Влияние коагулянта FeCl3 на степень извлечения активированного угля марки «УАФ» из водного раствора | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 20 марта, печатный экземпляр отправим 24 марта.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №4 (346) январь 2021 г.

Дата публикации: 25.01.2021

Статья просмотрена: 1 раз

Библиографическое описание:

Бечин, С. Н. Влияние коагулянта FeCl3 на степень извлечения активированного угля марки «УАФ» из водного раствора / С. Н. Бечин, Д. Э. Ступалев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 4 (346). — С. 76-79. — URL: https://moluch.ru/archive/346/77981/ (дата обращения: 06.03.2021).



В статье авторы исследовали влияние коагулянта FeCl 3 на степень извлечения активированного угля марки «УАФ» из водного раствора.

Ключевые слова: коагулянт, степень извлечения, активированный уголь, УАФ, FeCl 3 , электрофлотация.

Электрофлотационный метод в настоящее время является одним из перспективных методов очистки сточных вод от активных порошковых углей. При верном совмещении этого метода с другими способами очистки сточных вод от активированных углей можно добиваться нужной степени очистки, а также извлекать ценные компоненты. Метод основан на пропускании постоянного электрического тока через обрабатываемый раствор, при этом образуются пузырьки газа — H 2 и O 2 — которые, поднимаясь к поверхности раствора, сталкиваются с загрязняющими частицами, прилипают к ним и образуют флотошлам — пенный слой. Кроме этого, могут извлекаться растворённые загрязнители (к примеру, ПАВ) путём сорбции на частичках извлекаемого угля [1].

Электрофлотационный процесс реализовывается без реагентов-собирателей (применяются только реагенты для образования осадка и их флокуляции), а также высокая дисперсность пузырьков. Это позволяет извлекать более мелкие частицы [2].

При протекании процесса электрофлотации одну из важных ролей выполняют пузырьки водорода. Диаметр пузырьков водорода значительно меньше диаметра пузырьков кислорода, выделяющихся на аноде, и меньше диаметра пузырьков воздуха, образующихся при других способах насыщения жидкостей газом. Диаметр пузырьков водорода согласно интегральной кривой распределения находится в пределах от 10 до 40 мкм, а кислорода от 20 до 100 мкм [1, 3].

Электрофлотация — многостадийный процесс, состоящий из пяти основных стадий:

1) образование газовых пузырьков при электролизе жидкости;

2) формирование частиц дисперсной фазы;

3) формирование флотокомплексов «частица — пузырьки газа»;

4) всплывание флотокомлексов на поверхность раздела H 2 O–воздух;

5) образование трёхфазной пены «частица — пузырьки газа — вода».

Стадия фиксирования на частицах нужного количества газовых пузырьков (формирование флотокомплекса) происходит в результате прохождения энергетического барьера гидратных оболочек, которыми окружены пузырёк и частица. Под действием внешних гидродинамических сил осуществляется сближение частиц и пузырьков. Когда расстояние между ними достигает до 10– 6 мм, начинают действовать молекулярные силы [1].

Основную роль в процессе электрофлотации выполняют пузырьки газа, выделяющиеся на электродах [4]. Размер и интенсивность выделения пузырьков газов при электролизе можно корректировать, изменяя следующие параметры: плотность тока, материал электродов, их форму и шероховатость, состав и температуру обрабатываемой жидкости, поверхностное натяжение на границе раздела фаз «электрод-раствор», рН среды.

В электрофлотационном процессе в роли катодных материалов применяются сталь различных марок, медь, бориды кобальта и никеля, неметаллические углеродные материалы. В основном используются катоды из нержавеющей стали, которые обладают высокой интенсивностью газовыделения и отличаются коррозионной стойкостью, а также невысокой стоимостью их изготовления.

В качестве анодного материала используют двухкомпонентную композицию активного покрытия на титане, состоящую из смешанных оксидов титана и рутения TiO 2 -RuO 2 , так как она является доступной и эффективной.

Извлечение высокодисперсного углеродного материала марки «УАФ» из водного раствора, содержащего хлорид-ионы, сульфат-ионы, осуществлялось в непроточном электрофлотаторе с нерастворимыми анодами (рис.1).

Схема лабораторной электрофлотационной установки периодического действия: 1 — стакан с модельным раствором, 2 –колонна электрофлотатора, 3 — электродный блок; 4 — вентиляция

Рис. 1. Схема лабораторной электрофлотационной установки периодического действия: 1 — стакан с модельным раствором, 2 –колонна электрофлотатора, 3 — электродный блок; 4 — вентиляция

Аппарат (2) выполнен из стекла, площадь поперечного сечения — 10 см 2 , объём раствора в аппарате — 0,5 дм 3 . Высота аппарата — 800 мм, вентиль отбора проб располагается на высоте 40 мм от электродного блока (3). В качестве катода использовалась сетка из нержавеющей стали, а в качестве анода — титан в виде пластины с покрытием из оксидов рутения и титана. Электроды изолированы один от другого с помощью резиновой прокладки [1].

Для приготовления вспомогательных растворов фона (хлорид натрия, сульфат натрия) и коагулянтов (хлорид железа) с концентрацией 1 г/л, навеску сухого вещества вносили в стакан на 100 мл, в который добавляли 20–40 мл дистиллированной воды, тщательно перемешивая, до полного растворения. Полученный концентрированный раствор переносили в мерную колбу на 500 мл и доводили до метки дистиллированной водой.

Для приготовления модельного раствора в колбу на 500 мл вносили 0,1 г угля марки «УАФ» и раствор NaCl (Na 2 SO 4 ), доводили дистиллированной водой до 500 мл. Также для приготовления модельного раствора по необходимости добавляли растворы коагулянтов.

Эффективность процесса извлечения высокодисперсного углеродного материала марки «УАФ» из раствора оценивали по степени извлечения α (%). Степень извлечения рассчитывали как отношение разности исходной ( с исх , мг/л) и конечной ( с кон , мг/л) концентрации в растворе к исходной концентрации ( с исх , мг/л):

Контроль pH осуществляли с помощью pH-метра (иономера лабораторного) И–160МИ с комбинированным электродом (ЭСК-10603).

Анализ литературных источников показал, что коагулянты в растворе способствуют повышению эффективности извлечения углеродных материалов. Поэтому в работе были проведены исследования влияния коагулянта FeCl 3 на процесс электрофлотационного извлечения угля марки «УАФ».

Зависимость степени извлечения активированного угля марки «УАФ» от pH раствора при добавлении коагулянта FeCl 3 приведена в таблице 1.

Таблица 1

рН

Степень извлечения активированного угля УАФ α ЭФ , %

Без добавок

Коагулянт FeCl 3

1 г/л NaCl

1 г/л Na 2 SO 4

4

0

92

39

5

0

46

15

6

0

43

0

7

0

2

0

8

0

0

0

9

0

0

0

10

0

0

0

11

0

0

0

Условия эксперимента: i v = 0,4 А/л; c(АУ) = 200 мг/л; τ = 10 мин; с(FeCl 3 ) = 25 мг/л

Зависимость степени извлечения активированного угля от pH раствора, где кривая 1 — без добавок; 2 — с добавлением коагулянта в растворе 1 г/л NaCl; 3 — с добавлением коагулянта в растворе 1 г/л Na2SO4; iv = 0,4 А/л; c(АУ) = 200 мг/л; τ = 10 мин; с(FeCl3) = 25 мг/л

Рис. 2. Зависимость степени извлечения активированного угля от pH раствора, где кривая 1 — без добавок; 2 — с добавлением коагулянта в растворе 1 г/л NaCl; 3 — с добавлением коагулянта в растворе 1 г/л Na 2 SO 4 ; i v = 0,4 А/л; c (АУ) = 200 мг/л; τ = 10 мин; с (FeCl 3 ) = 25 мг/л

Из полученных результатов видно, что коагулянт на основе хлорида железа способствует росту степени извлечения угля в диапазоне рН 4–6 ед. Можно предположить, что увеличение степени извлечения угля при рН = 4 связано с сорбцией ионов Fe 3+ на поверхности частиц углеродного материала, что сдвигает ζ-потенциал частиц в положительную область и тем самым способствует образованию флотокомплекса частица угля — пузырек газа, который поднимается на поверхность раствора в процессе электрофлотационной обработки.

С ростом рН степень извлечения угля падает до 46 % в растворе хлорида натрия и до 15 % в растворе сульфата натрия. Согласно диаграмме Пурбе при значениях рН > 5 в растворе происходит образование малорастворимых соединений трехвалентного железа (Fe(OH) 3 ), которые также несут отрицательный заряд своей поверхности. Поскольку углеродный материал в растворе предположительно тоже имеет отрицательно заряженную поверхность, частицы дисперсной фазы угля и малорастворимых соединений железа отталкиваются друг от друга, создавая вокруг себя турбулентные потоки, в результате чего пузырькам газа сложнее подойти к дисперсным частицам и эффективность процесса снижается.

Литература:

  1. Колесников В. А., Ильин В. И., Капустин Ю. И. и др. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий. Москва: Химия, 2007. — 304 с.
  2. Жуков В. Г., Никифоров Л. Л., Хорунжева О. Е., Чечиков И. В. Расчёт оборудования для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей // Известия вузов. Пищевая технология. — 2011.- № 1. — С. 79–82.
  3. Колесников В. А., Ильин В. И., Бродский В. А., Колесников А. В. Электрофлотация в процессах водоочистки и извлечения ценных компонентов из жидких техногенных отходов. Обзор // Теоретические основы химической технологии. — 2017. — Т. 51. — С. 361–375.
  4. Jimenez C. Study of the production of hydrogen bubbles at low current densities for electroflotation // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. — 2010. — V. 85. — Р. 1368–1373.
Основные термины (генерируются автоматически): пузырек газа, раствор, активированный уголь, добавление коагулянта, извлечение, извлечение угля, модельный раствор, частица, водный раствор, высокодисперсный углеродный материал.


Задать вопрос