канд. биол. наук,
доцент, Тихановская Г.А.
канд. хим. наук,
доцент, Воропай Л.М.
Шаньгина А.А.
Вологодский
государственный университет, Россия
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННЫХ
УГЛЕЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ
Проблема
очистки воды стоит особенно остро в современном мире. Одним из способов
водоподготовки являются сорбционные технологии. Поиск новых сорбентов и увеличение
сорбционной ёмкости имеющихся становятся все более актуальной задачей, в связи
с непростой экономической ситуацией в Российской Федерации.
Многие адсорбенты известных марок привозят из-за
рубежа, что становится сделать все труднее, по причине сложной логистики и
высокой цены.
В соответствии с этим, в рамках
импортозамещения, целью данной работы является разработка инновационной
технологии получения эффективных сорбентов на основе сырьевых ресурсов
Вологодской области, с наиболее оптимальным соотношением цена-качество.
Объектом исследования является процесс карбонизации смеси торфа с добавлением опилок и щепы.
Для достижения поставленной цели решаются
следующие задачи:
1.
На
основе литературного и патентного поиска ознакомиться с существующими способами
получения активных углей из торфа с добавлением щепы и опилок для очистки воды.
2.
Разработать
новый, более простой способ получения адсорбента из отобранного сырья.
3.
Исследовать
адсорбционные свойства полученных активных углей.
В настоящее время известно достаточное
количество работ по получению адсорбционных материалов для различных целей [1],[2].
В качестве сырья для их получения используют горные осадочные породы, глины,
зола, отходы промышленности – трепел и другие источники.
Особый интерес представляют глины, сапропель и
торф, большие запасы которых имеются в Вологодской области.
В соответствии с комплексным территориальным
кадастром природных ресурсов Вологодской области, добыча торфа и сапропеля в
2013 году достигла 14,4 тысяч тонн и таким образом эти природные ресурсы могут
служить сырьем для производства дешевых сорбционных материалов (активированных
углей для обработки воды).
Известен способ получения активных углей из
термически модифицированного торфа [1]. Способ предусматривает предварительную
термическую обработку торфа в среде азота и экстракцию промежуточных продуктов.
Процесс включает стадии[2]:
1.
Термическая
обработка торфа до температуры 200-300
2.
Извлечение торфяного воска и
гуминовых кислот.
3.
Карбонизация твердого остатка при
температуре 900
Однако,
данный способ трудоемкий, требует дорогостоящего оборудования и не всегда
обеспечивает получение высококачественного адсорбента в зависимости от температуры
и от объема подаваемого в реакционную камеру восстановителя.
Для
устранения данного недостатка предлагается использовать в качестве сырья не
только торф, но и смеси торфа с отходами деревообрабатывающей промышленности –
опилки и щепу.
Введение
в торф опилок и щепы позволяет проводить карбонизацию при температуре 700-800
На первом этапе работы в качестве исходного
сырья выбраны разные виды торфа – низинный и верховой, отходы
лесоперерабатывающей промышленности – опилки и щепа, и определялись технические
характеристики низинного и верхового торфа, добытого в Вологодской области. В таблице 1 представлены полученные данные.
Таблица 1. Технические характеристики торфа
|
Низинный торф |
Верховой торф |
||||
|
Аналитическая
влажность W,% |
Зольность на
сухое топливо, |
Выход летучих,
на горючую массу, V,% |
Аналитическая
влажность W,% |
Зольность на
сухое топливо, |
Выход летучих,
на горючую массу, V,% |
|
8-8,5 |
7,8 |
54,2 |
10,8-11,2 |
6,8-7,1 |
58-58,6 |
Результаты
свидетельствуют, что зольность низинного торфа выше при более низкой влажности,
в сравнении с образцами верхового торфа. Поэтому для исследования были
подготовлены 5 видов образцов разного состава на основе низинного торфа, массой
70 г, которые подвергаются карбонизации.
Состав
и содержание компонентов образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2. Состав образцов для
карбонизации
|
№ образца |
Масса высушенных
компонентов |
Объём, мл |
||
|
Торф |
Щепа |
Опилки |
Фосфорная
к-та(конц.) |
|
|
1 |
70 |
- |
- |
- |
|
2 |
40 |
30 |
- |
- |
|
3 |
40 |
30 |
- |
3 |
|
4 |
40 |
- |
30 |
3 |
|
5 |
40 |
- |
30 |
- |
|
6 |
70 |
- |
- |
3 |
Для
получения достоверных данных повторяемость опытов равна 10, результаты обрабатываются
методом наименьших квадратов.
Для
приготовления образцов торф, щепа и опилки были высушены до постоянной массы воздушно-сухого
состояния при температуре 105-110
При
быстром росте температуры до 800
Образцы,
в которые была добавлена фосфорная кислота, имеют более твердую структуру. При
отсутствии фосфорной кислоты формируется более рыхлая структура. При добавлении
щепы к опилкам, формируется более твердая структура.
Полученные
адсорбенты исследуются на адсорбционную способность. Для определения
адсорбционной емкости, активный уголь помещался в раствор метилоранжа и выдерживался
в нем до полного обесцвечивания.
Таблица 3. Скорость адсорбции активных углей.
|
№ образца |
Скорость
адсорбции, 1/сек |
||||
|
Объем
метилоранжа, мл |
|||||
|
100 |
130 |
160 |
190 |
210 |
|
|
1-
торф |
0,0014 |
0,0019 |
0,001 |
0,0011 |
0,001 |
|
2-
торф, щепа |
0,0015 |
0,0012 |
0,0012 |
0,0011 |
0,001 |
|
3-
торф, щепа, |
0,0007 |
0,0006 |
0,0006 |
0,0006 |
0,0005 |
|
4-
торф, опилки, |
0,0011 |
0,0009 |
0,0011 |
0,001 |
0,0008 |
|
5-
торф, опилки |
0,0027 |
0,0031 |
0,0013 |
0,0013 |
0,0011 |
Вначале
добавляли 150 мл раствора метилоранжа. Через 10-20 минут, в зависимости от
состава адсорбента, наблюдали полное обесцвечивание раствора, что
свидетельствовало о процессе адсорбции. При дальнейшем порционном добавлении
раствора метилоранжа объемом 30 мл, обесцвечивание разных образцов происходило
с разной скоростью. Результаты эксперимента представлены в таблице 3.
Для наглядности отобразим полученные
значения на рисунке 1.
Рисунок 1. Скорость адсорбции
активных углей.
При
добавлении новых порций раствора к уже имеющемуся объему, наблюдается разная
степень обесцвечивания для образцов. Степень адсорбции определяют на фотоэлектроколориметре
при определении оптической плотности окрашенных растворов.
Полученные
данные представлены на гистограмме 1.
Рисунок
1. Гистограмма оптической плотности
Образец
1 – смесь торфа, опилок и фосфорной кислоты. Образец 2 – смесь торфа и опилок. Образец
3 – чистый торф. Образец 4 – смесь торфа, опилок и фосфорной кислоты.
Из полученных
данных следует, что максимальная адсорбционная емкость характерна для образца,
состоящего из торфа и опилок.
При добавлении
фосфорной кислоты, также наблюдается увеличение адсорбционной емкости, но в
водной среде происходит растворение остатков фосфорной кислоты и подкисление
раствора (наблюдается изменение окраски индикатора, метилоранж изменяет цвет с
оранжевого на красноватый), поэтому не рекомендуется проводить обработку сырья
фосфорной кислотой.
Исходя из
полученных данных, можно сделать следующий вывод:
1.
На основе природного сырья Вологодской области и отходов лесоперерабатывающего
производства, можно получить активные угли высокого качества.
2. С целью эффективной карбонизации
рекомендуется проводить термообработку при температуре 800
3.
Не рекомендуется в качестве добавки применять фосфорную кислоту, так как после
карбонизации, при введении в воду, происходит изменение рН среды.
4.
Максимальной адсорбционной ёмкостью обладают образцы, полученные из торфа и
опилок. Для образцов только из торфа формируется рыхлая, твердая структура,
которая не подходит ля очистки воды из-за последующей слёживаемости.
Литература
1.
Чухарева Н.В., Маслов С.Г., Долгих С.М. Влияние среды и способа термообработки
на изменение группового состава и свойств осокового низинного торфа// Химия
растительного сырья. 2004. №2. С. 61-66
2. Чухарева Н.В.,
Маслов С.Г. Адсорбционные свойства термически модифицированного торфа и
полученных на его основе активных углей// Химия растительного сырья. 2011. №1.
С. 169-174.