Аннотация
Буй Т. А., Шаповалов В. В. – Получение адсорбентов на основе микрокремнезема и крахмала В докладе проанализирована возможность получения адсорбентов на основе микрокремнезема (трепела) и крахмала. Установлены оптимальные соотношения трепела и крахмала для поглощения растворов фенола разной концентрации.
Адсорбенты на основе трепела и крахмала
Адсорбция является одним из наиболее эффективных методов очистки производственных сточных вод, содержащих органические примеси: фенолы, бензол, алифатические амины и др. соединения. Адсорбенты производят путем термического разложения, карбонизации и активации естественных и искусственных углеродсодержащих веществ. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма – активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.
В соответствии с классификацией Киселева адсорбенты делят на три типа: 1 – неспецифические, на поверхности которых нет каких-либо функциональных групп и ионов (угли, графитированная сажа, неполярные пористые полимеры); 2 – имеющие на поверхности положительные заряды (на гидроксилированной поверхности силикагеля, на катионах молекулярных сит, на катионах солей); 3 – имеющие на поверхности связи или группы атомов с сосредоточенной электронной плотностью. Адсорбентами последнего типа являются некоторые полярные пористые полимеры, например, содержащие нитрильные группы, привитые сорбенты и т. д [1].
Кроме химической структуры следует учитывать и особенности внутренней геометрической структуры адсорбентов. С этой точки зрения адсорбенты делятся на две группы: первая группа – непористые адсорбенты; вторая группа – пористые адсорбенты (однородно и неоднородно пористые).
Пористые адсорбенты отличаются от непористых наличием системы пор, имеющих характерную структуру. Форма и ширина пор могут быть самыми разными: это могут быть и микроскопические углубления, и бороздки глубиной порядка 1 мкм, и пустоты, диаметр которых близок к диаметру молекулы адсорбируемого соединения. Для того чтобы массообмен проходил достаточно быстро, адсорбент должен быть преимущественно макропористым. В то же время большая удельная поверхность обуславливает высокий коэффициент емкости, а, следовательно, и критерий разделения. В этой связи приходится искать оптимальные соотношения между желаемым временем анализа и степенью разделения [2]. Tвердые адсорбенты целесообразно разделить на четыре группы: углеродные адсорбенты; адсорбенты с высоким содержанием кремниевой кислоты; оксид алюминия; органические адсорбенты.
К основными представителями группы углеродных адсорбентов относят: графитированная термическая сажа; углеродные молекулярные сита; активированный уголь.
Получают активный уголь пиролизом различных углеродсодержащих материалов: дерева, торфа, бурого угля, фенолформальдегидных смол [3].
Микрокремнезем, аэросил, осажденный диоксид кремния, коллоидный диоксид кремния – все это аморфные высокодисперсные формы кремнезема. Микрокремнезем является отходом производства, поэтому его применение в промышленности имеет большой экономический аспект. Он выходит в итоге окисления в газовой фазе монооксида кремния, образуемого при выплавке кремнийсодержащих сплавов в электродуговых печах, конденсации из газовой фазы микрочастиц и их улавливания из печных газов в рукавных фильтрах. Микрокремнезем дает собой совсем мелкие шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 м2/г. По гранулометрическому составу средний размер частиц МК составляет около 0,1 микрон.
К микрокремнезему можно отнести трепел – природный осадочный минерал, содержащий до 80 % активного кремнезема, состоящий из мелких сферических глобул, размером 0,01-0,02 мм. Высокая пористость (80 %) и низкая средняя плотность трепела определили их использование в качестве изоляционных, фильтровальных, строительных материалов, а также в качестве поглотителей, катализаторов, наполнителей и адсорбентов.
Для повышения адсорбционных и ионнообменных свойств, трепел необходимо активировать, например, облучая его ионизирующим излучением или совмещая с другими, например, углеродсодержащими компонентами. Как нами ранее установлено, перспективным является способ получения адсорбентов путем совместного пиролиза трепела и крахмала. Крахмал – смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, широко распространён в природе. Наиболее богато крахмалом зерно злаковых растений: риса (до 86 %), пшеницы (до 75 %), кукурузы (до 72 %), а также клубни картофеля (до 24 %) [4].
Крахмал благодаря высокому содержанию углерода может выступать перспективным легко возобновляемым сырьем для производства активированных углей. Существенным ограничением при пиролизе крахмала для получения активных углей является образование большого набора различных органических соединений, в том числе и смолистых, которые препятствуют получению пористого адсорбента. В табл.1 приведены результаты увеличения оптической плотности воды после ее контакта с продуктами пиролиза крахмалсодержащих композиций. Данные свидетельствуют, что в продуктах пиролиза содержится значительное количество компонентов, переходящих из адсорбента в воду, по сути загрязняя ее. Нами установлено, что добавление таких солей как хлорид алюминия и хлорид натрия уменьшает содержание водорастворимых веществ в продуктах пиролиза.
Таблица 1 – Зависимость оптической плотности растворов после контакта воды с продуктами пиролиза крахмалсодержащих композиций
В то же время использование трепела в качестве компонента смеси с добавкой хлорида натрия позволяет получить практически прозрачные растворы, т.е. водорастворимых соединений в адсорбенте не образуется. Обработка полученного адсорбента органическими растворителями также не выявила наличие растворимых соединений.
Полученные в результате пиролиза систем крахмал-трепел-NaCl адсорбенты обладают хорошей способностью адсорбировать как загрязнители воды, так и вредные вещества из воздуха. В случае адсорбции фенола из воды процесс адсорбции описывается уравнением Фрейндлиха (рис. 1).
Рисунок 1 – Зависимость адсорбционной емкости адсорбента, полученного пиролизом системы крахмал-трепел-NaCl от концентрации фенола в воде
Список использованной литературы
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. Практикум по химии твердых веществ / Под ред. С. И. Кольцова. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1985. - 215 с.