Определение поглотительной способности наиболее известных адсорбентов

Статья посвящена анализу поглотительной способности различных промышленных адсорбентов в бытовой среде. В статье рассматриваются методы очистки воды и регенерации адсорбентов. Явление адсорбции из растворов на поверхности твердых тел лежит в основе многих химических и биологических процессов. Интерес к нему определяется чаще всего необходимостью решения чисто практических задач, например, очистка сточных и загрязненных вод.

Ключевые слова: адсорбция, абсорбция, адсорбент, адсорбции, десорбция, регенерация

1.                  Введение

Цель данной работы провести сравнительный анализ взятых адсорбентов по разным характеристикам и выявить, какой из представленных более эффективен для очистки воды.

В химии есть такой процесс как сорбция (поглощение), который делится на два вида адсорбцию и абсорбцию. Абсорбцией называется процесс поглощения адсорбата всем объемом адсорбента [1]. Данный процесс состоит из двух этапов: 1) адсорбция и 2) диффузия с поверхности во внутрь. В данной работе более подробно разберем первый вид сорбции — адсорбцию.

Изменение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объёмной фазе, отнесенное к единице поверхности, называется адсорбцией [1]. Адсорбция зависит от многих факторов, например, от природы вещества, от температуры, от концентрации вещества в объеме.

Природа адсорбционных сил весьма различна. Если это Ван-дер-Ваальсовы силы, то адсорбция называется физической. Однако адсорбция может идти не только из-за стремления запаса свободной энергии к уменьшению, она может быть результатом химического взаимодействия компонента с поверхностью вещества (хемосорбция), и в данном процессе поверхностная энергия может возрастать на фоне уменьшения общей энергии всей системы.

Химиками принято называть более плотную фазу, то есть вещество, на котором идет адсорбция, адсорбентом, который может быть либо жидким, либо твердым [1]. Вещество же, которое перераспределяется и поэтому находится в жидком или газообразном состоянии (фазе), называют адсорбатом (адсорбтивом) [1].

Адсорбат поглощается поверхностью адсорбента. А обратный переход вещества из поверхностного слоя в дисперсную среду называется десорбцией.

В зависимости от агрегатных состояний адсорбата и адсорбента различают следующие виды адсорбции: адсорбцию газа на твердых адсорбентах; адсорбцию растворенных веществ на границе твердое тело — жидкость и жидкость — жидкость; адсорбцию на границе жидкий раствор — газ из газа или жидкости.

На безе кафедры химии Пензенского государственного университета и архитектуры и строительства (ПГУАС) нами были практически исследованы адсорбционные свойства наиболее часто используемых адсорбентов для очистки жидкостей: диатомит, активированный уголь, силикагель и цеолит.

2.                  Материалы и методы

2.1 Характеристика основных физико-химических свойств адсорбентов

Мы сравнили физические свойства и химический состав взятых нами адсорбентов и получили следующие результаты. Для удобства мы поместили данные в Таблицу 1 и Таблицу 2.

Таблица 1

Свойства и состав адсорбентов

Таблица 2

Стоимость адсорбентов

2.2 Требования безопасности

Диатомит пожаро- и взрывобезопасен, не токсичен. По степени воздействия на организм относится к веществам III класса опасности в соответствии с ГОСТ 12.1.005–88. Предельно допустимая концентрация диоксида кремния в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³ по ГН 2.2.5.686–98 и ГОСТ 12.1.005–88. Определение содержания пыли диоксида кремния в воздухе рабочей зоны проводится по МУ 1719–77 от 18.04.1977 г. «Гравиметрическое определение пыли в воздухе рабочей зоны и в системах вентиляционных установок». В целях коллективной защиты должна быть предусмотрена герметизация оборудования и коммуникаций. Производственные и лабораторные помещения, в которых проводится работа, должны быть оснащены проточно-вытяжной вентиляцией по ГОСТ 12.4.021–75, обеспечивающей состояние воздушной среды рабочей зоны в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005–88. Места возможного выделения пыли должны быть снабжены местной вытяжной вентиляцией. В производственных и лабораторных помещениях необходимо проводить влажную уборку. Работающие с фильтрующим материалом диатомит должны быть обеспечены индивидуальными средствами защиты органов дыхания по ГОСТ 12.4.013–85, очками защитными по ГОСТ 12.4.013–85, а также специальной защитной одеждой и средствами индивидуальной защиты рук и ног по ГОСТ 12.4.103–83. Все работы с фильтрующим материалом диатомит должны проводится с соблюдением отраслевых правил по технике безопасности, утвержденных в установленном порядке. При использовании продукта в качестве материала для очистки сточных вод, концентрация загрязняющих веществ в обработанной воде не должна превышать гигиенические нормативы, установленные СанПиН 2.1.5.980–00, ГН 2.1.5.689–98, ГН 2.1.5.690–98, ГН 2.1.5.1093–02. При использовании продукта в качестве материала для очистки питьевой воды, концентрация загрязняющих веществ в обработанной воде не должна превышать гигиенические нормативы, установленные СанПиН 2.1.5.1074–01. При работе с фильтровальным материалом диатомит концентрация пыли неорганической с содержанием SiО₂ более 70 % в воздухе закрытых помещений и в атмосферном воздухе населенных мест не превысит ПДК 0,15 мг/м³ (максимально-разовая) и 0,05 мг/м³ (среднесуточная), установленную ГН 2.1.6.695–98 «ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест» [5].

Активированный уголь не является токсичным продуктом. В воздухе рабочей зоны уголь присутствует в виде аэрозоля фиброгенного действия. Фиброгенным называется такое действие аэрозоля, при котором в легких происходит разрастание соединительной ткани, которое приводит к нарушению нормального строения и функционированию органов. По степени воздействия на организм человека уголь относится к IV классу опасности по ГОСТ 12.1.005. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны при работе с углем — по ГОСТ 12.1.005. Общие требования безопасности при работе с углем — по ГОСТ 12.1.007 и ГОСТ 12.3.002. Общие требования пожарной безопасности — по ГОСТ 12.1.004.

Силикагель пожаро- и взрывобезопасен. Предельно допустимая концентрация пыли силикагеля с массовой долей от 10 до 70 % свободного диоксида кремния в воздухе рабочей зоны производственных помещений — 2 мг/м³. По степени воздействия на организм продукт относится к веществам III класса опасности по ГОСТ 12.1.007. При работе с силикагелем следует применять индивидуальные средства защиты органов дыхания в соответствии с ГОСТ 12.4.034. Помещения, в которых проводятся работы с силикагелем, должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией по ГОСТ 12.4.021. Должна быть обеспечена максимальная герметизация технологического оборудования [7].

Цеолит нетоксичен и согласно ГОСТ 12.1.044 пожаровзрывобезопасный. Согласно ГОСТ 12.1.007 относится к IV классу опасности при внутрижелудочном попадании в организм. При производстве, транспортировке, хранении и применении цеолита, возможное выделение в рабочих помещениях и на рабочих площадках пыли цеолита, предельно допустимая массовая концентрация которого не должна превышать 0,2 мг/м³. Требования пожарной безопасности производственных помещений должны отвечать требованиям согласно ГОСТ 12.1.004. Уровень производственного шума на рабочих местах не должен превышать нормы, определенные согласно ГОСТ 12.1.003. Метод измерения — согласно ГОСТ 12.1.050. Рабочие должны быть обеспечены спецодеждой, спецобувью, средствами защиты органов дыхания, средствами защиты органов слуха. Для защиты глаз от пыли применяют защитные очки ЕПЗ-84. Отопления, вентиляция и кондиционирование воздуха, должны отвечать требованиям СНИП 2.04.05. Освещение должно отвечать требованиям СНИП 11–4. Температура воздуха в производственных помещениях должна нормироваться согласно требованиям ГОСТ 12.1.005. Уровни шума на рабочих местах не должен превышать требования безопасности согласно ДСН 3.3.6.037. Безопасность работающих на предприятии должна регламентироваться системой государственных стандартов безопасности труда. Технологическое оборудование должно отвечать требованиям ГОСТ 12.2.003. Беспечность технологического процесса должна отвечать требованиям ГОСТ 12.3.002. Оборудование и коммуникации должны быть заземлены от статического электричества согласно ГОСТ 12.1.018. Контролирования за выбросами вредных веществ в воздух осуществляют согласно ГОСТ 17.2.3.02 и ДСП 201. Стоковые воды должны отвечать требованиям СанПиН 4630. Производство цеолита является безотходным [8].

2.3 Метод исследования адсорбционной способности взятых адсорбентов

Для исследования поглотительной способности мы поставили несколько опытов. При измерении использовались следующие оборудование и реактивы: образцы адсорбентов, чернила, пробирки, колбы с резиновыми пробками, стеклянные палочки с резиновыми наконечниками, фильтры, ступка с пестиком, электронные весы.

Ход работы:

1.                  Приготовили 5 растворов чернил, добавив в 100 мл водопроводной отстоянной воды две капли чернил.

2.                  Измельчили цельный природный диатомит до однородного порошкообразного состояния.

3.                  Отвесили одинаковое количество адсорбентов (5г), с помощью электронных весов модели HL-100, класс точности — Высокий — II (ГОСТ 24104–01).

4.                  Смешали адсорбенты с растворами и перемещали стеклянными палочками.

5.                  Отфильтровали спустя 30 минут и сравнили отфильтрованные растворы с контрольным (1-ая серия опытов).

6.                  2-ою серию опытов оставили на сутки (24 часа).

7.                  По истечению заданного срока отфильтровали и сравнили результаты с контрольным раствором.

3.                  Результаты и обсуждения

3.1 Адсорбционная способность взятых образцов

После проведения опытов были получены следующие результаты по характеристике растворов второй и первой серии, представленные в Таблице 3 и Таблице 4:

Таблица 3

Результаты определения адсорбционной способности

Таблица 4

Результаты определения адсорбционной способности

Заключение по Таб. 3 и 4:

1.         По поглотительным способностям лучшим адсорбентом оказался диатомит, так как раствор, смешанный с ним, являлся самым светлым.

2.         Растворы, очищенные силикагелем и цеолитом, оказались самыми темными, следовательно, поглотительная способность силикагеля и цеолита в данном исследовании по сравнению с другими взятыми образцами адсорбентов, более низкая.

4.                  Регенерация взятых образцов адсорбентов

Регенерация адсорбентов является одним из основных вопросов, которые возникают при адсорбционной очистке, в особенности это касается применения дорогостоящих адсорбентов. Цели регенерации таковы: во-первых, десорбция адсорбированных веществ или деструктивное их разрушение; во-вторых, восстановление адсорбционной способности адсорбентов.

Восстановление адсорбционной способности может производится следующими способами:

-        вытеснительной десорбцией;

-        смещением равновесия системы;

-        окислением адсорбированных веществ химическими реагентами;

-        термической деструкцией адсорбированных веществ.

При десорбции вытеснительной, как правило, используют низкокипящие жидкости (растворители): метанол, бензол, толуол, дихлорэтан. Основным свойством таких жидкостей является то, что адсорбция из них происходит хуже, чем из воды. Адсорбенты помещают в эту жидкость и ее молекулы вытесняют с поверхности адсорбента ранее адсорбированное вещество. Затем жидкости отделяют от адсорбента, а ее остатки отгоняют паром.

Регенерация адсорбентов путем смещения равновесия может осуществляться, во-первых, путем изменения концентрации адсорбтива, во-вторых, повышением температуры, в-третьих, переводом вещества на поверхности адсорбента из молекулярной формы в диссоциированную. Уменьшение концентрации адсорбтива в воде приводит к тому, что смещение равновесия происходит в сторону десорбции веществ, когда число отрывающихся от поверхности адсорбента молекул в единицу времени становится больше количества адсорбирующихся. Повышение температуры также приводит к смещению равновесия в сторону десорбции, так как увеличение кинетической энергии молекул приводит к увеличению интенсивности их отрыва от поверхности адсорбента. Обычно этим способом регенерируют адсорбенты от легколетучих веществ. В качестве десорбирующего вещества используют воздух, нагретый до температуры 120–140°, инертные газы — до температуры 300–500°, острый водяной пар — до температуры 200–300°.

Органические кислоты удаляют с поверхности адсорбента путем промывки его раствором щелочи. Этим же способом регенерируют адсорбенты от органических оснований, используя раствор кислоты. Когда адсорбированное вещество не представляет собой технической ценности, а также при невозможности регенерации адсорбента другими способами применяют деструктивные методы: окисление хлором или озоном.

