Исследование характеристик сорбента, приготовленного на основе шелухи гречихи

Аннотация: Одним из наиболее перспективных направлений в создании высокоэффективных экологически безопасных промышленных технологий и природоохранной деятельности человека, отвечающей экологической концепции социально-экономического развития общества на современном этапе, является использование различных типов активных углей. 

Введение

Низкая стоимость побочных продуктов переработки сельского хозяйства, бытового и промышленного секторов позволяет их использовать для очистки сточных вод. С их помощью можно добиться удаления загрязняющих веществ из сточных вод и в то же время минимизировать отходы, они имеют возможность восстановления и повторного использования. Несмотря на многочисленные аналитические обзоры, опубликованные за последние несколько лет, прямое сравнение данных, полученных с использованием различных сорбентов, в настоящее время затруднительно из-за несоответствий в их представлении.

Цель настоящего исследования состоит в том, чтобы проанализировать существующую литературу о применении недорогих адсорбентов для очистки сточных вод, а также их характеристики и адсорбционные способности. Для этого сорбенты были разделены на следующие шесть групп [1]:

1. сельскохозяйственные и бытовые отходы;
2. побочные продукты промышленного производства;
3. ил;
4. морские материалы;
5. почвы и руды материалы;
6. новые низко-затратные адсорбенты.

Было рассмотрено сходство сорбентов при удалении различных загрязняющих веществ, их применение в реальных условиях с использованием сточных вод, затраты и возможность их повторного использования после процессов адсорбции. В результате, с помощью простых методологических инструментов, исследовав различные виды сорбентов с большим количеством загрязняющих веществ (красители, тяжелые металлы, неразлагающиеся соединения, азотные и фосфорные соединения), была составлена матрица «адсорбент-загрязнитель». На основании матрицы был определен адсорбент, способный заменить активированный уголь – сорбент, полученный из шелухи гречихи.

Данный сорбент может использоваться для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды в качестве фильтрующей засыпки для глубокой очистки сточных вод и для очистки воды от фотокатализаторов и красителей адсорбционным методом [2, 3, 4]. Насыщенный сорбент не тонет и легко собирается с водной поверхности.

Экспериментальная часть

1. Метод сушки. Сущность метода заключается в высушивании навески образца (шелухи гречихи) в сушильном шкафу при температуре 210 °С в течение трех часов до постоянного веса и определении уменьшения веса образца.

2. Метод карбонизации. Первичный углеродный сорбент на основе шелухи гречихи получают при одностадийной карбонизации при невысоких температурах Т_карб. ≤ 400 °С. Процесс карбонизации осуществляется на проточной лабораторной установке, состоящей из электрической печи, сделанной из нержавеющей стали с размерами 400×400×800 мм, обеспечивающей температуру до 1200 °С. Процесс проводили без доступа воздуха в токе азота. Исходный образец шелухи гречихи размером 1,5×15 мм, после сушки при температуре 210 °С в течение трех часов, загружают во вращающийся реактор, затем материал подвергают карбонизации при Т ≈ 300-400 °С в потоке азота в течение 70 мин (обычно это время, в течение которого прекращается выделение дыма). Выход угля составляет около 60 %. Переменными параметрами в процессе карбонизации являются температура и скорость подъема температуры в реакторе.

3. Адсорбционный метод определения характеристик первичного углеродного сорбента по этанолу. Адсорбцию измеряли весовым методом на вакуумной адсорбционной установке типа весов Макбейна при начальном давлении Р = 10^-5 мм.рт.ст.

Результаты эксперимента

Изучение адсорбции и десорбции с помощью весов Макбейна.

В результате карбонизации был получен образец первичного углеродного сорбента: ГС.

Полученный образец был приготовлен при температуре карбонизации 240 °С со скоростью подъема температуры 10 °С и время контакта τ=70 мин.

Таблица 1.

Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС при начальном давлении 10^-5 мм. рт. ст. и температуре 25 °С

 

Рис. 1. Изотермы адсорбции и десорбции паров этанола первичным углем ГС при начальном давлении 10^-5 мм. рт. ст. и температуре 25 °С

 

Рис. 2. Изотерма адсорбции паров этанола первичным углем ГС в координатах уравнения БЭТ при температуре 25 °С

 

В результате изучения адсорбции паров этилового спирта на весовой адсорбционной установке была получена изотерма (рис. 1). Из графика видно, что после значения Р / Р_s = 0,614 начинается процесс полимолекулярной адсорбции с большой петлей гистерезиса. По форме петли гистерезиса можно сказать, что эти углеродные сорбенты имеют бутылочную форму поры и неоднородную структуру, особенно неоднороден сорбент ГС. Полученная изотерма относятся ко второму типу изотерм адсорбции по квалификации Брунауэра, Эммета и Теллера. Также была получена изотерма десорбции паров этилового спирта при заданных условиях.

Полученная изотерма адсорбции паров этилового спирта была также рассмотрена в координатах уравнения БЭТ (рис. 2) для расчёта адсорбционной емкости монослоя (а_m).

Выводы

1. Был получен образец ПУС при одностадийной карбонизации шелухи гречихи при температуре карбонизации 420 °С, со скоростью подъема температуры карбонизации 10 °С и при продолжительности τ = 70 мин.

2. Полученная изотерма адсорбции и десорбции паров этилового спирта на опытном образце ПУС относятся ко второму типу изотерм адсорбции по квалификации Брунауэра, Эммета и Теллера. Используя изотерму адсорбции пара этилового спирта были рассчитаны адсорбционные характеристики углеродного сорбента с помощью уравнений БЭТ.

Список литературы

1. Sabino, De G. Characteristics and adsorption capacities of low-cost sorbents for wastewater treatment: A review      / De G. Sabino, L. Giusy, G. Mariangela, N. Michele // Sustainable Materials and Technologies. – 2016. – V. 9. – P. 10-40.
2. Мухин В. М., Тарасов А. В., Клушин В. Н. Активные угли России. – М. : Металлургия, 2000. – 352 с.
3. Хоанг Ким Бонг, Темкин О.Н., Фомичева Т.В., Шестаков Г.К. // Журнал прикладной химии. – 1997. – т. 70. – № 11. – С. 1872-1876.
4. Боресков Г. К. Гетерогенный катализ. – М. : Наука, 1988 – 303 с.

Материал поступил в редакцию 23.03.2017
© Аббас Х. А., 2017