научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОСАДКА ВОДОПОДГОТОВКИ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОСАДКА ВОДОПОДГОТОВКИ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2009, том 83, № 12, с. 2330-2335

^ ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 541.183.5+536.42+539.217

ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОСАДКА ВОДОПОДГОТОВКИ

© 2009 г. Л. Ю. Новосёлова, Е. Е. Сироткина

Российская академия наук, Сибирское отделение, Институт химии нефти, Томск

E-mail: novoselova@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 21.09.2008 г.

Методами низкотемпературной адсорбции азота, термического и рентгенофазового анализов исследованы образцы сорбентов на основе термически активированного осадка обезжелезивания подземных вод (отхода водоподготовки). Установлено, что данный осадок представляет собой материал с развитой пористой структурой (удельная поверхность исходного образца составила 229.9 м2/г); при прокаливании до 300°С удельная поверхность образцов снизилась в 1.6—1.7 раза, объем сорбирующих пор увеличился в ~ 1.6 раза. Показано, что материал осадка представлен, главным образом, фазами железа; повышение температуры прокаливания способствует увеличению глубины кристаллизации основной фазы — a-Fe2O3.

Задачи сорбции весьма разнообразны. Это — селективное поглощение компонентов газовых и жидких сред, как с целью очистки основного (целевого) компонента от ненужных или сопутствующих, так и с целью выделения ценного компонента в концентрированном или предельно чистом виде. Сорбенты используются для задач хранения различных продуктов, в качестве носителей катализаторов и лекарственных препаратов. На непрерывном протекании адсорбционно-десорбционных процессов основана аналитическая адсорбционная хроматография. Высокодисперсные и пористые системы в последнее время рассматриваются и как перспективные материалы для разработки адсорбционных тепловых машин (тепловых аккумуляторов), а также аккумуляторов электрической и механической энергии.

Для наиболее полного и эффективного использования сорбентов в различных областях, а также направленного регулирования их характеристик необходимо детальное изучение свойств материала сорбентов, которое осуществляется с привлечением современных методов исследований [1—8].

В Институте химии нефти СО РАН в течение длительного времени разрабатываются сорбенты различного назначения, в том числе и для извлечения загрязнителей из водных сред [9—15]. В [16] нами было предложено использование в качестве сорбента материала на основе отхода процессов водоподготовки — осадка очистки воды от железа (ООВЖ). На примере осадка обезжелезивания артезианской воды водозабора Томского Академгородка была показана высокая нефтепоглощаю-щая способность названного материала; термическая активация при температурах до 300°С при-

водила к увеличению эффективности извлечения нефти из водных сред образцами осадка. Цель данной работы — изучение физико-химических свойств исходного и термически активированных (при температурах до 300°С) образцов ООВЖ методами низкотемпературной адсорбции азота, термического и рентгенофазового анализов (ТА и РФА).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объекта исследования был выбран осадок обезжелезивания артезианской воды водозабора Томского Академгородка. Подготовку сорбентов осуществляли следующим образом: воздушно-сухой материал осадка растирали в фарфоровой ступке, просевали через сито Druf-sieb ISO с размером ячеек 0.3 мм (для отделения крупных посторонних включений). Осадок подвергали термической активации — прокаливанию на воздухе в течение 3 ч в интервале температур 25—300°С (при 25, 180, 220, 250 и 300°С - образцы 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно).

Изотермы адсорбции и десорбции паров жидкого азота образцами осадка снимали на приборе ASAP-2400, снабженном автоматическими системами проведения эксперимента и обработки результатов. Текстурные параметры исследованных образцов определяли исходя из полученных изотерм: удельную поверхность «уд — по методу БЭТ, распределение объемов сорбирующих пор Vs по их эквивалентным диаметрам dp — по методу BJH (Barret—Joyner—Halenda) по ветви десорбции азота [1, 6—8; 17, 18].

Термический анализ материала осадка проводили на Q-дериватографе марки "МОМ" (Венгрия)

с использованием открытых керамических тиглеи в воздушной среде; нагревание — до 1000°С со скоростью 10 К/мин. Для подтверждения природы термоэффектов и получения дополнительной информации о фазовой структуре и превращениях исследуемого материала проводили РФА образцов осадка, которые предварительно прокаливали при 250, 400, 500, 750 и 1000°С. РФА осуществляли с использованием модернизированного рентгеновского дифрактометра на базе ДРОН-3 (Си^а-излучение, 20 = 5-65°, шаг -0.02-0.03°, время экспозиции — 10 с).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 1 приведены изотермы низкотемпературной адсорбции-десорбции азота образцами 1— 5. Видно, что все они относятся к типу Н3 по классификации ШРАС с характерной для мезо-пористых материалов петлей гистерезиса. Наличие петли такого типа связывают с присутствием в сорбенте щелевидных пор или пластинчатых (плоскопараллельных) частиц.

Дифференциальные кривые распределения пор по размерам (рис. 2) для исследованных образцов ООВЖ имеют выраженный максимум в области диаметров пор, равных 3—4 нм. Однако видно, что при увеличении температуры активации образцов осадка происходят рост диаметра пор и некоторое увеличение объемов пор с большим диаметром.

В таблице приведены текстурные параметры исследованных образцов осадка, рассчитанные с использованием изотерм низкотемпературной адсорбции азота. Видно, что при нагревании ООВЖ до 300°С удельная поверхность образцов «уд снизилась в 1.6—1.7 раза, в то время как объем сорбирующих пор V увеличился в ~ 1.6 раза. При этом объем пор с = 3—4 нм остался практически неизменным, объем пор с = 4—30 нм увеличился в ~ 1.4 раза (от 65.33 до 92.03 мм3/г), а с йр = 30— 100 нм увеличился в ~ 3 раза (от 24.14 до 69.98, 58.66 мм3/г). Таким образом, можно сделать вывод о том, что увеличение объема сорбирующих пор в материале осадка происходит, главным образом, за счет роста объемов пор большего размера.

На всех кривых дифференциально-термического анализа (ДТА) образцов осадка (рис. 3) наблюдается широкий эндотермический эффект в области 50—250°С (с минимумами при 129—150°С), который соответствует удалению неструктурной воды. При повышении температуры активации материала осадка величина этого эффекта уменьшалась, а количество удаленной воды снижалось от 21.5 (для образца 1) до 8.0, 6.8, 5.7 и 5.5 мас. % (для образцов

1

2, 3, 4 и 5 соответственно) . Общая потеря массы

V, см3/г

120

80

40

120

80

40

0

V, см3/г

1 Для образца 5 характер кривых аналогичен полученным для образца 4, и данные для него не приводятся.

0.8 Рр

Рис. 1. Изотермы адсорбции—десорбции азота для исследованных образцов осадка 1, 2, 3 (а) и 1, 4, 5 (б).

при прокаливании осадка до 1000°С составила 29.0, 16.0, 12.5, 11.2 и 10.5 мас. % (для образцов 1— 5 соответственно).

2332

НОВОСЁЛОВА, СИРОТКИНА

2 £

Й

40

20

50

25

40 -г

20

40

40

80

И I__*_I_I

40

80

йр, НМ

80

Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения пор по размерам: 1 — образец 1, 2 — образец 3, 3 — образец 5.

2

1

0

0

0

Экзотермический эффект с максимумами при 320—340°С является, по-видимому, экзоэффек-том кристаллизации и отвечает переходу аморфного гидрооксида железа в кристаллический а-Ре203 [19, 20]. Следует отметить, что по данным [20] этот переход для гидрооксида железа наблюдается уже при 130—165°С, а по данным [19] — при 270°С. Смещение данного эффекта в область более высоких по сравнению с наблюдаемыми [19, 20] температур объясняется, по-видимому, влиянием присутствующих в составе материала осадка трудно- и некристаллизующихся компонентов, главным образом, соединений кремния и алюминия [21].

Для образцов 1 и 2 этот экзоэффект — большой и явно выраженный, в то время как для образцов 3—5 он представляет собой плечо, которое имеет явную тенденцию к сглаживанию при переходе от образца 3 к образцу 4, и далее — к образцу 5. Здесь,

возможно, происходит наложение на указанный экзоэффект кристаллизации эндоэффекта дегидратации твердых растворов, образовавшихся, по-видимому, при предварительной термической обработке образцов ООВЖ в интервале 220—300°С. Кроме того, постепенное уменьшение экзоэф-фекта кристаллизации, выражающееся на кривых ДТА в виде уменьшения соответствующего пика и его постепенного сглаживания, можно объяснить, в том числе и тем, что частичный переход аморфного гидрооксида железа в кристаллический а-Бе203 происходит уже при предварительной термической активации материала осадка. При этом на кривых ДТГ наблюдается уменьшение соответствующего пика, расположенного в области 300—320°С.

Экзоэффект с максимумом при 480—490°С, наблюдаемый на кривых ДТА образцов 3, 4 и 5, может быть отнесен к переходу у-Бе2О3 в а-Бе2О3.

Параметры текстуры ООВЖ (диаметр пор йр, нм)

Образец *уд, м2/г V, мм3/г Объем пор с йр, мм3/г

йр = 3-4 йр = 4-30 йр = 30-100 йр > 100

1 229.9 116.016 26.546 65.331 24.139 -

2 171.4 173.958 24.740 83.546 65.672 -

3 150.7 187.975 32.874 87.644 55.293 12.164

4 134.7 186.151 28.998 76.973 69.984 10.196

5 147.5 185.648 24.706 92.031 58.656 10.255

т, мас.

100

I, отн. ед.

20

90

80

70

т, мас.

100

^ 0

- 20

95

90

85

I, отн. ед. 20

10

-10

200 400 600 800

200 400 600 800

(в)

100

95

90-

20

10

- 0

-10

100

95

90

ТГ

(г)

20

10

200 400 600 800

Т, °С

200 400 600 800

Т, °С

Рис. 3. Термоаналитические кривые образцов ООВЖ: а — образец 1, б — 2, в — 3, г — 4.

0

0

Такой экзотермический максимум дают гидрогематиты 3-ей группы (гидрогематиты как соединения у-ряда); в гематит при ~500°С переходит и имеющий дефектную структуру шпинели у-Ре2О3 в виде минерала маггемита (мартита) [20].

Экзоэффект с Ттах = 580—600°С, присутствующий на кривых ДТА всех пяти исследованных образцов ООВЖ, и экзоэффект с Ттах = 558°С, появляющийся на дериватограммах образцов 4 и 5, могут быть отнесены к образованию твердых растворов (в том числе и шпинелидов). По-видимому, предварительная термическая активация (образцы 4, 5) способствует снижению температуры образования последни

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