ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 5, с. 60-62
УДК 622:507.7
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ТОРФА НА ВЫХОД И СОРБЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ1 (краткое сообщение)
© 2014 г. И. М. Мейдель, С. А. Эпштейн
Московский горный институт НИТУМИСиС E-mail: meidel.izabella@gmail.com; apshtein@yandex.ru
Поступила в редакцию 05.03.2014 г.
Показано, что торфяной реагент, представляющий собой водную суспензию механоактивирован-ного торфа в смеси с гидроксидом кальция (или без него), связывает ионы марганца и стронция.
DOI: 10.7868/S0023117714050089
В последние десятилетия возросло внимание к использованию гуминовых кислот (ГК), входящих в состав твердых горючих ископаемых (ТГИ). Особый интерес представляют свойства гуминовых кислот связывать ионы тяжелых металлов с образованием стабильных комплексов. Так, в Институте горючих ископаемых [1] были проведены работы по исследованию гуминовых веществ ТГИ для создания эффективных и экономичных поглотителей при очистке сточных вод от тяжелых металлов, нефтепродуктов, красителей и других вредных примесей. На основе этих исследований в [2] разработаны технологии получения твердых угольных катионов и жидких гель-сорбентов из бурых углей.
Один из перспективных источников гумино-вых кислот — торф. Содержание ГК в нем колеблется в широких пределах, что связано с большим разнообразием ботанического состава, степенью разложения и условиями залегания торфяной массы. Среднее содержание ГК составляет 24.5, 37.7 и 39.1% для верхового, переходного и низинного типов торфа, соответственно [3]. Выход гу-миновых кислот варьируется для торфов различной степени разложения (Я). Общая тенденция — с повышением степени разложения выход гуми-новых кислот увеличивается: в пределах степени разложения 20—45% увеличение Я на 1% приводит к росту содержания гуминовых кислот в тростниковом торфе на 0.28—0.36%, а в осоковом —
1 Работа выполнена в рамках "Проведения научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок)" задания № 2014/97 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания.
на 0.33% [4]. Те же авторы отмечают, что в пуши-цевом же торфе этот показатель составляет 0.64%. На рис. 1 показана зависимость выхода гумино-вых кислот от степени разложения ботанически "чистых" видов торфов [5].
Для определения возможности использования торфа как источника ГК для связывания ионов металлов (особенно, если их концентрации малы) необходимо учитывать содержание фульвокислот в торфе. Для осоковых торфов с ростом гумификации возрастает выход фульвокислот [4]. Обратная зависимость наблюдается для пушинцевых торфов, при их гумификации от Я = 20% до Я = = 55% заметно уменьшается содержание фульвокислот (с 9.4 до 6.4%). Количество фульвокислот в субтропических торфах подчиняется общему правилу и во всех случаях обратно пропорционально степени разложения. Эти различия объясняются тем, что содержание фульвокислот зависит от многих факторов, таких как тип исходных расте-ний-торфообразователей, условия залегания, степень разложения, интенсивность гумификации, особенности микробиологических процессов, которые способствуют конденсации фульвокислот друг с другом и с гуминовыми кислотами [5].
В торфе ГК находятся как в свободном, так и в связанном состояниях. Их выделяют из ТГИ путем щелочной экстракции с последующим осаждением избытком кислоты при рН 2. Для увеличения выхода ГК предложены различные способы, основанные на предварительном окислении, обработке давлением, химической, термической и механической активацией [6]. Анализ литературных данных показал, что предварительная механическая активация повышает выход гуминовых кислот из бурых углей [7]. Аналогичный эффект,
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ТОРФА
61
Выход гуминовых кислот, % 70 Ь 60 50 40 30 20 10
20 40 60
Степень разложения
80
Я, %
Рис. 1. Зависимость выхода гуминовых кислот от степени разложения торфов (по данным [4]): 1 — мегел-ланикум торф; 2 — фускум торф; 3 — пушинцевый торф; 4 — тростниковый торф; 5 — осоковый торф; 6 — торф 1; 7 — торф 2; 8 — торф 3.
Выход гуминовых кислот, % 100
80
60
40
20
0
Торф 1 Торф 2
■ 1
□ 2
Торф 3
Рис. 2. Выход гуминовых кислот из торфа: 1 — торф без МА; 2 — торф после МА.
0
как отмечают авторы [8], оказывает механическая обработка торфа. Однако вместе с гуминовыми кислотами активируется водорастворимые фуль-вокислоты (ФК), придающие желтый или красноватый окрас растворам. В связи с тем что реакционная способность ГК по отношению к ионам металлов меньше, чем у фульвокислот [3], присутствие последних существенно сказывается на эффективности очистки водных растворов от соответствующих катионов. Соли ФК со щелочными металлами хорошо растворимы в воде. Часть ФК может быть осаждена щелочно-земельными гидроксидами, например Са(ОН)2, но лишь при рН > 8 [3].
