Библиографическое описание:

Калинин В. О., Дмитриева А. Д., Евдокимов А. Л., Моргун Н. П. Применение углеродных волокнистых сорбентов для очистки водных растворов // Молодой ученый. — 2017. — №2.1. — С. 11-14. — URL https://moluch.ru/archive/136/39052/ (дата обращения: 19.04.2018).



Рассмотрена проблема загрязнения водных ресурсов органическими веществами. Адсорбционные методы позволяют решить данную проблему с использованием углеродных материалов, исключая образование вторичных загрязнений. Изучена адсорбция толуола на углеродных волокнистых адсорбентах.

Проблема сохранения и реабилитации окружающей среды, обеспечения снижения антропогенной нагрузки была и остается крупномасштабной задачей, актуальность которой возрастает с каждым годом. Органические вещества одни из представителей высокотоксичных отходов производств и являются наиболее широко распространёнными загрязнителями поверхностных и сточных вод [1]. Источниками таких загрязнений являются предприятия химической, нефтехимической, коксохимической, химико-фармацевтической промышленности. Особую опасность представляют стоки данных предприятий, так как содержат преимущественно растворенные вещества [2].

В практике очистки природных и промышленных сточных вод широко применяются методы адсорбции. [3]. Адсорбционные методы характеризуются высокой эффективностью, способностью очищать воду, содержащую малые концентрации органических веществ, до величины ПДК и ниже, позволяют концентрировать и выделять ценные продукты из водных растворов. Адсорбционные методы решают проблему образования вторичных загрязнений при очистке сточных вод, за счет возможности регенерации сорбентов, т.е. извлечении вещества с поверхности адсорбента и его утилизации, в том числе и деструктивной, при которой извлеченные из воды загрязнения уничтожаются как не представляющие технической ценности [2].

К числу обычно используемых методов десорбции при очистке промышленных сточных вод можно отнести [4]:

1. Термическую десорбцию за счет повышения температуры слоя сорбента.

2. Химическую десорбцию, которая заключается в обработке сорбента жидкими или газообразными органическими или неорганическими реагентами, в результате чего сорбат претерпевает химическое превращение и десорбируется.

3. Десорбцию, осуществляемую за счет перепада давлений.

4. Реагентную (вытеснительную) десорбцию, осуществляемую за счет более высокого сродства реагента к адсорбенту.

5. Экстракционную десорбцию, суть которой заключается в растворении адсорбата экстрагентом.

В настоящее время разработаны более интенсивные, не приводящие к образованию вторичных загрязнений, методы регенерации адсорбентов, обеспечивающих ускорение процесса и снижение потерь энергии. К таким методам относятся [4]:

- регенерация в электромагнитных полях;

- регенерация под действием ВЧ и СВЧ;

- регенерация световым излучением;

- электрохимическая регенерация.

В лаборатории адсорбции продолжительное время исследовали и продолжают исследовать процесс электросорбции органических веществ на углеродных сорбентах. Перспективный метод электрохимической регенерации углеродных адсорбентов заслуживает внимания, так как обладает высокой экологичностью по сравнению с традиционно применяемыми реагентными методами восстановления адсорбционной емкости углеродных сорбентов. Кроме того, метод электрохимической регенерации позволяет совместить в одном аппарате стадии концентрирования и утилизации органического компонента, поглотительная способность восстанавливается более чем на 90% после 10 циклов его использования. Однако применимость этого метода ограничивается недостаточной изученностью процесса в динамике. Поэтому исследование электрохимической регенерации сорбентов, насыщенных органическими веществами, представляет несомненный интерес [5, 6]. Прежде чем приступать к изучению процессов регенерации необходимо изучить адсорбцию и десорбцию в статических условиях.

Наибольшее распространение в качестве адсорбентов для извлечения органических веществ из водных растворов получили углеродные материалы, поскольку энергия
ван-дер-вальсового взаимодействия молекул органических веществ с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного больше энергии взаимодействия этих атомов с молекулами воды [7].

Углеродные волокнистые материалы, широко применяемые в настоящее время в различных областях промышленности и медицины, обладают рядом ценных свойств, выгодно отличающих их от гранулированных углеродных адсорбентов. Развитая пористость, высокая кинетика сорбции и десорбции, возможность регенерации делают группу углеродных волокнистых материалов реальной альтернативой традиционным активным углям [8]. Поэтому представляет интерес разработка научных основ для создания процессов очистки природных и сточных вод от органических загрязнителей активированными углеродными волокнистыми адсорбентами, обеспечивающих охрану окружающей среды, ресурсосбережения и сохранения здоровья населения [2].

В качестве объектов исследования использовались промышленные углеродные ткани марок ТМ-4 и ТР-3/2 полученные в результате термохимической обработки гидратцеллюлозных волокон по технологии карбонизации от 1500 °C до 2200 °C. Обычно с целью придания защитных жаростойких и антикоррозионных свойств ткани при их изготовлении покрывают такими соединениями как карбид кремния SiC и дисилицид молибдена MoSi2 [9]. В процессе производства УМ также могут применять кремнийсодержащие соединения для получения волокон с высокой степенью ориентации.

Для выбора условий очистки водных растворов от загрязнителей одним из контролирующих факторов является ПДК. Для толуола эта величина составляет 0,5 мг/л [10]. Определение адсорбции толуола на поверхности образцов проводили ампульным методом при 18-20 °С в закрытых стеклянных колбах, при соотношении твердой и жидкой фазы 1:2500. Была рассчитана степень поглощения и остаточная концентрация толуола при разных концентрациях исходного раствора (рис. 1).

Как видно из рисунка 1 наблюдается эффективное поглощение толуола всеми образцами (от 100 до 54 %) во всем диапазоне концентраций. Полное поглощение толуола на углеродных тканях наблюдается только до исходной концентрации толуола 0,27 ммоль/л. При повышении исходной концентрации эффективность поглощения толуола постепенно уменьшается, при этом повышается остаточная концентрация, которая больше величины ПДК.

Рис. 1 - Зависимость степени поглощения толуола (S, %) от исходных концентраций
исх, ммоль/л)

Как было сказано ранее, углеродные сорбенты используются для доочистки водных растворов от органических загрязнителей, поэтому можно предположить, что углеродные ткани можно использовать для поглощения вредных органических веществ из природных вод с концентрацией толуола порядка 0,4 ммоль/л при этом эффективность будет не меньше 95 %, а остаточная концентрация не превысит ПДК толуола в растворе при соотношении твердой и жидкой фазы 1:2500.

Исследование сорбции и десорбции органических соединений, входящих в состав нефти на углеродных волокнистых сорбентах требует дальнейшего исследования с целью возврата углеродной ткани в дальнейшие процессы адсорбции, в частности в динамических условиях.

Литература:

  1. Темердашев З. А., Мусорина Т. Н., Киселева Н. В. Исследование сорбционных свойств углеродных материалов при очистке вод от органических загрязнителей // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2007. – №3. – С. 3-5.
  2. Краснова Т. А., Беляева О. В., Кирсанов М. П. Использование активных углей в процессах водоподготовки и водоотведения // Техника и технология пищевых производств. – 2012. – № 3. – С. 1-11.
  3. Киселева Н. В., Темердашев З. А., Мусорина Т. Н. Кинетика сорбции растворенных органических поллютантов углеродсодержащими материалами при очистке вод // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2012. – № 11. – С. 64-67.
  4. Подвязников М. Л., Самонин В. В., Шевкина А. Ю., Ченцов М. С., Ивачев Ю. Ю., Никонов В. Ю.А. Интенсивные методы регенерации сорбирующих изделий // Энергосбережение и водоподготовка. – 2007. – № 4. – С. 39-44.
  5. Шевелева И. В., Хабалов В. В. Электрохимическая регенерация нетканого углеродного волокна, насыщенного фенолом // Химия и технология воды. – 1990. – № 3. – С. 213-216.
  6. Пат. 2046014 Российская Федерация, МПК B01J20/34, B01J20/20. Способ регенерации углеродного сорбента, загрязненного органическими веществами / Лазарева Л.П., Лисицкая И.Г., Горчакова Н.К., Хабалов В.В.; заявитель и патентообладатель НИФТИ при ДВГУ. – № 5031794/26; заявл. 11.03.1992; опубл. 20.10.1995, Бюл. № 29. – 5 с.
  7. Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко Т. М., Рода И. Г. Адсорбция органических веществ из растворов. – Л.: Химия, 1990. – 256 с.
  8. Валинурова Э. Р., Кадырова А. Д., Кудашева Ф. Х. Адсорбционные свойства углеродного гидратцеллюлозного волокна // Вестник Башкирского университета. — 2008. – № 4. – С. 907-910.
  9. Кузнецова С. И., Петров А. Л. Применение лазерного излучения для модификации поверхности и раскроя углеродных композиционных материалов и углеродных тканей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2003. – № 1. – С. 46-54.
  10. ГОСТ 5789-78. Реактивы. Толуол. Технические условия. – Введ. 01.01.1979. – М.: ФГУП "Стандартинформ", 2008. – 8 с.
Основные термины (генерируются автоматически): органических веществ, водных растворов, углеродных волокнистых, сточных вод, органических загрязнителей, углеродных адсорбентов, электрохимической регенерации, поглощения толуола, поглощение толуола, очистки водных растворов, метод электрохимической регенерации, вторичных загрязнений, органическими веществами, окружающей среды, регенерации углеродных адсорбентов, углеродных материалов, углеродных волокнистых сорбентов, регенерации сорбентов, промышленных сточных вод, остаточная концентрация.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос