ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОФОБНЫХ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДО-МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Тихановская Г.А., Воропай Л.М.

Вологодский государственный университет, г. Вологда

Серебряков С.Г.

ООО «Акватон», г. Вологда

Опубликованные за последние годы работы по разработке технологий получения сорбентов показывают актуальность и практическую значимость этого направления [1,2,3]. Особый интерес вызывают углеродоминеральные сорбенты, отличающиеся высокой прочностью и сорбционной емкостью. Исходным сырьем для получения последних могут быть природные минералы и углеродосодержащее природное сырье – отходы лесной отрасли промышленности, пищевого и сельскохозяйственного производства, а также торф, который в большом количестве встречается в северо-западных регионах России.

Известен способ получения гранулированного фильтрующего материала из доломита и коалина [1]. Но полученный таким способом материал не обеспечивает требуемой эффективности очистки воды от гуминовых и взвешенных соединений. Достаточно широко известен способ получения материала высокого качества на основе осадочных горных пород [3]. Но используемые в качестве сырья высококачественные природные материалы ограничены жесткими характеристиками и дорогостоящи. Это сказывается на цене конечного продукта. В последнее время активно обсуждается получение минеральных сорбентов [4], но они не удовлетворяют требованиям по сорбции органических соединений и безопасности сорбента для обработки питьевой воды. Особое место в этом случае занимают методы использования минеральных материалов с их активацией и карбонизацией.

Целью настоящей работы является определение оптимальных режимов получения сорбента на основе бентонитовой глины, гидрофобизированной и карбонизированной углеводородным материалом, в качестве которого используется торф.

Материал и методика. В качестве минерального носителя использовалась бентонитовая глина с содержанием монтмориллонита 80%. Это глинистый минерал, относящийся к классу слоистых наносиликатов, способный к набуханию, обладающий сорбционными свойствами, общей формулой (Na,Ca)0,33(Al,Mg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂·nH₂O. Гидрофобизация материала достигается за счет молекулярного наслаивания углеродного слоя в процессе термической обработки в присутствии модификатора, которым является торф, содержащий по массе 50% и более органических веществ. Органическая часть торфа включает 50-68% углерода и может быть использована в качестве модификатора для карбонизации и гидрофобизации минерального глинистого носителя.

При определении режима обжига руководствовались литературными данными [2] и собственными предварительными результатами [3]. При разработке технологии получения углеродоминерального сорбента необходимо учитывать следующие требования: прочность получаемого материала и высокая сорбционная емкость, обусловленная пористостью и большой суммарной поверхностью.

Известно, что при увеличении температуры обжига до 900˚С снижается пористость сорбента и увеличивается степень угара, что приводит к снижению адсорбционной емкости сорбента и уменьшению его эффективности. При снижении температуры ниже 600-700˚С происходит дегидратация, кристаллическая решетка разрушается, что приводит к уменьшению механической прочности [2]. Поэтому обжиг материала проводился при температурах в интервале 600-900˚С, а именно: 600, 700, 800˚С, с последующим определением степени угара и адсорбционной эффективности по метил-оранжу.

Для получения сорбента проводили смешивание порошкообразных компонентов с добавлением воды в соотношении 1:6 до образования пластической массы, которую оставляли на 24 часа для набухания. Соотношение бентонита и торфа 100:60 (содержание торфа 37,5%). Массу гранулировали и подсушивали в термостате при t=120˚С. Затем гранулят обжигали при температурах: 600, 700, 800˚С.

После выхода на заданную температуру обжиг продолжали в течение 1,2 и 3 часов. Адсорбционную активность определяли по метилоранжу в соответствии с ГОСТ 4453-74 РФ. Измерение оптической плотности образца производили после контакта сорбента с раствором метилоранжа в течение 5 мин.; 30 мин.; 1 часа; 2 часов; 3 часов; 24 часов; 48 часов. Результаты исследований определения степени угара приведены в таблице 1 и на рисунке 1.

