А. А. Воробьева

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

АДСОРБЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМ ШЛАКОМ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Изучена адсорбция низкомолекулярных ароматических соединений на сорбенте, представляющем собой металлургический шлак Побужского ферроникелекого комбината производства сплава FeNi. В качестве сорбатов выбраны наиболее распространенные загрязнители сточных вод предприятий ряда отраслей промышленности: фенол, п-нитрофенол, анилин и п-нитроанилин. Одной из причин адсорбции плоских молекул ароматических производных бензола на гидроксилированной поверхности кремнеземов являются водородные связи π-электронов бензольного кольца с поверхностными силанольными группами. Адсорбцию проводили в статическом режиме в течение 3 суток. Концентрации соединений в растворе определяли методом газовой хроматографии. Согласно результатам адсорбции (таблица 1) ароматические соединения можно расположить в ряд увеличения эффективности адсорбции:

п-нитрофенол < фенол < анилин < п-нитроанилин.

Различная адсорбция молекул ароматических соединений может определяться рядом факторов, связанных с их химической природой, среди которых величина постоянного дипольного момента, вероятность образования водородной связи ароматических молекул с молекулами воды и ОН-группами гидроксилированной поверхности адсорбента, способность к диссоциации соединений как слабых электролитов др.

Большое значение для адсорбции ароматических соединений имеет межмолекулярная водородная связь, образующаяся между функциональными группами поверхности адсорбента и ароматических веществ. Наиболее эффективно в подобное межмолекулярное взаимодействие вступают группы –ОН и –NH₂.

Таблица 1 – Эффективность адсорбционного извлечения ароматических соединений шлаком ПФНК, активированным 0,5 М раствором H₂SO₄

Растворы концентрации 0,01 г/дм^3 соединений	Эффективность извлечения сорбатов, %
п-нитрофенол	26,0
фенол	32,7
анилин	42,9
п-нитроанилин	94,5

Определено уменьшение концентрации анилина в растворе во времени при протекании адсорбции шлаком (рис. 1). При этом эффективность и величина адсорбции а возрастают (таблица 2). При начальном значении рН=6,7 практически отсутствует ионизация, как молекул анилина, так и кислотных групп поверхности шлака. Рассчитана доля неионизированных молекул (1-α) анилина (К_b = 3,82^.10^-10):

Рисунок 1 – Уменьшение концентрации анилина в растворе при адсорбции шлаком ПФНК

(1-α) =

То есть 99,2 % молекул анилина пребывают в неионизированной форме. Адсорбция неионизированных молекул анилина происходит в результате протонирования молекулы и образования ионной пары по схеме:

≡ SiOH + C₆H₅NH₂ ↔ ≡ SiO^-[C₆H₅NH₃]⁺

без вытеснения ионов водорода в раствор. Усиление адсорбции за счет дополнительного взаимодействия поверхностных функциональных групп с неионизированными молекулами слабых электролитов имеет важное практическое значение при глубокой очистке вод. Подобный механизм адсорбции возможен и для п-нитроанилина. Таким образом, увеличение эффективности адсорбции слабых ароматических электролитов на шлаковых частицах объясняется уменьшением способности электролитов к диссоциации, а именно:

	п-нитрофенол	<	фенол	<	анилин	<	п-нитроанилин
	Ка = 7,08^.10^-8		Ка = 1,3 ^.10^-10		Кb = 3,82 ^. 10^-10		Кb = 1,05 ^. 10^-13
(1-α)	0,739		0,999		0,992		0,999

Отклонение в ряду по величинам констант диссоциации К_а для фенола и п-нитрофенола можно объяснить более сильной диссоциацией п-нитрофенола и образованием отрицательно заряженных частиц C₆Н₅О^-,

Таблица 2 – Изменение показателей адсорбции анилина шлаком ПФНК во времени (статический режим адсорбции)

Время выдержки, сутки	рН раствора в конце адсорбции	Санилина, мг/дм^3	а, мг/г	Эффективность извлечения анилина, %
начальные	6,7	9,1	-	-
1	5,8	7,7	0,028	15,4
2	4,6	6,02	0,062	33,8
3	-	5,2	0,078	42,9
6	6,4	3,4	0,114	62,6

электростатическая составляющая адсорбции которых уменьшается при отталкивании от отрицательно заряженной поверхности.

Представляет интерес изучение влияния кислотности раствора на адсорбцию слабых ароматических электролитов. Согласно результатам таблицы 3 видно, что смещение рН как в кислую, так и в щелочную область уменьшает адсорбцию п-нитроанилина. Доля неионизированных молекул велика в каждом случае: 99,24 % (рН=3); 99,99 % (рН=6,7); 100 % (рН=10). Отсюда следует, что степень ионизации п-нитроанилина как слабого электролита и появление положительного заряда на его молекуле в кислых средах не определяет величину адсорбции. В противоположном случае в кислой среде наблюдалось бы увеличение адсорбции за счет электростатического взаимодействия молекул с отрицательно заряженной поверхностью шлака. Торможение адсорбции п-нитроанилина, вероятно, вызвано влиянием кислотности раствора на свойства поверхности шлака. В кислой области подавляется диссоциация силанольных групп, и уменьшается отрицательный потенциал поверхности. В щелочной области происходит разрушение гелеобразного слоя силикатной кислоты, играющего немаловажную роль в протекании адсорбции.

Таблица 3 – Влияние кислотности раствора на адсорбцию п-нитроанилина шлаком ПФНК в статическом режиме в течение 3 суток

рН раствора	Концентрация п-нитроанилина, мг/дм^3
	начальная	конечная
3,95	3,47	3,10
6,7	4,51	2,44
10,0	3,75	3,42