Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Воздух представляет собой разнообразную механическую смесь различных газов и является одной из главных составляющих жизни любого живого организма. Воздух может быть загазованным или разряженным, свежим или тяжелым все это означает, что в нем имеются определенные примеси естественного или химического происхождения. И одной из главных проблем на сегодня является очистка воздуха от вредных примесей, из‑за которых изменяется его состав в худшую сторону и сложно предположить, каким он станет уже через несколько лет.

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность работы

Актуальность данной работы заключается в улучшении качества воздуха промышленных регионов при использовании природного адсорбента как более экономически выгодного, целесообразного и дешевого материала в адсорбционных технологиях очистки воздуха от вредных примесей.

1.2. Цель, задачи, объект и предмет исследования

Цель: исследование и разработка адсорбента на основе природных компонентов для минимизации содержания, накопления и негативного воздействия вредных примесей в воздухе.

Задачи:

1. Анализ литературных данных и исследований по химическому составу, адсорбционным характеристикам и использованию трепела как адсорбента в сравнении с другими используемыми промышленными адсорбентами.

2. Исследование химического состава, физико-химических и адсорбционных свойств природного адсорбента — трепела.

3. Разработать адсорбент с помощью методов активации для улучшения адсорбционных свойств по отношению к вредным веществам. Затем исследовать применение полученного модифицированного адсорбента относительно улучшения качества воздуха.

4. Исследование эффективности очистки воздуха с использованием в качестве сорбционного материала модифицированного трепела и оценить улучшение качества воздуха и предложить способы утилизации отработанного адсорбента.

Объект исследования: адсорбент на основе природных компонентов (трепел).

Предмет исследования: процессы адсорбционной очистки воздуха от вредных примесей адсорбентом на основе природных компонентов путем установления химического состава, адсорбционных свойств, видом активации и количественными показателями адсорбции, которые характеризуют эколого‑экономическую ценность трепела как адсорбента.

1.3. Анализ последних исследований и публикаций

Эксперименты по использованию трепела для очистки в большей степени воды свидетельствуют о высокой эффективности задержания взвешенных веществ в фильтрах на основе трепела. Предварительные данные очистки водопроводной воды трепелом показали, что с его помощью можно так же эффективно, как и угольными сорбентами очищать воду. Например, существует патент [8] на очистку воды от нефтепродуктов с помощью трепела. Изобретение предназначено для борьбы с загрязнениями окружающей среды нефтепродуктами.

Исследователями было установлено, что трепел является эффективным сорбентом фенола и бензапирена из водных сред. Исследовались способы модификации трепела с целью улучшения его сорбционных свойств [8]. Следовательно, возможно использовать трепел в качестве сорбента для очистки от железа.

Авторы статьи [9] изучили сорбционное и ионообменное поведение Cu (II) и Zn в системе сорбент — равновесный раствор для трепела и его синтетического химически‑модифицированного продукта — комплексного сорбента. В своих исследованиях авторы показали, что трепел характеризуется довольно развитой удельной поверхностью, но относительно низкой суммарной емкостью катионного обмена. Полученный комплексный сорбент снижает жесткость воды.

В работе исследования и разработки Ратникова А. Н. и Анисимова В. С. [10] выяснено, когда трепел подвергают гидролизу в горячем щелочном растворе, содержащем К3[Аl(ОН)6], то это способствует повышению сорбционной емкости, ионообменных свойств, селективности по отношению к солям кальция, магния, катионам тяжелых металлов (Cd, Cu, Zn, Co), a также радионуклидам 137Cs.

В [11] авторами исследований определена сорбционная емкость трепела по ионам: Ca2+, Ni2+, Fe3+, Pb2+, F- и установлено, что трепел является эффективным сорбентом фенола и бензапирена из водных сред. Так же рассматривались способы модификации трепела с целью улучшения его сорбционных свойств.

Как показали исследования многих работ и анализ литературы, прежде чем использовать природный трепел, его необходимо активировать, для того чтобы повысить его адсорбционные и ионнообменные свойства. Разработка новых способов модифицирования трепела с целью получения на его основе высококачественных сорбентов является актуальной задачей в настоящее время.

