научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПАРОВ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ МИКРОПОРИСТЫМ ГЛИНИСТЫМ АДСОРБЕНТОМ Химия

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПАРОВ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ МИКРОПОРИСТЫМ ГЛИНИСТЫМ АДСОРБЕНТОМ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 6, с. 763-768

УДК 541.183

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПАРОВ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ МИКРОПОРИСТЫМ ГЛИНИСТЫМ АДСОРБЕНТОМ © 2014 г. С. З. Муминов, Д. А. Хандамов, А. А. Агзамходжаев

Институт общей и неорганической химии Академии наук Республики Узбекистан 100170 Ташкент, ул. Мирзо Улугбека, 77а E-mail: subx39@ rambler. ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г.

Определены дифференциальные изостерические теплоты адсорбции паров пиридина и ацетонит-рила на дегидратированном микропористом глинистом адсорбенте с интеркалированными поли-гидроксиалюминиевыми катионами. По температурной зависимости адсорбции установлено, что переход этих поликатионов в алюмооксидные кластеры при термической обработке интеркалиро-ванной глины приводит к уменьшению объема микропор и снижению теплоты адсорбции пиридина и ацетонитрила.

Б01: 10.7868/80023291214060111

ВВЕДЕНИЕ

Изучению микропористых глинистых адсорбентов придается большое значение в связи с тем, что они обладают высокой адсорбционной емкостью, пригодны для очистки газов и жидкостей, используются в каталитических и адсорбционных технологиях, особенно в процессах, протекающих при высоких температурах. Условия получения, адсорбционные свойства и энергетика адсорбции на монтмориллонитовых адсорбентах с модифицирующими полигидроксиалюминиевы-ми катионами (ПГАК) описаны в [1—11]. При внедрении ПГАК в обменные позиции монтмориллонита его слои раздвигаются по оси с, создавая щелевидную микропористую структуру. Так как дегидратирование полигидроксиалюминие-вых монтмориллонитов (ПГАМ) при температуре выше 603 К сопровождается переводом ПГАК в алюмооксидные кластеры [12], в данной работе изучены закономерности изменения адсорбции и теплоты адсорбции паров двух азотсодержащих веществ: пиридина и ацетонитрила на полигидрок-сиалюминиевом монтмориллоните, термообрабо-танном при температурах ниже и выше температуры перехода ПГАК в алюмооксидные кластеры.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ПГАМ синтезировали на основе белого бентонита Азкамарского месторождения, состоящего в основном из Ма-монтмориллонита (NaM), и раствора гидрохлорида алюминия с молярным соотношением ОН/А1 = 2.37 по методике [1]. При та-

кой основности раствор содержит семизарядные ПГАК - [А11304(0Н)24(Н20)12]7+. На термограмме ПГАМ наряду с эндо- и экзоэффектами, характерными для монтмориллонита, обнаружен слабый экзоэффект при 603 К, связанный с переходом ПГАК в алюмооксидные кластеры. По рентгенографическим данным расстояние между соседними базальными поверхностями ПГАМ по оси с составило 0.895 нм; прогрев при 773 К вызывает уменьшение ^001 на 20%. Такие щелевидные микропоры вполне доступны для молекул многих органических веществ.

Адсорбтивами служили азотсодержащие органические основания, принадлежащие к различным классам, - пиридин и ацетонитрил, которые отличаются друг от друга строением, молекулярными размерами, полярностью и показателями кислотности. Надо полагать, что сорбционные взаимодействия молекул этих веществ с активными центрами внешней поверхности и внутреннего объема межслойного пространства ПГАМ также будут различны. Некоторые физико-химические характеристики адсорбтивов приведены в табл. 1.

Адсорбцию паров изучали гравиметрическим и изостерическим методами. Перед измерением адсорбции ПГАМ вакуумировали при 423 и 773 К в течение 6-8 ч до остаточного давления в системе, равного примерно 1.33 х 10-4 Па. При 423 К структура ПГАК в сорбенте сохраняется, а при 773 К ПГАК разрушаются и переходят в алюмооксидные кластеры типа А1203 • qH20 [12]. Вакуумиро-ванные при указанных значениях температуры

Таблица 1. Физико-химические характеристики ад-сорбтивов[13]

Адсорбтив M d х 10-3, кг/м3 P х 10-3, Па ц, Д К кДж/моль

Пиридин Ацетонитрил 79.10 41.05 0.9820 0.7828 3.173 11.864 2.19 3.20 42.5 32.8

Примечание: М — молекулярная масса, ¿1 — плотность при 293 К, Р — давление насыщенного пара при 298 К, р — ди-польный момент, X — теплота конденсации при 293 К.

адсорбенты обозначали, соответственно, ПГАМ-1 и ПГАМ-2. Изучая равновесную адсорбцию пиридина и ацетонитрила на этих адсорбентах, можно выявить влияние структурных изменений при термической обработке и природы адсорбтивов на взаимодействие адсорбтив—адсорбент. Как и в случае исходного №М [14], молекулы адсорбтивов на ПГАМ адсорбируются на внешней поверхности и, в большей степени, в межслоевом пространстве.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изотермы адсорбции паров исследуемых веществ на ПГАМ (рис. 1) в начальной области круто поднимаются, что характерно для микропористых адсорбентов. Вместе с тем, как для С5Н5М, так и для СИ3СМ при адсорбции на ПГАМ обнаруживаются петли гистерезиса при всех значениях относительного давления (Р/Р8). Появление

петли гистерезиса на изотермах, видимо, обусловлено координацией молекул адсорбтивов с ПГАК, адсорбцией в мезопорах по механизму капиллярной конденсации и деформацией структуры ПГАМ в процессе адсорбции. С ростом температуры вакуумирования ПГАМ от 423 до 773 К петли гистерезиса на изотермах адсорбции сужаются. Наиболее вероятной причиной изменения ширины гистерезисной петли на изотермах является образование различных ион-молекулярных комплексов с участием и без участия молекул воды, координируемых катионами ПГАК и остаточными ионами Na+.

Сравнивая изотермы адсорбции пиридина и ацетонитрила на ПГАМ-1 и ПГАМ-2, можно убедится, что вакуумирование при 423 К способствует полному раскрытию сорбционного объема вследствие дегидратации, а при 773 К модифициру-ющиее катионы трансформируются в алюмооксид-ные кластеры [12], при этом межслоевое расстояние минерала несколько уменьшается, но его структура остается микропористой. Изотермы адсорбции пиридина и ацетонитрила на ПГАМ-1 имеют более крутой начальный участок (при P/Ps < 0.1), чем изотермы их адсорбции на ПГАМ-2. Различие в величинах адсорбции вызвано особенностями взаимодействия молекул пиридина и ацетонитрила с ПГАК и алюмооксидными кластерами.

Сорбционные объемы ПГАМ-1 и ПГАМ-2 при значениях P/Ps 0.2 (W), 0.4 (W0) и 1.0 (Vs) и объемы мезопор Wme = Vs — W0, рассчитанные по изотер-

(а)

а, моль/кг 3

а, моль/кг 5

(б)

1 -

Рис. 1. Изотермы адсорбции паров пиридина (а) и ацетонитрила (б) при температуре 293 К на ПГАМ, дегидратированном при 423 (1) и 773 К (2).

4

3

2

2

1

Таблица 2. Сорбционные объемы (м3/кг) ПГАМ по пиридину (I) и ацетонитрилу (II)

Адсорбент W х 103 W0 х 103 V х 103 W гг те х 103

I II I II I II I II

ПГАМ-1 0.172 0.124 0.195 0.143 0.237 0.239 0.042 0.096

ПГАМ-2 0.138 0.055 0.144 0.062 0.156 0.151 0.012 0.089

мам адсорбции пиридина и ацетонитрила, приведены в табл. 2.

