Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Введення

Повітря являє собою різноманітну механічну суміш різних газів і є однією з головних складових життя будь‑якого живого організму. Повітря може бути загазованим або розрядженим, свіжим або важким все це означає, що в ньому є певні домішки природного або хімічного походження. І однією з головних проблем на сьогодні є очищення повітря від шкідливих домішок, через які змінюється його склад в гіршу сторону і складно припустити, яким він стане вже через кілька років.

1. Загальна характеристика роботи

1.1. Актуальність роботи

Актуальність даної роботи полягає в поліпшенні якості повітря промислових регіонів при використанні природного адсорбенту як більш економічно вигідного, доцільного й дешевого матеріалу в адсорбційних технологіях очищення повітря від шкідливих домішок.

1.2. Мета, завдання, об’єкт і предмет дослідження

Мета: дослідження та розробка адсорбенту на основі природних компонентів для мінімізації змісту, накопичення і негативного впливу шкідливих домішок у повітрі.

Завдання:

1. Аналіз літературних даних і досліджень за хімічним складом, адсорбційним характеристиками і використання трепелу як адсорбенту в порівнянні з іншими використовуваними промисловими адсорбентами.

2. Дослідження хімічного складу, фізико‑хімічних і адсорбційних властивостей природного адсорбенту — трепелу.

3. Розробити адсорбент з допомогою методів активації для поліпшення адсорбційних властивостей по відношенню до шкідливих речовин. Потім досліджувати застосування отриманого модифікованого адсорбенту щодо поліпшення якості повітря.

4. Дослідження ефективності очищення повітря з використанням в якості сорбційного матеріалу модифікованого трепелу та оцінити поліпшення якості повітря. Запропонувати способи утилізації відпрацьованого адсорбенту.

Об’єкт дослідження: адсорбент на основі природних компонентів (трепел).

Предмет дослідження: процеси адсорбційної очистки повітря від шкідливих домішок адсорбентом на основі природних компонентів шляхом встановлення хімічного складу, адсорбційних властивостей, видом активації і кількісними показниками адсорбції, які характеризують еколого‑економічну цінність трепелу як адсорбенту.

1.3. Аналіз останніх досліджень і публікацій

Експерименти по використанню трепелу для очищення більшою мірою води свідчать про високу ефективність затримання зважених речовин в фільтрах на основі трепелу. Попередні дані очищення водопровідної води трепелом показали, що з його допомогою можна так само ефективно, як і вугільними сорбентами очищати воду. Наприклад, існує патент [8] на очищення води від нафтопродуктів з допомогою трепелу. Винахід призначений для боротьби з забрудненнями навколишнього середовища нафтопродуктами.

Дослідниками було встановлено, що трепел є ефективним сорбентом фенолу і бензапірену з водних середовищ. Досліджувались способи модифікації трепелу з метою поліпшення його сорбційних властивостей [8]. Отже, можливо використовувати трепел в якості сорбенту для очищення від заліза.

Автори статті [9] вивчили сорбційну і іонообмінну поведінку Cu (II) і Zn в системі сорбент‑рівноважний розчин для трепелу і синтетичного хімічно модифікованого продукту — комплексного сорбенту. У своїх дослідженнях автори показали, що трепел характеризується досить розвиненою питомою поверхнею, але відносно низькою сумарною ємністю катіонного обміну. Отриманий комплексний сорбент знижує жорсткість води.

В роботі дослідження і розробки Ратнікова А. Н. і Анісімова В. С. [10] з’ясовано, коли трепел піддають гідролізу в гарячому лужному розчині, що містить Na3[Аl(ОН)6], то це сприяє підвищенню сорбційної ємності, іонообмінних властивостей, селективності по відношенню до солей кальцію, магнію, катіонів важких металів (Cd, Cu, Zn, Co), a також радіонуклідам 137Cs.

Авторами [11] досліджень визначена сорбційна ємність трепелу по іонам: Ca2+, Ni2+, Fe3+, Pb2+, F- і встановлено, що трепел є ефективним сорбентом фенолу і бензапірену з водних середовищ. Так само розглядалися способи модифікації трепелу з метою поліпшення його сорбційних властивостей.

Як показали дослідження багатьох робіт та аналіз літератури, перш ніж використовувати природний трепел, його необхідно активувати, для того щоб підвищити його адсорбційні та іонообмінних властивості. Розробка нових способів модифікування трепелу з метою отримання на його основі високоякісних сорбентів є актуальним завданням в даний час.

1.4. Апробація результатів

Основні положення магістерської роботи доповідалися і обговорювалися на Міжнародних науково‑практичних конференціях, а також на республіканських міжвузівських конференціях студентів. На даному етапі роботи було написано 3 статті.

2. Характеристика промислових адсорбентів

Адсорбція — це поглинання газоподібних або розчинених речовин поверхнею твердого тіла — адсорбенту, який володіє великою питомою поверхнею пір. А виділення цих поглинених речовин — десорбцією [1,17 18].

Рисунок 1 — Схема процесів адсорбції і десорбції

(6 слайдів, 6 циклів, 66,1 КБ)

Основними промисловими адсорбентами є пористі тіла, що володіють великим об’ємом мікропор. Властивості адсорбентів визначаються природою матеріалу, з якого вони виготовлені, і пористої внутрішньою структурою [1, 15, 6].

У промислових адсорбентах основна кількість поглиненої речовини сорбується на стінках мікропор (r < 109 м). Роль перехідних пір (10–9 < r < 10–7 м) і макропор (r < 10–7 м) в основному зводиться до транспортування адсорбується речовини до мікропор [3].

За хімічним складом всі адсорбенти можна розділити на вуглецеві і не вуглецеві, штучні і природні. До вуглецевим адсорбентам належать: активні (активоване вугілля), вуглецеві волокнисті матеріали, а також деякі види твердого палива. Не вуглецеві адсорбенти включають в себе силикагели, активний оксид алюмінію, алюмагели, цеоліти і глинисті породи [2].

  1. Назва від німецького трепел; група: полускальные; тип по речовинному складу: кременисті.
  2. Колір: світло‑сірий, сіруватий, жовтуватий, рідше темно‑сірий.
  3. Структура: тонкозернистая, скрытокристаллическая.
  4. Текстура: однорідна, шарувата, тонкопористая.
  5. Мінеральний склад: складається з дрібних зерен опала, глинистих мінералів, кварцу та ін(див. таблицю 1); за фізико-хімічними властивостями аналогічний  діятимуть (відрізняється від нього відсутністю органічних залишків) тому візуально відрізнити його від діатоміту практично неможливо. Це пояснюється відмінністю в геологічному віком відкладень. Діатоміти відносяться до пізніших, а трепели — до більш ранніх відкладень [7, 14, 19, 24].

    6. Рисунок 2 — Трепел

     

    Таблиця 1 — Середній хімічний склад трепелу, %

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

     

  6. Відмітні ознаки: на дотик м’який, дуже легкий, тонкопористый (вбирає воду і кислоту); на вигляд — землисті агрегати, прилипає до мови, сильно бруднить руки, не дряпає скло, на склі залишається порошок світлого забарвлення і рідкісні подряпини — відміну від опок, аргілітів, алевролітів; вбирає соляну кислоту без реакції — відміну від крейди, вапняків, мергелів; схожий на діатоміт, відрізнити від якого трепел неозброєним оком неможливо.
  7. Походження: утворюється при осадженні кременистих водоростей у морських басейнах. За розрахунком Эренберга, куб. дюймі трепелу міститься до 41 мільярда панцирів діатомових водоростей, пологів Gaillonella і Bacillaria та ін.
  8. Середня щільність: в залежності від родовища коливається від 2000–3000 кг/м3; пористість 60,2–64 %; твердість 1–3 [5].

    9. Відомі галузі застосування трепелу:

  • сільське господарство: тваринництво, птахівництво, рибництво, рослинництво, меліорація, виробництво органо-мінеральних добрив;
  • нафтохімія: знесолення та зневоднення нафти, каталізатори;
  • водопостачання: очищення питної води і оборотних вод;
  • хімічна, газова промисловість: хімреактиви, фільтри, хроматографія, осушувачі газів;
  • харчова промисловість: харчові добавки, очистка харчових рідин;
  • целюлозно‑паперова промисловість, плівкові матеріали: зміцнюючої наповнювач папери, зміцнюючої наповнювач штучної шкіри, тарний картон для фруктів;
  • товари народного споживання: осушувачі взуття, поглиначі запахів, миючі засоби, засіб боротьби з побутовими комахами;
  • будівництво, будівельні матеріали: фарби і лаки, теплозвукоізоляція, легкі перегородки, термоліт, зміцнювачі цементу, вогнетривкі перегородки, компонент в’яжучих сумішей, запобігання злежування будматеріалів;
  • атомна промисловість: фільтрація та адсорбція, уловлювання та утримання радіонуклідів;
  • енергетика: очищення та регенерація енергетичних масел, підготовка води для котлів і бойлерів;
  • екологія: уловлювання газів, усунення запахів, очищення стічних вод, очищення водних басейнів, оздоровлення і відновлення ґрунтів [7, 14, 19, 20, 24].

На діаграмі представлена характеристика вартості відомих адсорбентів за 1 кг на ринку Росії і України. З рис. 3 видно, що найбільш вигідним з цінової категорії є трепел 15 руб/кг.

Рисунок 3 — Діаграма вартості адсорбентів

3. Основні методи активації адсорбентів

Природні сорбенти, в тому числі і трепел, активують або модифікують для збільшення фізико-хімічних, каталітичних та адсорбційних властивостей методами термічної активації, обробкою лугами і кислотами, неорганічними і органічними речовинами, гідротермальної обробкою [25, 29].

При термічній обробці трепелу основна увага дослідників була звернена на визначення оптимальної температури активації [26–28]. Оптимальна температура активації трепелу 200–300 °С до втрати гідратної води 50–80 %, приблизно така ж температура (150–300 °С) була запропонована Осокиным А. П., Ентіним З. Б., Семиндейкіним В. Н., Бахарєвим М. В., Сіденко В. Л., Нефедової Л. С. Що стосується механізму термічної активації, то підвищення адсорбційної здатності сорбентів при термообробці обумовлено видаленням адсорбованої і конституційної води, тобто збільшенням загальної пористості. Близько до термічної активації варто метод гідротермального модифікування природних сорбентів — обробка в парах води при високих температурах і тиску.

Близько до термічної активації варто метод гідротермального модифікування природних сорбентів — обробка в парах води при високих температурах і тиску [29–31]. При гідротермальної обробки відбуваються розчинення дрібних частинок речовини і осадження їх на поверхні більш великих, що призводить до зміни питомої поверхні і збільшення сорбційного об’єму пор. До складу природних адсорбентів, як правило, входять гідроксиди металів, які при гідротермальної обробки зазнають різні фазові переходи, що приводять найчастіше до аморфізації структури мінералу, що також супроводжується збільшенням їх активності. З допомогою термо– і гідротермальної обробок можна в досить широких межах змінювати природні сорбенти, надаючи їм селективність по відношенню до тих чи інших розчиненим речовин. Однак слід зазначити, що, застосовуючи ці методи, доводиться мати справу з високими температурами і тисками, що саме по собі небезпечно і вимагає складного апаратурного оформлення [25].

Рисунок 4 — Схема подрібнення твердих частинок і активації поверхні адсорбенту

Разом з тим, для підвищення ефективності процесу сорбції необхідно розпушення і збільшення площі поверхні сорбентів. Для досягнення подібного ефекту використовують методи подрібнення твердих частинок і активації поверхні, найчастіше у вигляді обробки хімічними агентами: кислотами або лугами. Метод хімічного модифікування трепелу дозволяє ширше регулювати ступінь зміни його структури − від незначних до глибокої деструкції при тривалому впливі хімічних реагентів [25].

Найбільш поширена кислотна активація природних сорбентів. Оптимальні умови активації кислотами мінералів, при яких досягається найбільша їх адсорбційна активність, знаходяться шляхом досвіду. Як правило, при кислотної активації сорбентів використовують 15−20% H2SO4 або 10–15 % HCl, взятих в кількості 50 % від повітряно‑сухої наважки, тривалість обробки становить 2−6 годин. Є відомості про використання активації фосфорною кислотою, механізм зводиться до розчинення і вимивання катіонів лужних і лужноземельних металів з каркаса мінералу [26–29; 32–34]. Як іони водню, так і іони алюмінію займають обмінні позиції  і створюють обмінну (Н, Al) активність сорбенту. Цей же процес є одним з недоліків кислотної активації, в результаті чого відбувається видалення значної кількості оксиду алюмінію з матриці сорбентів, їх активність і стабільність падають. Іншим недоліком, зазначеним дослідниками, є втрата механічної міцності сорбенту після його кислотної активації [25].

Активація природних мінеральних сорбентів із застосуванням лугів і вапна відображена в багатьох роботах. Під дією цих речовин відбуваються зміни фізико‑хімічних і механічних властивостей трепелу та інших природних сорбентів і можливе утворення нових фаз, які за своїм хімічним та адсорбційно‑структурних властивостей різко відрізняються від вихідного мінералу і мають, як правило, більшою адсорбційною здатністю [26–29].

4. Експериментальне визначення адсорбційних характеристик трепелу

Для визначення адсорбційних характеристик трепелу був узятий зразок  трепелу в кількості трьох штук блідо-сірого кольору. Зразок № 1 не зазнавав модифікації. Зразок № 2 був модифікований мікрохвильовим випромінюванням протягом 30 хвилин при потужності 320 Вт. Зразок № 3 попередньо був просушений при 200 ºС протягом двох годин.

4.1. Визначення пористості сорбенту

Однією з найважливіших характеристик адсорбенту є визначення його пористості, яка в цілому залежить від його родовища. Вона характеризується сумарним обсягом усіх порожнин (пор) в породі.

Проведення визначення пористості сорбенту проводиться за методикою. Досліджувані зразки кип’ятять у склянці з дистильованою водою протягом 1,5–2,0 годин і потім проводять зважування.

Щільність зразків,  водопоглинання і пористість розраховують за даними з таблиці 2, де: m0 — маса досліджуваних зразків з підвіскою у воді, г; m1 — маса вологих зразків, г; m2 — маса сухих зразків, г; m3 — маса підвіски, г; pводи — щільність води, г/см 3.

Межі відносної сумарної похибки результату, який допускається, дорівнює 2,0; при довірчій імовірності 0,95. Результати дослідження представлені в таблиці 3.

 

Таблица 2 — Входящие данные для расчета

Номер
Назва матеріалу
m0,г
m1,г
m2,г
m3,г
1
Трепел звичайний
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

 

Таблиця 3 — Визначення пористість трепелу

Номер
Назва матеріалу
Маса зразка, г
Водопоглинання, %
Щільність, %
Пористість, %
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. Визначення сорбційної ємності по метиленовому помаранчевому і йоду

Для визначення адсорбції за метиленовому помаранчевому була обрана методика, представлена в ГОСТ 4453–74 [16].

Для цього наважку вугілля поміщали у конічну колбу ємністю 100 см3, додавали 25 см3 розчину метилового оранжевого. Після цього визначали оптичну щільність на фотоэлектроколориметре.

В якості контрольного розчину використовували дистильовану воду. За отриманими оптичним щільності на підставі градуювального графіка визначали залишкову концентрацію барвника.

Адсорбційну активність розраховували за формулою:

де: С1 — концентрація вихідного розчину барвника, мг/дм3; С2 — концентрація розчину барвника після взаємодії з трепелом, мг/дм3; К — коефіцієнт розведення; m — маса наважки вугілля, р; 0,025 — об’єм розчину метилового оранжевого, дм3.

Результати дослідження адсорбційної ємності наведені в таблиці 4.

Визначення сорбційної ємності трепелу по йоду проводоли у відповідності з ГОСТ 4453–74 [15]. Йодне число є наближеною мірою здатності адсорбувати речовини невеликі молекули, яка залежить від величини площі поверхні. Обробку результату проводили за формулою 4:

де: V1 — об’єм розчину тіосульфату натрію (0,1 н), який пішов на титрування 10 см3 розчину йоду в йодистом калії, см3; V2 — об’єм розчину тіосульфату натрію (0,1 н), який пішов на титрування 10 см3 розчину йоду в йодистом калії, після обробки його трепелом, см3; 0,0127 — маса йоду, яка відповідає 1 см3 розчину тіосульфату натрію, р; 100 — об’єм розчину йоду в йодистом калії, який потрібен для трепелу, см3; m — маса наважки трепелу,г.

Результати розрахунку наведені в таблиці 5.

 

Таблиця 4 — Результати експерименту визначення сорбційної ємності по метиленовому помаранчевому

Зразок
Адсорбційна ємність за МО
Маса навішення,, г
Концентрація, мг/дм3
Адсорбційна ємність з МО, ммоль/г
Початкова
Залишкова
1. Трепел
0,1
1500
0,600
0,6880
2. Трепел СВЧ
0,1
1500
0,800
0,5351

 

Таблиця 5 — Результати експерименту визначення йодного числа трепелу

Зразок
Адсорбційна ємність по йоду 
Маса навішення, г
Об’єм тіосульфату на титрування, см3
 
Адсорбційна ємність по йоду, ммоль/г
 
йоду
трепела
1. трепел
0,5
13,40
12,60
10,16
2. трепел СВЧ
0,5
13,40
12,40
12,70

 

Висновки

У роботі представлена характеристика промислових адсорбентів та їх проаналізовано їх ринкова вартість за 1 кг, що показує трепел, є самим дешевим природним адсорбентом. Дані експериментів і проаналізовані інші роботи показують, що адсорбційні характеристики трепелу менше в порівнянні з такими активованого вугілля, але це не виключає можливості використання трепелу як адсорбенту. Необхідно відзначити, що трепел є природним, більш дешевим і економічно вигідним матеріалом з усіх розглянутих раніше сорбентів.

Таким чином, у роботі визначено основні адсорбційні показники трепелу, а саме адсорбційна ємність метилового оранжевого і йодне число. Встановлено, що обробка СВЧ‑випромінюванням трепелу збільшує його пористість і адсорбційну ємність по йоду, хоча і незначно.

Так як робота ще не закінчена, то в подальшому планується провести дослідження і запропонувати поліпшення адсорбційних характеристик трепелу для очищення повітря від шкідливих домішок.

Список джерел

  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.