1.4. Апробация результатов

Основные положения магистерской работы докладывались и обсуждались на Международных научно‑практических конференциях, а также на республиканских межвузовских конференциях студентов. На данном этапе по работе было написано 3 статьи.

2. Характеристика промышленных адсорбентов

Адсорбция — это поглощение газообразных или растворенных веществ поверхностью твердого тела — адсорбента, который обладает большой удельной поверхностью пор. А выделение этих поглощенных веществ — десорбцией [1,17, 18].

Риснок 1 — Схема процессов адсорбции и десорбции

(6 слайдов, 6 циклов, 66,1 КБ)

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой [1, 15, 6].

В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r < 109 м). Роль переходных пор (10–9 < r < 10–7 м) и макропор (r < 10–7 м) в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам [3].

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и не углеродные, искусственные и природные. К углеродным адсорбентам относятся: активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Не углеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели, цеолиты и глинистые породы [2].

  1. Название от немецкого трепел; группа: полускальные; тип по вещественному составу:кремнистые.
  2. Цвет: светло‑серый, сероватый, желтоватый, реже тёмно‑серый.
  3. Структура: тонкозернистая, скрытокристаллическая.
  4. Текстура: однородная, слоистая, тонкопористая.
  5. Минеральный состав: состоит из мельчайших зёрен опала, глинистых минералов, кварца и др.(см. таблицу 1 ); по физико‑химическим свойствам аналогичен диатомиту (отличается от него отсутствием органических остатков) и поэтому визуально отличить его от диатомита практически невозможно. Это объясняется различием в геологическом возрасте отложений. Диатомиты относятся к более поздним, а трепелы — к более ранним отложениям. [7, 14, 19, 24].

    6. Риснок 2 — Трепел

     

    Таблица 1 — Средний химический состав трепела, %

    SiO2
    Al2O3
    CaO
    MgO
    Na2O + K2O
    Fe2O3 + FeO
    TiO
    Ост.
    42–67
    5–8
    11–24
    0,6–1,2
    0,6–2
    2–3,5
    0,2–0,3
    11–21

     

  6. Отличительные признаки: на ощупь мягкий, очень лёгкий, тонкопористый (впитывает воду и кислоту); на вид — землистые агрегаты, прилипает к языку, сильно пачкает руки, стекло не царапает, на стекле остается порошок светлой окраски и редкие царапины — отличие от опок, аргиллитов, алевролитов; впитывает соляную кислоту без реакции — отличие от мела, известняков, мергелей; похож на диатомит, отличить от которого трепел невооруженным глазом невозможно.
  7. Происхождение: образуется при осаждении кремнистых водорослей в морских бассейнах. По расчету Эренберга, в куб. дюйме трепела содержится до 41 миллиарда панцирей диатомовых водорослей, родов Gaillonella и Bacillariaи др.
  8. Средняя плотность: в зависимости от месторождения колеблется от 2000–3000 кг/м3; пористость 60,2–64 %; твёрдость 1–3 [5].

    9. Известные области применения трепела:

  • сельское хозяйство: животноводство, птицеводство, рыбоводство, растениеводство, мелиорация, производство органоминеральных удобрений;
  • нефтехимия: обессоливание и обезвоживание нефти, катализаторы;
  • водоснабжение: очистка питьевой воды и оборотных вод;
  • химическая, газовая промышленность: химреактивы, фильтры, хроматография, осушители газов;
  • пищевая промышленность: пищевые добавки, очистка пищевых жидкостей;
  • целлюлозно-бумажная промышленность, пленочные материалы: упрочняющий наполнитель бумаги, упрочняющий наполнитель искусственной кожи, тарный картон для фруктов;
  • товары народного потребления: осушители обуви, поглотители запахов, моющие средства, средство борьбы с бытовыми насекомыми
  • строительство, строительные материалы: краски и лаки, теплозвукоизоляция, легкие перегородки, термолит, упрочнители цемента, огнеупорные перегородки, компонент вяжущих смесей, предотвращение слеживания стройматериалов;
  • атомная промышленность: фильтрация и адсорбция, улавливание и удержание радионуклидов;
  • энергетика: очистка и регенерация энергетических масел, подготовка воды для котлов и бойлеров;
  • экология: улавливание газов, устранение запахов, очистка сточных вод, очистка водных бассейнов, оздоровление и восстановление почв. [7, 14, 19, 20, 24].

На диаграмме представлена характеристика стоимости известных адсорбентов за 1 кг на рынке России и Украины. Из рис. 3 видно, что самым выгодным по ценовой категории является трепел 15 руб/кг.

Рисунок 3 — Диаграмма стоимости адсорбентов

3. Основные методы активации адсорбентов

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 [25, 29].

При термической обработке трепела основное внимание исследователей было обращено на определение оптимальной температуры активации [26–28]. 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.

Близко к термической активации стоит метод гидротермального модифицирования природных сорбентов — обработка в парах воды при высоких температурах и давлении [29–31]. При гидротермальной обработке происходят растворение мелких частиц вещества и осаждение их на поверхности более крупных, что приводит к изменению удельной поверхности и увеличению сорбционного объема пор. В состав природных адсорбентов, как правило, входят гидроксиды металлов, которые при гидротермальной обработке претерпевают различные фазовые переходы, приводящие зачастую к аморфизации структуры минерала, что также сопровождается увеличением их активности. С помощью термо‑ и гидротермальной обработок можно в довольно широких пределах модифицировать природные сорбенты, придавая им селективность по отношению к тем или иным растворенным веществам. Однако следует отметить, что, применяя эти методы, приходится иметь дело с высокими температурами и давлениями, что само по себе небезопасно и требует сложного аппаратурного оформления [25].

Рисунок 4 — Схема измельчения твердых частиц и активации поверхности адсорбента

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 его структуры — от незначительных до глубокой деструкции при длительном воздействии химических реагентов [25].

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 [26–29; 32–34]. 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 [25].

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 [26–29].

4. Экспериментальное определение адсорбционных характеристик трепела

Для определения адсорбционных характеристик трепела был взят образец  трепела в количестве трех штук бледно-серого цвета. Образец № 1 не подвергался модификации. Образец № 2 был модифицирован микроволновым излучением в течении 30 минут при мощности 320 Вт. Образец № 3 предварительно был просушен при 200 ºС в течении двух часов.

4.1. Определение пористости сорбента

Одной из важнейших характеристик адсорбента является определение его пористости, которая в целом зависит от его месторождения. Она характеризуется суммарным объемом всех пустот (пор) в породе.

Проведение определения пористости сорбента проводится по методике. Исследуемые образцы кипятят в стакане с дистиллированной водой на протяжении 1,5–2,0 часов и затем проводят взвешивания.

Плотность образцов, водопоглощение и пористость рассчитывают по данным из таблицы 2, где: m0  — масса исследуемых образцов с подвеской в воде, г; m1 — масса влажных образцов, г; m2 — масса сухих образцов, г; m3 — масса подвески, г.

Границы относительной суммарной погрешности результата, который допускается, равен 2,0; при доверительной вероятности 0,95. Результаты исследования представлены в таблице 3.

 

Таблица 2 — Входящие данные для расчета

№ опыта
Название материала
m0,г
m1,г
m2,г
m3,г
1
Трепел обычный
10,0009
34,5625
19,1745
0,6451
2
Трепел СВЧ
8,8468
29,3919
16,6269
0,4444
3
Трепел просуш.
9,4479
31,1002
18,1615
0,4065

 

Таблица 3 — Определение пористости трепела

Номер образца
Название материала
Масса образца, г
Водопоглощение, %
Плотность, %
Пористость, %
1
трепел
19,1745
76,0690
43,8490
73,45
2
Трепел СВЧ-излуч.
16,6269
77,7860
44,7296
73,91
3
Трепел просушен.
18,1615
82,3320
45,6125
80,51

 

4.2. Определение адсорбционной емкости по метиленовому оранжевому и йоду

Для определения адсорбции по метиленовому оранжевому была выбрана методика, представленная в ГОСТ 4453–74 [16].

Для этого навеску угля помещали в коническую колбу ёмкостью 100 см3, добавляли 25 см3 раствора метилового оранжевого. После этого определяли оптическую плотность на фотоэлектроколориметре.

В качестве контрольного раствора использовали дистиллированную воду. По полученным оптическим плотностям на основании градуировочного графика определяли остаточную концентрацию красителя.

Адсорбционную активность рассчитывали по формуле 1:

где С1 — концентрация исходного раствора красителя, мг/дм3; С2 — концентрация раствора красителя после взаимодействия с трепелом, мг/дм3; К — коэффициент разбавления; m — масса навески угля, г; 0,025 — объём раствора метилового оранжевого, дм3.

Результаты исследования адсорбционной ёмкости приведены в таблице 4.

Определение адсорбционной емкости трепела по йоду проводоли в соответствии с ГОСТ 4453–74 [15]. Йодное число является приближенной мерой способности вещества адсорбировать небольшие молекулы, которая зависит от величины площади поверхности. Обработку результата проводили по формуле 2:

где V1 – объём раствора тиосульфата натрия (0,1 н), который пошёл на титрование 10 см3 раствора йода в йодистом калии, см3; V2 — объём раствора тиосульфата натрия (0,1 н), который пошёл на титрование 10 см3 раствора йода в йодистом калии, после обработки его трепелом, см3; 0,0127 — масса йода, которая соответствует 1 см3 раствора тиосульфата натрия, г; 100 — объём раствора йода в йодистом калии, который нужен для трепела, см3; m — масса навески трепела, 1,00 г.

Результаты расчета приведены в таблице 5.

 

Таблица 4 — Результаты эксперимента определения адсорбционной емкости по метиленовому оранжевому

Образец
Адсорбционная емкость по МО
Масса навески,  г
Концентрация, мг/дм3
Адсорбционная емкость по МО, ммоль/г
Исходная
Остаточная
1. Трепел
0,1
1500
0,600
0,6880
2. Трепел СВЧ
0,1
1500
0,800
0,5351

 

Таблица 5 — Результаты эксперимента определения йодного числа трепела

Образец
Адсорбционная емкость по йоду 
Масса навески, г
Объем тиосульфата на титрование, см3
 
Адсорбционная емкость по йоду, ммоль/г
 
йода
трепела
1. трепел
0,5
13,40
12,60
10,16
2. трепел СВЧ
0,5
13,40
12,40
12,70

Выводы

В работе представлена характеристика промышленных адсорбентов и проанализирована их рыночная стоимость за 1 кг, которая показывает трепел, является самым дешевым природным адсорбентом. Данные экспериментов и проанализированные другие работы показывают, что адсорбционные характеристики трепела меньше в сравнении с таковыми активированного угля, но это не исключает возможности использования трепела как адсорбента. Необходимо отметить, что трепел является природным, более дешевым и экономически выгодным материалом из всех рассмотренных ранее сорбентов.

Таким образом, в работе определены основные адсорбционные показатели трепела, а именно адсорбционная емкость метиленового оранжевого и йодное число. Установлено, что обработка СВЧ‑излучением трепела увеличивает его пористость и адсорбционную емкость по йоду, хотя и незначительно.

Так как работа еще не окончена, то в дальнейшем планируется провести исследования и предложить улучшения адсорбционных характеристик трепела для очистки воздуха от вредных примесей.

Список источников

  1. Серпионова Е. Промышленная адсорбция газов и паров. ИЗД, 2–е переработ. и дап. Учеб. пос. для студентов хим.‑тех. спец вузов. — М. Высш. Школа,1969.— 416 с.
  2. Карнаухов А. П.: Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. — Новосибирск: Наука, 1999. — 470 с.
  3. Дубинин М. М. Адсорбенты, их получение, свойства и применение: Наука, 1985. — 160 с.
  4. Адсорбция и адсорбенты.: Вып.1. — К.: Наукова думка, 1972. — 144 с.
  5. В. С. Комарова, Адсорбенты: получение, структура, свойства, 2009. — 237 с.
  6. Грег С., Адсорбция, удельная поверхность, пористость. — М.: Мир, 1984. — 310 с.
  7. Дистанов У. Г., Минеральное сырье. Опал–кристобалитовые породы: Справочник. — М.: Геоинформмарк, 1998. — 27 с.
  8. Татаренко О. Ф.; Конышев Н. М., Патент РФ на изобретение № 2182118, 10.05.2002. — 7 с.
  9. П. Н. Мартынов, Е. А. Подзорова, А. Ю. Чабань, Исследование сорбционных  и ионообменных свойств трепела и его химически модифицированного продукт, статья, — 2009. — 11–16 с.
  10. Ратников А. Н., Анисимов В. С., Патент РФ на изобретение № 2427420,27.08.2011. — 6 с.
  11. Шилина А. С. , Милинчук В. К. , Мартынов П. Н., Подзорова Е. А., Чабань А. Ю. Очистка водных сред с помощью трепела — природного сорбента Зикеевского месторождения Калужской области // Вода: химия и экология. — 2009. — № 11. — 25–29 c.
  12. Дацко Т. Я., Зеленцов В. И., Дворникова Е. Е., Физико-химические и адсорбционно-структурные свойства диатомита, модифицированного соединениями алюминия, Электронная обработка материалов, 2011. — 6 с.
  13. Ратников А. Н., Анисимов В. С., Патент РФ на изобретение № 2427420, 27.08.2011. — 6 с.
  14. Унтербергер О. Г., Гияченко В. Д., Капустин Н. В. и др. Углеродистые сорбенты экологического назначения. /Кокс и химия. — 2001.№ 3. — 4 с.
  15. ГОСТ 6217–74., Уголь активный древесный дробленный. — 1974.
  16. ГОСТ 4453–74., Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный, — 1976.
  17. Киселев А. В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции  и хроматографии. М.: Высш.шк., 1985. — 369 с.
  18. Романков П. Г., Лепилин В. Н. Непрерывная адсорбция паров и газов. — Л: Химия, 1968. — 227 c.
  19. Дистанов У. Г., Конюхова Т. П., Минеральное сырье. Сорбенты природные:. — М.: Геоинформмарк, 1999. — 107 с.
  20. Дистанов У. Г., Михайлова Т. П., Природные сорбенты СССР, Недра, — М.: Геоинформмарк, 1990. — 56 с.
  21. Дистанов У. Г., Грязев Н. Н., Кузнецова Т. А., Кремнистые породы  СССР, — Казань.: Наука, 1976. — 95 с.
  22. Кинле Х. Активированные угли и их промышленное применение, — М.: Химия, 1984. — 216 с.
  23. Авгуль Н. Н. Адсорбция газов и паров на однородных поверхностях. — Москва: Химия, 1975. — 384 c.
  24. Кремнистые породы СССР (диатомины, опоки, трепелы, спонголиты, радиоляриты): ЭБ. — Казань: ТКИ
  25. Зеленцов В. И., Дацко Т. Я., Электрообработка природных сорбентов. Электронная обработка материалов. № 3, 2006. — 137 с.
  26. Природные минеральные сорбенты. — Киев, 1960. — 191 c.
  27. Комаров В. С. Адсорбционно–структурные, физико–химические и каталитические свойства глин Белоруссии. — Минск: Изд-во Наука и техника, 1970. — 89 c.
  28. Кренис Г.А, Кердиваренко М. А. Адсорбционно–структурные свойства трепелов МССР. — Кишинев, 1972. — 105 c.
  29. Арипов Э. А. Природные минеральные сорбенты, их активирование и модифицирование. — Ташкент: Изд во ФАН УзССР, 1970. — 30 c.
  30. Марцин И. И., Островская А. Б., Валицкая В. М. Регулирование физико–химических свойств глинистых минералов при кислотной и гидротермальной обработке // Физико–химическая механика почв, грунтов и глин. — Ташкент, 1966. — 106 c.
  31. Рябченко В. И., Агабальянц Э. Г. Изучение устойчивости глинистых минералов в гидротермальных условиях // Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. — Киев, 1968. — 89 c.
  32. Овчаренко Ф. Д. Бентонитовые глины Украины. 1960. — 66 c.
  33. Овчаренко Ф. Д. // Природные сорбенты. — М., 1967. — 201 c.
  34. Цицишвили Г. В. — Сообщ. АН ГССР, 1967, — 371 c.