Согласно теории объемного заполнения мик-ропор [15], для микропористого адсорбента, структура которого не деформируется в процессе адсорбции, значения объема микропор W0, определяемые по разным адсорбатам, должны быть одинаковыми. Однако, как следует из табл. 2, в случае адсорбции пиридина и ацетонитрила на ПГАМ это правило не соблюдается. Можно допустить возможность деформации структуры ПГАМ в процессе адсорбции. О деформируемости ПГАМ можно судить, сопоставив значения W0, рассчитанные по адсорбции паров исследуемых адсорб-тивов и неполярных веществ. Ранее [16, 17] нами было установлено, что бензол, н-гексан и цикло-гексан адсорбируются на ПГАМ, не вызывая деформации его структуры, и поэтому значения объема микропор ПГАМ по этим сорбтивам одинаковы (-0.120 х 10—3 м3/кг). Разность объемов микропор А^0 по полярному и неполярному ад-сорбтивам соответствуют дополнительной адсорбции за счет деформации структуры. Так, значения АЖ0, рассчитанные из величин адсорбции С5Н5М и СИ3СМ на ПГАМ-1 в сравнении с адсорбцией бензола, равны 0.075 х 10—3 и 0.023 х х 10~3 м3/кг, соответственно. Отсюда следует, что деформация структуры ПГАМ-1 при сорбции пиридина больше, чем при сорбции ацетонитрила. Деформацию на примере ПГАМ-1 можно объяснить тем, что в составе микропористого адсорбента содержатся примерно 20% непроработан-ных модификатором силикатных слоев с исходными катионами натрия [18]. Наличие таких слоев может быть и одной из причин большего адсорбционного объема ПГАМ. Как следует из [19], молекулы пиридина (при очень низких значениях Р/Р8) локализуются во внутреннем объеме №М сначала горизонтально на поверхности алю-мосиликатных слоев, а при Р/Р8 > 0.07 переориентируются в вертикальное положение. Другой причиной увеличения адсорбции пиридина может быть нерегулярное распределение модифицирующих катионов ПГАК и алюмооксидных кластеров в межслоевой области из-за неравномерности распределения заряда слоев [20].

Вследствие коренного изменения свободного сорбционного объема при модифицировании ад-

сорбция пиридина и ацетонитрила на ПГАМ в области малых и средних значений Р/Р8 заметно возрастает по сравнению с адсорбцией на №М [17]. Из табл. 2 следует, что объем микропор W0 ПГАМ-1 и ПГАМ-2 по пиридину составляет, соответственно, 82 и 92% от общего объема пор, а по ацетонитрилу — 60 и 41%. При этом повышение температуры при вакуумировании ПГАМ от 423 до 773 К вызывает уменьшение объема микропор по пиридину на 26%, а по СИ3СМ на 57%; V уменьшается, соответственно, на 34 и 27%. Для обоих исследуемых адсорбентов значения W0 по пиридину больше, чем по ацетонитрилу (на 27 и 57%). Величины сорбционного объема V составляют -0.238 х 10—3 м3/кг для ПГАМ-1 и - 0.153 х х 10—3 м3/кг для ПГАМ-2 и практически не зависят при этом от природы адсорбата, что свидетельствует о выполнении правила Гурвича.

Для установления особенностей адсорбционного взаимодействия молекул С5Н5М и СИ3СМ с активными центрами ПГАМ важно получить информацию об энергетике адсорбции. Энергетические характеристики адсорбции были определены по сериям изостер адсорбции пиридина и аце-тонитрила на ПГАМ-1 и ПГАМ-2, измеренных в интервале 260—350 К при заполнениях от доли V до полного насыщения. В качестве примера на рис. 2 приведено семейство изостер адсорбции ацетонитрила на ПГАМ-1 в координатах 1§ Р—Т-1. Изостеры в этих координатах аппроксимируются прямыми линиями, что свидетельствует о независимости теплоты сорбци

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