ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 2, с. 191-195
УДК 504.064+628.316.12
ВНЕШНЕДИФФУЗИОННАЯ КИНЕТИКА АДСОРБЦИИ КРАСИТЕЛЯ АНИОННОГО КРАСНОГО 8С НА ГЛАУКОНИТЕ © 2013 г. И. М. Петрушка, Я. М. Гумницкий, М. С. Мальованый
Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов petim@mail.ru
Поступила в редакцию 11.10.2011 г.; после доработки 05.06.2012 г.
Исследована кинетика процесса адсорбции красителя анионного красного 8С на глауконите. Экспериментально определены значения коэффициентов массоотдачи при механическом перемешивании в зависимости от числа оборотов лопастной мешалки. Приведено сравнение экспериментальных значений с расчетными, определенными на основании теории локальной изотропной турбулентности, используемой для анализа процессов растворения в аппаратах с мешалками. Опытные значения обобщены критериальной зависимостью.
Б01: 10.7868/8004035711206019Х
ВВЕДЕНИЕ
Адсорбция находит широкое применение в химической технологии, а также в охране окружающей среды. В последнем случае адсорбция часто применяется для очистки сточных вод от примесей [1]. Качество воды имеет большое значение для функционирования природной среды и, в частности, для здоровья человека, поэтому большое внимание исследователей уделяется повышению эффективности очистки. Из множества методов очистки воды самыми распространенными и эффективными являются сорбционные. Эффективность адсорбционной очистки достаточно высокая и зависит от химической природы адсорбента, его структуры и величины адсорбционной поверхности. Большое значение в последние годы для очистки воды придается природным сорбентам или сорбентам, полученным на основе природных материалов.
Целью настоящей работы является изучение сорбционно-кинетических свойств природных сорбентов (бентонита, палыгорскита и глауконита) по отношению к синтетическому красителю анионному красному 8С. Данный краситель используется для окрашиваний натуральной кожи. Выбор адсорбента обусловлен тем, что проблема очистки производственных вод, содержащих высокомолекулярные соединения, в настоящее время имеет большую практическую значимость. В результате проведенных исследований установлено, что наилучшими сорбционными свойствами по отношению к красителю анионному красному 8С обладает глауконит [2]. Глауконит — сложный калийсодержащий водный алюмосиликат, минерал из группы гид рослюд, подкласса слоистых си-
ликатов непостоянного и сложного состава, выражающегося усредненной формулой (К, На, Са) • • (Ре3+, М^, Бе2+, А1)2[(А1,81)813010](0И)2 • Н20.
Использование природных дисперсных сорбентов для очистки сточных вод, загрязненных синтетическими красителями, в достаточно полной мере обосновано во многих научных работах [3—6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Как известно, адсорбционные системы характеризуются различной формой изотерм равновесия. Для многих адсорбционных систем присуща форма изотермы Ленгмюра. Характерной чертой этого типа адсорбционных изотерм является то, что при определенном значении концентрации компонента в растворе равновесная концентрация в твердой фазе достигает значения, которое
Рис. 1. Изотерма адсорбции красителя анионного красного 8С на глауконите при температуре 20 ± 0.5°С.
C, мг/дм3 12
10
8
6
4
2
10
15
20
25 т, мпн
Рис. 2. Влияние перемешивания на интенсификацию процесса сорбции красителя анионного красного 8С на глауконите: 1 — 50; 2 — 100; 3 — 200; 4 — 300 об/мин.
можно считать практически постоянным. На рис. 1 представлена изотерма адсорбции красителя анионного красного 8С на глауконите при температуре 20 ± 0.5°С.
В первом приближении о кинетике процесса можно судить по характеру изотерм адсорбции. Так, в области высоких концентраций компонента в растворе кинетика является внутридиффузи-онной (в нашем случае при концентрации С > > 25 мг/дм3). В области низких концентраций, соответствующих линейному характеру изотерм адсорбции, кинетика является внешнедиффузион-ной (С < 5 мг/дм3). В промежуточном интервале концентраций кинетика является смешанной. Данный метод является оценочным, а не точным. Характер кинетики массообмена определяется величиной массообменного числа Био:
Bi = М. А
(1)
Использование числа В1 для определения механизма требует предварительной информации о коэффициентах в и Бэ .
При В1м ^ 0 (практически В1м < 0.1) кинетика является внешнедиффузионной, а при В1м ^ да (практически при В1м > 50) — внутридиффузион-ной [8, 12].
Нами исследован процесс поглощения красителя анионного красного 8С при концентрации С = 10 мг/дм3 , что отвечает реальным сточным водам и лежит по предварительной оценке на основе анализа изотерм адсорбции в промежуточной области. Это означает, что внешнедиффузи-онное и внутридиффузионное сопротивление примерно одинаковы. Известно, что внешнедиф-фузионное сопротивление может быть уменьшено за счет активизации гидродинамического режима в аппарате.
С этой целью нами исследована кинетика процесса сорбции красителя анионного красного 8С природным дисперсным сорбентом глауконитом в динамических условиях.
Для проведения экспериментов готовился модельный раствор с концентрацией красителя 10 мг/дм3 и определенным заранее оптимальным количеством сорбента (глауконита): 50 г на 1 дм3 раствора. Исследования проводили в аппарате диаметром Ба = 0.08 м с прямой лопастной мешалкой, закрепленной на валу диаметром du = = 0.04 м, ширина лопастей b = 0.01 м. Число оборотов мешалки изменялось в пределах 50—300 об/мин. Высота слоя жидкости — 0.2 м. Пробы раствора отбирались через определенные промежутки времени и анализировались на содержание в растворе данного красителя.
На рис. 2 представлены результаты экспериментальных исследований кинетики адсорбции красителя 8С на глауконите в виде зависимости изменения концентрации красителя в растворе от времени при различных числах оборотов мешалки.
Максимальная интенсификация процесса сорбции отвечает условиям перевода процесса во внутридиффузионную область. Как показали исследования, повышение числа оборотов мешалки свыше 300 об/мин не приводит к увеличению скорости поглощения красителя. Это значит, что процесс адсорбции протекает во внутридиффузи-онной области, при которой внешнее воздействие не влияет на кинетику сорбции.
Нами предварительно исследован внутридиф-фузионный механизм адсорбции и определен эффективный коэффициент внутренней диффузии Д, красителя анионного красного 8С на глауконите [7]. Эта величина равна (6.1 ± 0.2) х 10-11 м2/с.
В данном исследовании определялось значение коэффициента массоотдачи в зависимости от числа оборотов механического перемешивающего устройства. Экспериментальное определение коэффициента массоотдачи ß в процессах адсорбции затруднено из-за трудности определения величины концентрации адсорбтива на наружной поверхности частиц адсорбента [8].
Очевидно, что чисто внешнедиффузионный процесс имеет место только в начальные промежутки времени, когда на поверхности адсорбента концентрация молекул красителя равна нулю, а в растворе — средней величине от начальной концентрации Сн = 10 мг/дм3 до величины С1 за время первого отбора пробы Ат1. Из уравнения массоотдачи, записанного в интегральной форме, определялся коэффициент массоотдачи ß:
ß =
AM
ZF (С - 0)AT1
0
5
Концентрация в растворе находилась как среднеарифметическая С:
Гранулометрический состав глауконита
С = Сн + С 2 '
(3)
Промежуток времени Атх выбирался очень небольшим.
Массу поглощенного красителя определяли по уравнению материального баланса:
АМ = У(Сн — Сх).
(4)
dср =
, (5)
1Ш п
Для исследуемого адсорбента с приведенным гранулометрическим составом средний диаметр частиц равен dср = 0.253 х 10—3 м.
Для интенсификации процесса сорбции исследования проводили в аппарате с мешалкой при различных числах оборотов (50, 100, 200, 300 об/мин).
На рис. 3 представлены экспериментальные значения коэффициентов массоотдачи в в зависимости от числа оборотов п (прямая 1). Из представленных результатов следует, что увеличение числа оборотов мешалки действительно способствует увеличению коэффициентов массоотдачи.
В [9, 10] приводится методика расчета теоретического коэффициента массоотдачи на основании теории локальной изотропной турбулентности для аппаратов с механическими перемешивающими устройствами для случая растворения твердых частиц, размеры которых превышают толщину диффузионного пограничного слоя. В случае растворения твердых частиц концентра-
Обозначение фракции частиц Диаметр фракции, мм Массовая доля частиц, %
dx 0.13 3
d2 0.13—0.25 10
dз 0.25—0.5 85
d4 0.5—1.0 2
О внешнедиффузионной области в начале процесса адсорбции свидетельствует тот факт, что изменение концентрации красителя носит линейный характер, а это означает, что на процесс не накладывается внутридиффузионный транспорт вещества, что наблюдается для времени свыше 100 с (рис. 2).
Для определения коэффициентов массоотдачи частиц глауконита необходимо определить их внешнюю поверхность и средний диаметр. Эти параметры находились на основании гранулометрического состава адсорбента, приведенного в таблице.
Определялось суммарное количество частиц всех фракций N. Рассчитывалась поверхность частиц каждой из четырех фракций и суммарная поверхность Х?, входящая в уравнение (2). Среднестатистический диаметр dср находился на основании общей поверхности всех частиц, поскольку площадь внешней поверхности частиц является наиболее важной для внешнедиффузионных процессов. Средний диаметр частиц определялся как
ция вещества на поверхности известна и равна концентрации насыщения.
Согласно этой теории коэффициент массоот-дачи вр равен [9]
вр = 0.267(б^)1'4 8е
V4 с„-3/4
(6)
В наших исследованиях процесса адсорбции осуществляется массообмен между частицами адсорбента и раствором, когда только в начальный промежуток времени можно принять концентрацию на поверхности равной нулю. Нами предпринята попытка применить уравнение (6) и теоретически определить коэффициент массоотдачи в, поскольку гидродинамические условия соответствовали условиям, необходимым для применения зависимости (6). Аналогичная методика опреде
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.