Цель настоящей работы — определение возможности повышения сорбционной способности гуминовых кислот в составе торфа с одновременной дезактивацией фульвокислот.
В качестве объектов исследования выбраны торфы различных месторождений России. В соответствии со стандартными методиками проведены технический и элементный анализы образцов, определена степень их разложения. Выход свободных гуминовых кислот из торфов определяли путем однократной экстракции 1%-ным раствором гидроксида натрия при нагревании с последующим осаждением избытком соляной кислоты.
Проведенные испытания показали, что выбранные образцы различны по степени разложения, выходу ГК, элементному и химическому составу. Так, для торфа месторождения "Лейпи" (торф 1) выход ГК составил 60.7%, степень разложения 67.6%, для торфа "Васильевский Мох" (торф 2) — 51.6 и 55.3%, "Владимирский торф" (торф 3) — 45.3%, 37.0%, соответственно. Полученные результаты для исследованных торфов да-
ют хорошую корреляцию с литературными данными (рис. 1).
Механическую активацию (МА) ГК в составе торфов проводили в лабораторной шаровой мельнице в присутствии дистиллированной воды при соотношении торф : вода = 1:1 (по объему). Размер стальных шаров — 1.5—2 мм, время активации в интенсивном режиме — 30 мин. Торф после МА высушивали до воздушно-сухого состояния и определяли выход гуминовых кислот.
В аналогичных условиях проводили МА в присутствии гидроокида кальция, количество которого составляло 2% от массы торфа (в расчете на воздушно-сухое состояние).
Исследования сорбционной способности гуминовых веществ в составе торфа (т.е. без их выделения) проводили на модельных растворах индивидуальных солей стронция и марганца, поскольку эти элементы присутствуют в сточных водах многих предприятий горно-обогатительного комплекса в концентрациях, значительно превышающих ПДК.
Очистку проводили с использованием реагентов, полученных в результате МА торфа 1. Раствор с реагентом выдерживали в течение суток, отфильтровывали осадок. Объем модельных растворов составлял 250 мл, исходные концентрации марганца — 8.87 мг/л, стронция — 7.07 мг/л. Количество торфяного реагента соответствовало содержанию в нем 1 г сухого торфа. Содержание марганца и стронция в растворах до и после очистки определяли методом индукционно связанной плазмы 1СР М8.
На рис. 2 показаны результаты определения выхода ГК после МА и без нее. МА способствовала увеличению выхода гуминовых кислот во всех исследованных образцах: в среднем суммарный выход ГК после МА возрос на 20% (рис. 2).
ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА № 5 2014
62
МЕЙДЕЛЬ, ЭПШТЕЙН
Результаты очистки растворов солей марганца и стронция ГК в составе торфа
Условия Концентрация, мг/л Степень очистки, %
марганец стронций марганец стронций
Исходный раствор 8.87 7.07 - -
Очистка реагентом, полученным МА 2 2.8 77.5 60.4
Очистка реагентом, полученным МА 0.1 0.7 98.9 90.1
с добавкой к торфу Са(ОН)2
В таблице приведены результаты очистки модельных растворов солей марганца и стронция гу-миновыми веществами в составе торфа 1. Показано, что применение в качестве реагента торфа, прошедшего МА без добавления Ca(OH)2, приводит к снижению концентрации марганца до 2.0 мг/л, стронция — до 2.8 мг/л. Применение Ca(OH)2 на стадии МА торфа позволяет снизить концентрацию марганца до 0.1 мг/л, стронция — до 0.7 мг/л, что соответствует степени очистки 98.9 и 90.1%, соответственно.
Таким образом, подготовка реагента путем МА торфа в присутствии Ca(OH)2 позволяет повысить степень очистки растворов от марганца и стронция. Полученный эффект связан, по всей вероятности, с дезактивацией фульвокислот в составе торфа гидроксидом кальция.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Головин Г.С., Лесникова Е.Б., Артёмова Н.И., Лукичёва В.П. // ХТТ. 2004. № 6. С. 43.
2. Головин Г.С., Лесникова Е.Б., Артемова Н.И. // ХТТ. 2000. № 4. С. 17.
3. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Гамаюнов Н.И., Терентьев А.А. Физика и химия торфа. М.: Недра, 1989. 304 с.
4. Раковский В.Е., Пигулевская Л.В. Химия и генезис торфа. М.: Недра, 1987. 231 с.
5. Тимофеев П.П. Эволюция угленосных формаций в истории Земли. М.: Наука, 2006. 204 с.
6. Эпштейн С.А., Мейдель И.М., Нестерова В.Г. и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № 9. С. 303.
7. Хренкова Т.М. Механохимическая активация углей. М.: Недра, 1993. 176 с.
8. Иванов А.А., Юдина Н.В., Ильина А.А. // Химия растительного сырья. 2010. № 4. С. 145.
ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА № 5 2014
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.