ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2012, том 86, № 5, с. 984-986
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ =
УДК 547.28+541.183.2
КИНЕТИКА СОРБЦИИ ФОРМАЛЬДЕГИДА НИЗКООСНОВНЫМ АНИОНООБМЕННИКОМ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
© 2012 г. И. В. Воронюк, Т. В. Елисеева, В. Ф. Селеменев
Воронежский государственный университет E-mail: chem.vrn@mail.ru Поступила в редакцию 25.05.2011 г.
Рассмотрены кинетические закономерности сорбции формальдегида на полифункциональном низкоосновном анионообменнике. Установлено, что лимитирующей стадией поглощения сорбата является внешняя диффузия. Определены параметры извлечения формальдегида из водных растворов в динамических условиях.
Ключевые слова: формальдегид, низкоосновной анионообменник, кинетика сорбции.
Задача очистки сточных вод от формальдегида возникает на многих предприятиях химической промышленности. Снижение концентрации формальдегида в воде до уровня ПДК (предельно допустимой концентрации), который для объектов водно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 0.05 мг/дм3 (2 х 10-6 моль/дм3) [1], в настоящее время осуществляется целым спектром методов с использованием сорбцион-ных технологий. Одной из перспективных разработок является методика извлечения альдегидов с применением в качестве сорбента низкоосновных анионообменников.
Целью настоящих исследований являлось изучение кинетики сорбции формальдегида низкоосновным анионообменником в динамических условиях.
Для извлечения формальдегида из водных растворов использовали низкоосновный анионооб-менник Purolite А 830 с полиакриловой матрицей и полиаминами в качестве функциональных групп. Концентрацию формальдегида определяли методом фотометрии на основе реакции с фук-синсернистым реактивом [2].
Выходные кривые сорбции альдегида получали, пропуская через колонку с анионообменной смолой исследуемый раствор сверху вниз. Раствор фильтрата собирали порциями в мерные колбы на 100.0 см3, осуществляя контроль концентрации альдегида в каждой из них. Эксперимент продолжали до тех пор, пока содержание формальдегида в пробе не совпадало с исходной концентрацией раствора [3]. Проскоком считался момент обнаружения формальдегида в фильтрате в пределах чувствительности используемой методики. Кривая сорбции представляет собой зависимость F— У/Уз, где F = с/с0 — степень завершен-
ности процесса сорбции (с и с0 — текущая и исходная концентрации альдегида, мг/дм3), У/Уз — отношение объема пропущенного раствора к объему загрузки смолы (Уз = 10 см3).
Ранее была проведена оценка лимитирующей стадии процесса поглощения формальдегида путем нахождения критерия Био (Б1) по асимптотическим уравнениям динамики сорбции для случая стационарного фронта [4]. Значение Б1 = 0.5 указывает на заметное влияние внешней диффузии.
Однако для характеристики кинетики сорбции на ионообменниках необходимо также установление влияния различных экспериментальных факторов на скорость процесса [5]. К таким факторам относятся: концентрация внешнего раствора сорбируемого вещества и скорость его подачи.
Основными кинетическими параметрами сорбции веществ в динамических условиях являются значения емкости ионообменника до проскока и полной емкости. Причем, как указывается в монографии [6], если полная емкость колонки определяется только емкостью по анализируемому веществу и массой сорбента, то емкость до проскока зависит также от свойств сорбента, сорбата и рабочих условий.
Одной из важных задач в исследовании кинетики сорбции является установление влияния концентрации внешнего раствора на скорость поглощения вещества сорбентом. В настоящей работе сравнивались выходные кривые сорбции формальдегида с его концентрацией, соответственно, 1.6 х 10-3 и 2.6 х 10-3 моль/дм3 (рисунок а) при скорости пропускания раствора 4 Уз за 1 ч (Уз — объем загрузки ионообменной смолы, см3). Отмечено, что с ростом концентрации альдегида уменьшается время до его появления в фильтрате.
КИНЕТИКА СОРБЦИИ ФОРМАЛЬДЕГИДА
985
Это связано с ускорением процесса сорбции вследствие увеличения градиента концентрации в гидродинамической пленке вокруг зерна ионооб-менника.
Далее в работе установлено, что существует зависимость объема пропущенного раствора до проскока альдегида от скорости его пропускания (рисунок б). Чем выше скорость потока жидкости, тем ниже емкости сорбента по альдегиду. Полученные результаты подтверждают влияние внешней диффузии на скорость сорбции формальдегида низкоосновным анионообменником.
На механизм пленочной кинетики указывает и форма выходных кривых сорбции [5] (рисунок).
При малых концентрациях сорбата и низких скоростях пропускания раствора кривая имеет сильно размытый фронт и заостренный тыл. Однако с увеличением содержания альдегида в растворе и с ростом скорости потока вид кривых изменяется. При концентрации альдегида 2.6 х 10-3 моль/дм3 и при скорости ю > 8 Уз за 1 ч начальные и конечные участки на выходных кривых размыты практически в одинаковой степени, что свидетельствует о смене механизма сорбции формальдегида в данных условиях и объясняется близким вкладом в скорость процесса стадий внешней и внутренней диффузии.
При подборе условий технологического режима желательно рассматривать главным образом рабочую емкость сорбента по альдегиду. В таблице приведены значения емкости анионообменни-ка А 830 до проскока и время, необходимое для
Зависимость емкости анионообменника А 830 по формальдегиду и времени появления проскока от скорости пропускания раствора
ю Е, ммоль/г т, ч
4 2.4 121
6 1.6 74
8 1.. 57
10 1.2 57
Обозначения: ю — скорость пропускания (количество объемов загрузки в час), Е — емкость до проскока, т — время до появления проскока на кривой.
достижения системой данного состояния. Видно, что при высоких скоростях пропускания раствора формальдегида ни емкость смолы, ни время не меняются, следовательно, при ю > 8 Уз за 1 ч достигается состояние системы, при котором влияние внешней диффузии на скорость всего процесса становится минимальным. Однако применение режима с большими концентрациями сорбата в растворе и высокой скоростью подачи жидкой фазы ведет к снижению эффективности применяемого ионообменника.
Установленные особенности процесса сорбции в исследованной системе показывают, что извлечение формальдегида наиболее эффективно происходит при малых скоростях пропускания очищаемого раствора, обеспечивающих максимальную емкость анионообменника до проскока
Рис. 1. Выходная кривая сорбции формальдегида анионообменником А 830: а — при различных концентрациях внешнего раствора 1.6 х 10-3 (1) и 2.6 х 10~3 моль/дм3 (2); б — при различной скорости пропускания раствора 4 (1), 6 (2), 8(3), 10 Уз за 1 ч (4).
ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 86 № 5 2012
986
ВОРОНЮК и др.
и, соответственно, продолжительный срок службы сорбента в условиях реального процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГН 2.1.5.1315-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования".
2. Лейте В. Определение загрязнений воздуха в атмосфере и на рабочем месте. Л.: Химия, 1980. 268 с.
3. Полянский Н.Г., Горбунов Г.В., Полянская Н.Л. Методы исследования ионитов. Л.: Химия, 1976. 208 с.
4. Воронюк И.В., Елисеева Т.В., Селеменев В.Ф. // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84. № 8. С. 1555.
5. Самсонов Г.В., Тростянская Е.Б., Елькин Г.Э. Ионный обмен. Сорбция органических веществ. Л.: Наука, 1969. 335 с.
6. Гельферих Ф. Иониты : Основы ионного обмена. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. 490 с.
ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 86 № 5 2012
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.