енергії взаємодії, професор Кисельов і співавтори розділили адсорбцію на специфічну і неспецифічну. У першому випадку адсорбція обумовлена лише співвідношенням дисперсійних сил і сил відштовхування, а в другому – ще й дією кулонівських сил.

Кисельов розділив адсорбенти на три класи [5] у відповідності з наступними ознаками:

1-й клас – на поверхні не міститься ніяких іонів або позитивно заряджених груп, наприклад, графітовий сажа.

2-й клас – на поверхні є зосереджені позитивні заряди, наприклад, групи ОН на гідроксильованих оксидах.

3-й клас – на поверхні є зосереджені негативні заряди, наприклад, =О, =СО.

Крім хімічної структури слід враховувати і особливості внутрішньої геометричної структури адсорбентів. З цієї точки зору адсорбенти діляться на дві групи [5]:

1-я група – непористі адсорбенти;

2-я група – пористі адсорбенти, що підрозділяються на однорідно пористі і неоднорідне пористі.

Пористі адсорбенти відрізняються від непористих наявністю системи пор, мають характерну структуру. Форма і ширина пор можуть бути самими різними: це можуть бути і мікроскопічні поглиблення, і борозенки глибиною близько 1 мкм, і порожнечі, діаметр яких близький до діаметру молекули адсорбируемого зʼєднання [6].

Розміри отворів пор впливають на массообмен, тобто на швидкість перенесення речовини до внутрішньої поверхні, на якій відбуваються процеси адсорбції і десорбції, найбільш важливі для здійснення процесу газохроматографического поділу.

В вузьких порах адсорбовані молекули одночасно взаємодіють з адсорбційними центрами, розташованими на протилежних стінках пор.

Такий підхід призводить до поділу пористих адсорбентів на три групи [7]:

– макропористісті;

– мезопористі;

– мікропористі

Кордон між різними класами не є жорстко визначеним, оскільки він залежить і від форми пор, і від природи молекул адсорбтива. Так, найбільший розмір пор при якому ще спостерігається збільшення адсорбції, тобто верхня межа розмірів мікропор, може бути різною [8].

3.3. Способи отримання адсорбентів

Найважливішою сировиною для отримання активного вугілля є деревина (у вигляді тирси), деревне вугілля, торф, торфʼяний кокс, деяке камʼяне і буре вугілля, а також напівкокс бурого вугілля.

Відходи деревини, карбонізують в обертових печах або апаратах з рухомими шарами. Кускове і гранульоване вугілля, а також пресовані вироби з вугільного пилу і сполучного, активуються в шахтних і обертових печах водяною парою або діоксидом вуглецю при 800 °С. У процесі активації зростають обсяг пор, питома поверхня сорбенту, змінюється співвідношення між обсягами мікро-, мезо- і макропор. Швидкість газифікації поверхневого вуглецю в процесі активації залежить від ступеня структурної впорядкованості вуглецевого матеріалу. Найбільш легко і швидко газифікується вуглець в розупорядкованих областях вуглецевої поверхні. Приготовлені зі сполучною формовані вугілля необхідно термічно обробляти перед активуванням при температурі близько 5000 °С, сполучна в цих випадках частково карбонізуется. Якість активного вугілля залежить від властивостей вихідного матеріалу і від режиму активування. Характеристикою ступеня активування вугілля є обгар, тобто відсоток згорілого вугілля по відношенню до вихідного її кількості. Активоване деревне вугілля відрізняється високим ступенем чистоти [8].

Загальний обсяг часу, а також кількість великих пор значно зростають зі зростанням швидкості нагрівання сировини. Повільні швидкості нагріву реалізуються в технологіях піролізу в реакторах з нерухомим шаром сировини. Більш продуктивні технології піролізу засновані на використанні подрібненої сировини і реакторів з так званим псевдозрідженим або киплячим шаром: захоплюються потоком газу дрібні частинки сировини як би знаходяться в киплячому стані. Перевагою реакторів з киплячим шаром є висока швидкість масо-і теплопереносу, що забезпечує підвищену інтенсивність процесу піролізу в порівнянні з технологіями піролізу в нерухомому шарі сировини [9].

Також важливим адсорбентом на сьогоднішній день є силікагель. Це один з найперших мінеральних синтетичних сорбентів, що знайшов широке застосування в промисловості. Силікагель не втратив свого промислового значення, незважаючи на те, що в останні роки бурхливо розвиваються адсорбційні процеси з використанням унікальних кристалічних сорбентів – цеолітів.

Технічний силікагель одержують у такий спосіб: шляхом взаємодії розчину силікату натрію або калію (рідке скло) з соляною або сірчаною кислотою отримують гель, який висушують, а потім розламують на шматки, промивають водою, знову сушать, подрібнюють, фракціюють і прожарюють до повного видалення вологи. Товарний силікагель випускають у вигляді зерен або кулястих гранул [10].

Слід зазначити, що сучасні підходи до вивчення структурно-сорбційних властивостей дозволяє прогнозувати відповідність структури пористих матеріалів завданням їх застосування і теоретично обґрунтувати закономірності адсорбції різних речовин.

3.4. Будова та властивості адсорбентів

В даний час активне вугілля відносять до групи мікрокристалічних різновидів вуглецю. В активних вугіллях шари безладно зрушені відносно один одного і не збігаються в напрямі, перпендикулярному площині шарів (рис. 2).

Рисунок 2 – Будова графітових шарів

Рисунок 2 – Будова графітових шарів

Неоднорідна маса, що складається з кристалітів графіту і аморфного вуглецю, обумовлює незвичайну структуру активованого вугілля. Між окремими частинками зʼявляються щілини і тріщини (пори). Між мікро- і макропорами існують мезопори, які є основними транспортними артеріями, за якими здійснюється підведення сорбуючого речовини до «ємкостей». Макропори виконують роль великих транспортних артерій в зернах адсорбентів. Через цю систему пор здійснюється транспорт речовин, що сорбуюься до внутрішньої поверхні вуглець матеріалу [11].

4. Вплив солей на забарвленість розчинів

Колоїдні системи – дисперсні системи, проміжні між істинними розчинами і грубодисперсними системами – суспензіями і емульсіями [12].

В вільнодисперсних колоїдних системах (дими, золі) частки не випадають в осад.

Висолювання – це виділення в осад розчиненої речовини, що викликається добавкою до розчину великої кількості нейтральних солей [13].

В явищах висолювання, основне значення має витіснення молекул розчинених речовин з електричного поля іонів, які сильно звʼязуються з дипольними молекулами розчинника. За своїм впливом на висолювання іони розташовуються в послідовності, званої Ліотропними рядами або рядами Гофмейстера, зокрема для натрієвих солей: SO42- > цитрат > ацетат > Cl->NO3->Br->J->CNS-, де ліві члени ряду сприяють висолюванню, а праві три члена перешкоджають висолюванню; для хлористих солей Li+>Na+> K+>NH4+ [13].

Ліотропні ряди проявляються також у впливі іонів на набухання, поверхневий натяг, підвищення розчинності. Іони, що сприяють висолюванню (SO42-, Li+) підсилюють впорядкованість розташування молекул води, що відповідає як би зниження температури розчинника, а іони, що стимулюють підвищення розчинності (J-, CNS-, K+), підсилюють ступінь дезорієнтації молекул води, що відповідає як би підвищенню температури розчинника; таким чином вони повʼязують ліотропні ряди зі зміною «структурної температури» розчинника.

Висновки

Магістерська робота присвячена актуальній задачі пошуку нових адсорбентів на основі швидковідтворюємої рослинної сировини.

В рамках проведених досліджень виконано:

систематизовані дані про способи отримання адсорбентів з рослинної сировини, зокрема - крохмалю.

вивчені методики спектрофотометричного аналізу.

підтверджено, що крохмаль може бути використаний в якості легковідтворюваного джерела сировини для виробництва активованого вугілля.

встановлено, що крохмаль виявляє свої адсорбційні властивості при взаємодії з мікрокремнеземом.

визначено, що додавання в суміш крохмалю з активатором таких солей, як AlCl3 і NaCl зменшує вміст водорозчинних речовин в продуктах піролізу.

встановлено, що отримані адсорбенти можуть застосовуватися для сорбції фенолу з водних розчинів.

Виробництво та застосування адсорбентів які мають в складі вуглець на основі природних мінеральних і органічних компонентів, є доцільним, тому що вони можуть замінити існуючі адсорбенти, одержувані на основі деревини, що значно поліпшить стан навколишнього середовища регіону.

Перелік посилань

  1. Грег, С. Адсорбция, удельная поверхность, пористость/ С. Грег. – М.: Мир, 1984. – 306 с.
  2. Фенелонов, В. Б. Пористый углерод / В. Б. Фенелонов. – Новосибирск.: Химия, 1995. – 513 с.
  3. Кинхле, Х. Активные угли и их промышленное применение / Х. Кинхле, Э. Бадер . – Л.: Химия, 1984. – 216 c.
  4. Кузнецов, Б. Н. Новые подходы в переработке твердого органического сырья / Б. Н. Кузнецов – Красноярск, 1991. – 371 с.
  5. Трепнел, Б. Хемосорбция / Б. Трепнел. – М.: Издательство иностранной литературы, 1958. – 326 с.
  6. Бур, Я. Х. Динамический характер адсорбентов / Я. Х. Бур – М.: Издательство иностранной литературы, 1962. – 291 с.
  7. Кельцев, Н. В. Основы адсорбционной техники / Н. В. Кельцев – М.: Химия, 1984. – 592 с.
  8. Гориславец, С. П. Пиролиз углеводородного сырья / С. П. Гориславец, Д. Н. Тменов, – Киев: Наукова думка, 1977. – 309 с.
  9. Мухин, В. М. Новые технологии получения активных углей из реактопластов / Мухин В. М., Зубова И. Д., Гурьянов В. В., Курилкин А. А., Гостев В. С.– 2009 - 195 с.
  10. А. О. Еремина, Углеродные адсорбенты из гидролизного лигнина для очистки сточных вод от органических примесей / А. О. Еремина, В. В. Головина, Н. В. Чесноков, Б. Н. Кузнецов - Journal of Siberian Federal University. Chemistry 1 (2011 4) С.100-107
  11. Манина Т. С. Получение и исследование высокопористых углеродных сорбентов на основе естественно окисленных углей кузбасса. Дис.к.х.н., Кемерово, 2013, - 133 с.
  12. Болдырев А. И. Физическая и коллоидная химия / А. И. Болдырев. - М., 1983.
  13. Кабачный В. И. Физическая и коллоидная химия / В. И. Кабачный, Л. К. Осипенко, Л. Д. Грицан и др. - Х., 1999.