Термическая деструкция проводится при высокой температуре (700–1000°С) без доступа кислорода воздуха. Органические вещества, адсорбированные на активном угле, при такой температуре подвергаются пиролизу, и активный уголь восстанавливает свои адсорбционные свойства. Потери угля при таком способе составляют 5–10 %.

5.                  Методы регенерации адсорбентов

5.1 Регенерация силикагелей

Регенерация силикагеля можно осуществлять как в промышленном масштабе, так и в химической лаборатории, а также в бытовых условиях. Процесс регенерации включает в себя три стадии:

1.         Очистка адсорбента (может не проводиться);

2.         Десорбция;

3.         Охлаждение адсорбента после десорбции.

В промышленных условиях процесс регенерации можно вести различными способами, в зависимости от того, для какого процесса осушки или очистки применялся силикагель.

В лаборатории регенерацию силикагеля проводят в сушильном шкафу при нагревании до 150–170^оС в течении 3–4 часов.

При использовании силикагеля в быту для осушки обуви, кожаных изделий и т. д., адсорбционные свойства силикагеля можно восстановить просушиванием его на батарее или в духовке при температуре не выше 170^оС.

Но при нагревании силикагеля выше 180^оС разрушаются ОН-группы на его поверхности, что приводит к резкому ухудшению его адсорбционных свойств [2].

5.2 Регенерация активированного угля

Регенерация активированного угля представляет собой восстановление адсорбционной способности влажного активизированного угля, выделяя адсорбированные загрязнители на его поверхности.

Наиболее распространенной техникой регенерации, является тепловая регенерация. Тепловой процесс регенерации состоит из трех стадий:

1.                  Адсорбент высушивается приблизительно при температуре 105 °C;

2.                  Десорбция при высокой температуре и разложение (500–900°C) в инертной атмосфере без доступа кислорода;

3.                  Остаточная органическая газификация окисляющимся газом (пар или углекислый газ) при повышенных температурах (800°C).

Стадия термообработки использует экзотермическую природу адсорбции и приводит к десорбции, частичному разрушению и полимеризации адсорбированной органики. Заключительный шаг стремится удалять обугленный органический остаток, сформированный в пористой структуре на предыдущей стадии и повторно выстроить пористую углеродистую структуру, восстанавливающую ее оригинальные поверхностные особенности. В процессе тепловой адсорбции цикла регенерации 5–15 % веса слоя углерода сжигается, приводя к потере адсорбционной способности [3], [6].

Регенерацию диатомита и цеолита невозможно провести в не специализированных лабораторных условиях, поэтому мы не представляем методы их восстановления.

В заключение нашего исследования хотели бы добавить, что в ходе проведенного сравнительного анализа мы изучили образцы взятых адсорбентов по различным критериям и выявили, что наиболее удовлетворяющими поглотительными способностями обладает диатомит. А также, выяснили, что данный образец, по сравнению с другими использовавшимися в опыте адсорбентами, экологически и экономически выгоден для промышленного использования.

Литература:

1.                  Кругляков П. М. Физическая и коллоидная химия: Учеб. пособие/ П. М. Кругляков, Т. Н. Хаскова. — М.: Высш. шк. 2005. — 319 с., ил.

2.                  Неймарк И. Е., Шейнфайн Р. Ю. Силикагель, его получение, свойства и применение. — Киев: Наукова думка, 1973. — 200 с., ил.

3.                  Проскуряков В. А., Шмидт Л. И. Очистка сточных вод в химической промышленности. — Л.: Химия, 1977. — 464 с.

4.                  Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. — Л.: Химия, 1982. — 168 с., ил.

5.                  ТУ 2164–003–59266087–05 “Фильтрующий материал диатомит”.

6.                  ГОСТ Р 55096–2012. Национальный стандарт Российской Федерации. Ресурсосбережение. Наилучшие доступные технологии. Обработка отходов в целях получения вторичных материальных ресурсов (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 14.11.2012 N 797-ст) из информационного банка «Отраслевые технические нормы».

7.                  ГОСТ 3956–76. Силикагель технический. Технические условия» (утв. Постановлением Госстандарта СССР от 26.01.1976 N 212) (ред. от 01.09.1990)из информационного банка “Строительство”.

8.                  ТУ У 15,7–31251965–00–2009 “Цеолит для приготовления премиксов и комбикормов.”