Из таблицы 1 и рисунка 1 следует, что процент угара органической компоненты зависит от температуры обжига. При условии, что в исходном материале (100г глины, 60г торфа), т.е. торфа в исходном материале 37,5 % и угару подвергается именно органическая составляющая, мы имеем экспериментальный результат, подтверждающий полноту угара при 800˚С в течение 2 часов (рисунок 1).

Таблица 1 – Процент угара в зависимости от температуры и времени обжига

	Процент угара (%)
Время обжига, час t обжига, ˚С	1	2	3
600	15,9	16,4	27,3
700	18,4	19,7	30,4
800	21	32	31,9

Рисунок 1 – Зависимость процента угара от времени обжига

Полученные результаты свидетельствуют:

1. Процент угара зависит от температуры обжига и времени выдержки после достижения заданной температуры.

2. После выдержки в течении 1 часа степень угара органики зависит от температуры и увеличивается от 15,9% (600˚С) до 21% (800˚С).

3. При трехчасовой выдержки во всех трех вариантах обжига степень угара достигает 27,3; 30,4; 31,9 % соответственно.

4. При температуре 800˚С разница между степенью угара при двухчасовой и трехчасовой выдержках мало отличаются между собой, а также от варианта выдержки при температуре 700˚С. Исходя из этого можно считать степень угара 30-31% окончательной.

Результаты экспериментального определения эффективности сорбции сорбента в зависимости от условий термической обработки сорбента и времени сорбции представлено на рисунке 2 и в таблице 2.

Таблица 2 – Эффективность сорбции сорбента (бентонит-торф), %

	Эффективность сорбции сорбента (%)
Время обжига, час t обжига, ˚С	0,12	0,5	1	2	3	24	48
600	37,3	38,8	40,1	41,7	45,2	48,9	49,1
700	48,3	44,6	48,6	57,5	60,9	62,9	66,9
800	56,3	63,8	65,1	66,4	71,7	71,4	71,4

Рисунок 2 – График зависимости средней эффективности сорбции сорбента

(бентонит – торф) от режима обжига

На основании полученных результатов следует:

1. В соответствии с предыдущими выводами, максимальная степень угара органической составляющей материала (800˚С) соответствует максимальной эффективности сорбента по отношению к метиленовому-оранжевому.

2. Эффективность сорбции сорбента зависит от времени его контакта с раствором метил-оранжа, причем при 800˚С обжига максимальная эффективность достигается при экспозиции 3 часа и затем практически не меняется. Это свидетельствует о том, что сорбционная емкость материала полностью исчерпана.

3. При увеличении температуры обжига до 600-700˚С наблюдается постепенный рост эффективности сорбции адсорбента по отношению к метил-оранжу при контакте его с сорбентом в течение 24-48 часов. Применительно к процессу обработки воды предпочтительным является большая скорость адсорбции и более быстрое достижение оптимального результата, получаемое при обжиге 800˚С.

Таким образом, использование бентонита в качестве матрицы для последующей модификации углеродом торфа позволяет получить качественный гидрофобизированный углеродоминеральный сорбент для очистки воды от органических соединений.

Литература

1. Патент РФ 2415704, 10.04.2011

Способ получения энтеросорбента // Патент России №2415704. 2011. Бюл. №10. / Савельчев А.П., Шарипов Э.Н., Ильязов М.Ф.

2. Патент РФ 2528253, 10.09.2014

Способ получения гранулированной фильтрующей загрузки производственно-технологических фильтров для очистки скважинной воды// Патент России №2528253. 2014. Бюл. №25. / Полозова О.А.

3. Тихановская Г.А., Воропай Л.М., Шаньгина А.А. Способ получения активированных углей для очистки воды от органических примесей / Materiály XI mezinárodní vědecko - praktická konference «Vědecký průmysl evropského kontinentu – 2015». – Díl 10. Ekologie. Výstavba a architektura. Zemědělství.Fyzika.: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o. – str.9-13.

4. Патент РФ 2256482, 20.07.2005

Способ получения гранулированного фильтрующего материала // Патент России №2256482. 2005. Бюл. №20. / Петров Е.Г., Чепелев А.Д., Петрова А.Г., Семенов Е.В.