научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ НИКЕЛЯ(II) НА УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТАХ Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ НИКЕЛЯ(II) НА УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТАХ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 4, с. 389-396

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

УДК 542.973:547.12:539.217.1

ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ НИКЕЛЯ(П) НА УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТАХ

© 2013 г. Г. Н. Дударева1, Г. А. Петухова2, А. Т. Н. Нгуен1, Ю. С. Сырых1

1НИИркутский государственный технический университет

Кафедра общеобразовательных дисциплин

2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, 119991 Москва, Ленинский пр., 31, корп. 4

E-mail:gndudareva@mail.ru, petukhova@phyche.ac.ru

Поступила в редакцию 30.05.2012 г.

Изучена сорбция ионов никеля(11) из водных растворов на двух типах углеродных сорбентов. Максимальная величина адсорбции наблюдается в щелочной среде. Получены изотермы адсорбции на исходных и модифицированных сорбентах в статических условиях при разных температурных режимах. Возрастание величины адсорбции при повышении температуры свидетельствует об эндо-термичности процесса. Определены термодинамические параметры сорбции.

DOI: 10.7868/S0044185613040025

ВВЕДЕНИЕ

Ионы никеля(11) могут быть успешно извлечены из водных растворов с помощью углеродных сорбентов, полученных из ископаемых каменных углей. Такие адсорбенты, благодаря развитой пористости и большому разнообразию функциональных сорбционных центров на углеродной поверхности, проявляют амфотерные ионообменные свойства. Они способны сорбировать разнообразные ионы металлов из кислых и щелочных растворов [1—3]. Представителем сорбентов на основе ископаемых каменных углей является АД-05-2. Другой адсорбент Сибунит — мезопористый гранулированный материал, синтезированный на основе пироугле-рода [2]. Технология его изготовления исключает образование заметного количества поверхностных активных функциональных групп или сорбци-онных центров, но по механической прочности он превосходит АД-05-2. Исходные образцы близки по характеристикам пористости и удельной поверхности, но должны отличаться по способности сорбировать ионы металлов. Для селективного извлечения никеля из растворов требуется формирование на сорбентах определенной функциональной поверхности, создание условий и среды, способствующих селективной работе сорбента. Для решения этих задач проведено модифицирование двух типов углеродных сорбентов органическим реагентом — диметилглиоксимом (ДМГ), являющимся

известным селективным комплексообразователем на никель [4, 5].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Сравнительная характеристика исходных и модифицированных углеродных сорбентов отражена в табл. 1.

Исследование сорбции проводили в статических условиях. Использовали метод переменных навесок и концентраций. В качестве адсорбата в работе использовали раствор сульфата никеля М1804- 7Н20, квалификации "х.ч.". Сорбцион-ный объем раствора составлял 100 мл, рабочая концентрация ионов никеля — 33 мг/дм3. Сорбцию при повышенных температурах проводили в термостатированной установке. Необходимые значения кислотности растворов устанавливали 0.2 М растворами МН3 и СН3С00Н; рН растворов контролировали на универсальном иономере ЭВ-74 со стеклянным электродом. Спектры поглощения аммиачных растворов никеля регистрировали на приборе СФ-46. При модифицировании сорбентов использовался стандартный прием пропитки и последующей сушки образцов до постоянного веса [6]. Модифицирование сорбентов диметилглиоксимом (ДМГ) осуществлялось из 10%-ного раствора №0Н и 96%-ного этилового спирта как растворителей ДМГ. При модифицировании сорбентов в течение 4 и 6 час.

Таблица 1. Характеристические свойства углеродных сорбентов

Характеристика АД-05-2 Сибунит

Исходный Модифицированный Исходный Модифицированный

Гранулометрический состав, %

<0.5 мм <5 >5 <1 <1

0.5—2 мм >90 >90 >98 >98

>2 мм >5 >5 <1 <1

Удельная поверхность, м2/г 550 500 450 430

Механическая прочность, % (по ГОСТ 16188) 82 85 94 95

Суммарный объем пор (по воде), см3/г 0.61 0.55 0.67 0.60

Сорбционная активность по йоду, % 84 77 69 67

Насыпная плотность, г/дм3 550 560 505 510

сорбировалось 33.4 и 31.8 мг ДМГ на 1 г сорбента, т.е. сорбция ДМГ почти не зависит от времени и интенсивности перемешивания и ограничена свойствами поверхности сорбента. Концентрацию ионов никеля в растворах контролировали по методике [4]. Содержание никеля в адсорбенте определяли после кислотного разложения образца и последующего переведения всего содержимого в раствор.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На величину сорбционной емкости материалов существенное влияние оказывает кислотность среды. Зависимости, отражающие влияние

кислотности среды на величину сорбции никеля, приведены на рис. 1.

В кислой среде сорбция никеля мала и составляет 0.5 мг/г. Модифицированный АД-05-2 сорбирует в нейтральной среде около 2 мг/г. Сорбция никеля резко возрастает с рН 9—11 и достигает 7.0 и 8.5 мг/г соответственно для модифицированных образцов Сибунита и АД-05-2.

Важнейшими критериями применимости адсорбентов в практике являются кинетические свойства и адсорбционная емкость. Как видно из рис.2, иллюстрирующего кинетику сорбции, адсорбционное взаимодействие в системе металлсодержащий раствор — углеродный адсорбент протекает достаточно интенсивно.

Рис. 1. Зависимость сорбции ионов никеля(11) от кислотности среды (п = 2—3): (а) — АД-05-2, (б) — Сибунит. 1 — исходный , 2 — модифицированный. Ау — концентрация никеля(11) на сорбенте, мг/г.

Рис. 2. Зависимость сорбции ионов никеля(11) от времени процесса: (а) — исходный АД-05-2, (б) — модифицированный АД-05-2, (в) — исходный Сибунит, (г) — модифицированный Сибунит. 1 — навеска сорбента 0.1 г, 2 — 0.25 г, 3 — 0.5 г, 4 — 0.75 г, 5 — 1.0 г. Ср — равновесная концентрация никеля(11) в растворе, мг/л; I — время сорбции, ч; Т = 298 К.

Так, при исходной концентрации металла Со = = 33 мг/дм3 за 1—2 часа достигается 80-90%-ная степень насыщения модифицированных адсорбентов Сибунит и АД-05-2, исходных образцов — 10 и 70% соответственно. По графической зависимости 1§ (С0/С) = /(I) рассчитаны константы скорости кс при различных температурах.

Результаты расчета констант скорости адсорбции никеля(11) представлены в табл. 2.

Высокие значения кинетических характеристик углеродных адсорбентов подтверждают значения энергии активации Еа. Энергия активации определена с использованием уравнения Аррени-уса, по графической зависимости 1§ кс = /(1/Т). Полученные значения энергии активации (табл. 2) свидетельствуют о протекании процесса адсорбции в переходной от кинетической к диффузионной области. Адсорбцию ионов никеля(11) можно

рассматривать как процесс диффузии ионов металла внутрь гранул, взаимодействия его с функционально-аналитическими группами ДМГ с образованием хелатного кольца [4].

По данным кинетических зависимостей были рассчитаны и построены изотермы сорбции для температур 298 К, 318 К, 338 К (рис. 3).

Изотермы адсорбции ионов никеля(11) в средней части области концентраций хорошо описываются уравнением Фрейндлиха [7]. В соответствующих координатах изотермы представлены на рис. 4.

По этим данным рассчитаны константы (табл. 3), позволяющие проводить сравнительную оценку сорбционной активности различных сорбентов.

В частности, по показателю К, являющемуся молярным коэффициентом сорбции, можно сделать вывод, что сорбция ионов никеля(11) быст-

Таблица 2. Кинетические характеристики сорбции

Константы Исходный АД-05-2 Исходный Сибунит

298 К 318 К 338 К 298 К 318 К 338 К

К 0.204 0.229 0.287 0.016 0.020 0.025

Еа, кДж/моль 7.10 9.31

Модифицированный АД-05-2 Модифицированный Сибунит

кс 0.243 0.273 0.352 0.235 0.262 0.332

Еа, кДж/моль 6.78 7.19

Таблица 3. Константы уравнения Фрейндлиха

Константы Исходный АД-05-2 Исходный Сибунит

298 К 318 К 338 К 298 К 318 К 338 К

К 1.25 1.32 1.39 1.20 1.23 1.25

п 2.77 1.68 1.61 6.66 5.00 4.16

Модифицированный АД-05-2 Модифицированный Сибунит

К 2.13 2.18 2.51 1.99 2.13 2.39

п 1.68 1.64 1.53 2.85 1.77 1.70

рее и с большей массопередачей протекает в начальный период времени на модифицированных сорбентах.

Параметры сорбционного процесса для температур 338, 318 и 298 К получены при описании изотермы с помощью уравнения Ленгмюра [7]. Соответствующие изотермы, полученные при 298 К, приведены на рис. 5.

Зависимости 1/А = Д1/С) позволяют рассчитать значения предельной величины сорбции и константы сорбционного равновесия для исследуемых температур. Полученные значения приведены в табл. 4. Следует отметить возрастание величин предельной сорбционной емкости (Лда) и констант сорбционного равновесия Кр модифицированных сорбентов по сравнению с немоди-фицированными образцами.

Таблица 4. Термодинамические константы сорбции

Константы Исходный АД-05-2 Исходный Сибунит

298 К 318 К 338 К 298 К 318 К 338 К

Лх х 10-4, моль/г 1.01 1.53 1.66 0.19 0.28 0.37

Кр 394.1 416.8 524.2 120.6 158.1 190.7

ДG, кДж/моль -20.5 -22.0 -24.1 -11.9 -13.4 -14.8

0, кДж/моль -18.96 -

Модифицированный АД-05-2 Модифицированный Сибунит

Лх х 10-4, моль/г 4.38 3.10 2.87 1.15 1.24 1.36

Кр 1133 2311 3040 1484 1613 1785

ДG, кДж/моль -17.4 -20.5 -22.5 -18.1 -19.5 -21.0

0, кДж/моль -9.23 -10.56

мг/г

Ау, 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

0

Ау, мг/г 5

(а)

мг/г

10 15

(в)

20

25 30 Ср, мг/л

10

15

20

1 ,2

25 30 Ср, мг/л

Ау, 10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Ау, мг/г 10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

10

15

(г)

20

25 30 Ср, мг/л

I_[_

10 15 20 25 30 Ср, мг/л

Рис. 3. Изотермы сорбции ионов никеля(11): (а) — исходный АД-05-2, (б) — модифицированный АД-05-2, (в) — исходный Сибунит, (г) — модифицированный Сибунит. 1 — температура 338 К, 2 — температура 318 К, 3 — температура 298 К. Cр — равновесная концентрация никеля(11) в растворе, мг/л; Ау — концентрация никеля(11) на сорбенте, мг/г.

5

5

2

1

0

5

0

5

Модифицированные сорбенты характеризуются также меньшими значениями энергии Гибб-са (табл. 4), что свидетельствует о более легком протекании процессов сорбции при повышении температуры процесса. Значения АО рассчитывали для 338 К, 318 К и 298 К по ура

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком