ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 5, с. 36-39
УДК 504.4.054:543.2:662.73
АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО ТОРФА ПО ОТНОШЕНИЮ К ОРГАНИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЯМ И ТЯЖЕЛЫМ
МЕТАЛЛАМ1
© 2013 г. А. А. Иванов, Н. В. Юдина, А. В. Савельева, Н. В. Сизова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти СО РАН, Томск
E-mail: ivanov@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 10.12.2012 г.
Исследованы адсорбционные свойства торфа, модифицированного методом механоактивации в присутствии оксигидроксида железа. По результатам определения адсорбционной активности и микрокалориметрических исследований установлено, что при взаимодействии модифицированных торфяных сорбентов с органическим модельным веществом и водными растворами солей металлов преобладают процессы физической сорбции. Показана возможность получения новых видов сорбентов на основе торфа, механоактивированного в присутствии отходов водоочистки, обладающих высокими сорбционными свойствами.
DOI: 10.7868/S0023117713050046
В последнее время большое внимание уделяется использованию торфа для очистки сточных вод (СВ) — промышленных и бытовых от нефтепродуктов (НП), ионов тяжелых металлов и токсичных веществ [1—3].
В то же время одна из приоритетных задач по защите окружающей среды — это использование отходов различной природы и замена дорогостоящих веществ дешевыми материалами при создании, например, сорбентов для очистки воды от примесей [4]. Артезианские воды Западно-Сибирского водного бассейна содержат высокое количество тонкодисперсного железа от 2 до 12 мг/л. В результате очистки воды при обезжелезивании на станциях водоподготовки выпадает большое количество осадка, основу которого составляют различные формы оксигидроксида железа. Сбрасываемый на прилегающую местность, скапливаясь, он загрязняет окружающую среду. Отсутствие удовлетворительных методов утилизации отходов водоочистки представляет большую экологическую проблему. Известно, что сорбенты на основе железосодержащих осадков, получаемых из отходов водоочистки — это эффективные материалы для очистки водных сред от нефтяных примесей и фенола [5].
Большие запасы торфа в Западной Сибири, его уникальный состав и свойства делают его перспективным источником для получения многих ценных продуктов, а использование новых мето-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта Сибирского отделения РАН и АН Монголии № 17.
дов его обработки, например механоактивации, позволит провести эффективное измельчение торфяного сырья, изменить его структуру и физико-химические свойства, что, несомненно, скажется на качествах конечного продукта.
В связи с этим представляет интерес исследование сорбционных свойств торфа, модифицированного методом механоактивации и возможности использования железосодержащих осадков, формирующихся в больших количествах на водозаборах, в качестве модифицирующих добавок к сорбентам.
В качестве адсорбента использован верховой сфагновый торф Томской области. По своим характеристикам торф среднекислый (рН 4.7), малозольный (5%) и с низкой степенью разложения (10%).
Элементный состав торфа определяли методом сожжения в элементном анализаторе CHNS " Vario El Cube" (Германия).
Минеральный состав торфа определяли методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии с помощью рентгенофлуоресцентного сканирующего спектрометра VRA-30.
Модифицирование торфа проводили методом механоактивации (МА) в планетарной мельнице АГО-2С [6]. Размер стальных шаров 8—10 мм, скорость вращения водила 1450 об/мин. Время обработки 2 мин. МА торфа проводилась без добавок и в присутствии 3 мас. % оксигидроксида железа, обработанного при температуре 25°С (ОГЖ 25) и 250°С (ОГЖ 250) в течение 3 ч.
Таблица 1. Характеристика ОГЖ различной температурной обработки
Температура обработки образца, °С Удельная поверхность, м2/г Суммарный объем пор, см3/г Размер пор с1, нм Объем микропор, см3/г Средний размер частиц, мкм
25 250 230 135 1.258 1.871 4 4 и 21 0.005 Отс. 0.036 0.053
Основная фаза железосодержащего осадка представлена гидратированным оксидом трехвалентного железа - Fe2O3 • (И20)„ (98-99%), остальная часть примеси солей двухвалетных металлов. Ранее другими авторами было показано, что температурная обработка исходного воздушно-сухого образца ОГЖ сопровождается не только изменениями содержания воды в образце, но и изменением удельной поверхности и пористости материала [5]. Так, при прокаливании до температуры 250°С наблюдалось снижение удельной поверхности образца, что в свою очередь объясняется изменением в распределении пор по размерам и появлением более крупных мезопор (21 нм), а также увеличением среднего диаметра частиц (табл. 1).
Для изучения адсорбции красителя на торфе применялась методика определения адсорбционной активности порошкообразного активного угля по метиленовому синему (МС) [7].
Сорбцию металлов проводили в статических условиях из сернокислотных растворов солей с концентрацией Ме"+ 2 • 10-3—2 • 10—2 моль/см3 при рН 5.0—5.8.
В настоящей работе применен метод микрокалориметрии, который основан на регистрации теплоты реакций взаимодействия торфа с водой и сульфатом меди [8, 9]. Измерения проводились с помощью дифференциального микрокалориметра МКДП 2 и компаратора напряжений Р 3003. В качестве эталона использовали дистиллированную воду и водный раствор сульфата меди.
Рентгенофлуоресцентная спектроскопия торфа показала, что в наиболее значимых количествах в его минеральный состав входят СаО, 8Ю2, Fe203 и др. А по данным элементного анализа отмечена высокая насыщенность соединений органических веществ торфа водородом.
В экспериментальной практике водорастворимые синтетические органические красители нашли широкое применение как модельные вещества для определения показателей адсорбции из водных растворов [10]. Применение красителей для оценки качества сорбентов обусловлено рядом методических преимуществ: стабильность состава красителей, простота приготовления растворов, высокая чувствительность, экспресс-ность и надежность фотокалориметрического
определения концентрации красителей в растворе.
Влияние исходной концентрации МС на сорб-ционные характеристики торфа представлено на рис. 1. Полученные данные свидетельствуют о более высокой адсорбционной активности торфа, механоактивированного в присутствии ОГЖ — на 60—70% выше таковой для исходного торфа. При этом адсорбционное равновесие для образца торфа, механоактивированного в присутствии ОГЖ250 наступает раньше: при концентрации красителя в растворе 2.5 мг/г, в то время как для исходного торфа и механоактивированного без добавок и в присутствии ОГЖ 25 — при 4 мг/г.
Изучение кинетики процесса извлечения МС на исходном и обработанном торфе показало, что МА торфа влияет на кинетические и сорбцион-ные характеристики (рис. 2). Так, для исходного торфа резкий подъем адсорбционной активности приходится на 30 мин и составляет 112.5 мг/г. В сопоставимых условиях за такой же промежуток времени адсорбционная активность для обработанного торфа находится в пределах 145— 180 мг/г, а интенсивность процесса растет уже с первых минут. Высокая скорость протекания процесса характерна для физической сорбции [11—13], которая, по-видимому, и происходит при взаимодействии механоактивированного торфа с адсорбатом за счет пористой структуры сорбента.
Адсорбционная активность, мг/г
Рис. 1. Влияние исходной концентрации индикатора метиленового синего на адсорбционную активность торфа (МА — механоактивированный торф, МА + + ОГЖ — механоактивированный в присутствии ок-сигидроксида железа, обработанного при температуре 25°С (ОГЖ 25) и 250°С (ОГЖ 250)).
38
ИВАНОВ и др.
Время, мин
Рис. 2. Кинетика процессов сорбции индикатора мети-
ленового синего на торфе (концентрация МС 1.5 г/л).
Большое количество и разнообразие активных функциональных групп (СООН, ОН и др.) в органических компонентах торфа (особенно в гуми-новых веществах) обусловливают его высокую сорбционную и ионообменную способности [14]. Основная форма связи катионов с активными группами — гетерополярное ионное взаимодействие [15]. Ранее было показано, что модифицированные образцы торфа проявляют высокие сорбционные свойства по отношению к тяжелым металлам [16]. Результаты сорбции металлов в статических условиях из сернокислых растворов солей показали эффективность использования МА для получения торфяных сорбентов — средняя степень очистки составила по Сё2+ — 95%, М12+ - 74%, Си2+ - 91% (табл. 2).
По результатам микрокалориметрических исследований установлено, что МА влияет на термохимические характеристики торфа, участвующего в сорбционных процессах (табл. 3). Так, анализ полученных данных показывает, что процессы взаимодействия механоактивированного торфа с водой эндотермичны: тепловые эффекты при этом невысокие. Возможно, это объясняется высокой гидрофобностью механоактивированного торфа [16]. Взаимодействие же исходного необработанного торфа с водой сопровождается выделением тепла: данный торф хорошо поглощает воду, и протекают процессы структурообразования с участием молекул воды.
В случае взаимодействия торфа с раствором сульфата меди процесс сопровождается выделением тепла, т.е. в целом процесс экзотермический (табл. 3). Экзотермичность процесса сорбции ионов меди объясняется взаимодействием Си2+ с реакционно-активными группами на поверхности торфа [17]. Данный эффект наиболее выражен для исходного торфа. Поскольку верховой торф представляет собой полиэлектролит, основные реакционные центры - это гидроксильные и карбоксильные группы, определяющие сорбционную способность препарата. В таком случае сорбция, вероятно, обусловливается протеканием таких процессов, как ионный обмен и ком-плексообразование [14]. После МА торфа процесс сорбции ионов меди проходит гораздо быстрее и характеризуется низким тепловыделением - экзоэффект снижается и процессы взаимодействия торфа с ионами меди обусловлены в основном физической сорбцией. Физическая по-
Таблица 2. Степень очистки модельных растворов солей металлов, %
Показатель Торф
Исходный МА* МА + ОГЖ 25** МА + ОГЖ 250**
са2+ 89.9 9
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.