Применение углеродных волокнистых сорбентов для очистки водных растворов

Калинин, В. О. Применение углеродных волокнистых сорбентов для очистки водных растворов / В. О. Калинин, А. Д. Дмитриева, А. Л. Евдокимов, Н. П. Моргун. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 2.1 (136.1). — С. 11-14. — URL: https://moluch.ru/archive/136/39052/ (дата обращения: 08.07.2022).

Рассмотрена проблема загрязнения водных ресурсов органическими веществами. Адсорбционные методы позволяют решить данную проблему с использованием углеродных материалов, исключая образование вторичных загрязнений. Изучена адсорбция толуола на углеродных волокнистых адсорбентах.

Проблема сохранения и реабилитации окружающей среды, обеспечения снижения антропогенной нагрузки была и остается крупномасштабной задачей, актуальность которой возрастает с каждым годом. Органические вещества одни из представителей высокотоксичных отходов производств и являются наиболее широко распространёнными загрязнителями поверхностных и сточных вод [1]. Источниками таких загрязнений являются предприятия химической, нефтехимической, коксохимической, химико-фармацевтической промышленности. Особую опасность представляют стоки данных предприятий, так как содержат преимущественно растворенные вещества [2].

В практике очистки природных и промышленных сточных вод широко применяются методы адсорбции. [3]. Адсорбционные методы характеризуются высокой эффективностью, способностью очищать воду, содержащую малые концентрации органических веществ, до величины ПДК и ниже, позволяют концентрировать и выделять ценные продукты из водных растворов. Адсорбционные методы решают проблему образования вторичных загрязнений при очистке сточных вод, за счет возможности регенерации сорбентов, т.е. извлечении вещества с поверхности адсорбента и его утилизации, в том числе и деструктивной, при которой извлеченные из воды загрязнения уничтожаются как не представляющие технической ценности [2].

К числу обычно используемых методов десорбции при очистке промышленных сточных вод можно отнести [4]:

1. Термическую десорбцию за счет повышения температуры слоя сорбента.

2. Химическую десорбцию, которая заключается в обработке сорбента жидкими или газообразными органическими или неорганическими реагентами, в результате чего сорбат претерпевает химическое превращение и десорбируется.

3. Десорбцию, осуществляемую за счет перепада давлений.

4. Реагентную (вытеснительную) десорбцию, осуществляемую за счет более высокого сродства реагента к адсорбенту.

5. Экстракционную десорбцию, суть которой заключается в растворении адсорбата экстрагентом.

В настоящее время разработаны более интенсивные, не приводящие к образованию вторичных загрязнений, методы регенерации адсорбентов, обеспечивающих ускорение процесса и снижение потерь энергии. К таким методам относятся [4]:

- регенерация в электромагнитных полях;

- регенерация под действием ВЧ и СВЧ;

- регенерация световым излучением;

В лаборатории адсорбции продолжительное время исследовали и продолжают исследовать процесс электросорбции органических веществ на углеродных сорбентах. Перспективный метод электрохимической регенерации углеродных адсорбентов заслуживает внимания, так как обладает высокой экологичностью по сравнению с традиционно применяемыми реагентными методами восстановления адсорбционной емкости углеродных сорбентов. Кроме того, метод электрохимической регенерации позволяет совместить в одном аппарате стадии концентрирования и утилизации органического компонента, поглотительная способность восстанавливается более чем на 90% после 10 циклов его использования. Однако применимость этого метода ограничивается недостаточной изученностью процесса в динамике. Поэтому исследование электрохимической регенерации сорбентов, насыщенных органическими веществами, представляет несомненный интерес [5, 6]. Прежде чем приступать к изучению процессов регенерации необходимо изучить адсорбцию и десорбцию в статических условиях.

Наибольшее распространение в качестве адсорбентов для извлечения органических веществ из водных растворов получили углеродные материалы, поскольку энергия ван-дер-вальсового взаимодействия молекул органических веществ с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного больше энергии взаимодействия этих атомов с молекулами воды [7].

Углеродные волокнистые материалы, широко применяемые в настоящее время в различных областях промышленности и медицины, обладают рядом ценных свойств, выгодно отличающих их от гранулированных углеродных адсорбентов. Развитая пористость, высокая кинетика сорбции и десорбции, возможность регенерации делают группу углеродных волокнистых материалов реальной альтернативой традиционным активным углям [8]. Поэтому представляет интерес разработка научных основ для создания процессов очистки природных и сточных вод от органических загрязнителей активированными углеродными волокнистыми адсорбентами, обеспечивающих охрану окружающей среды, ресурсосбережения и сохранения здоровья населения [2].

В качестве объектов исследования использовались промышленные углеродные ткани марок ТМ-4 и ТР-3/2 полученные в результате термохимической обработки гидратцеллюлозных волокон по технологии карбонизации от 1500 °C до 2200 °C. Обычно с целью придания защитных жаростойких и антикоррозионных свойств ткани при их изготовлении покрывают такими соединениями как карбид кремния SiC и дисилицид молибдена MoSi2 [9]. В процессе производства УМ также могут применять кремнийсодержащие соединения для получения волокон с высокой степенью ориентации.

Для выбора условий очистки водных растворов от загрязнителей одним из контролирующих факторов является ПДК. Для толуола эта величина составляет 0,5 мг/л [10]. Определение адсорбции толуола на поверхности образцов проводили ампульным методом при 18-20 °С в закрытых стеклянных колбах, при соотношении твердой и жидкой фазы 1:2500. Была рассчитана степень поглощения и остаточная концентрация толуола при разных концентрациях исходного раствора (рис. 1).

Как видно из рисунка 1 наблюдается эффективное поглощение толуола всеми образцами (от 100 до 54 %) во всем диапазоне концентраций. Полное поглощение толуола на углеродных тканях наблюдается только до исходной концентрации толуола 0,27 ммоль/л. При повышении исходной концентрации эффективность поглощения толуола постепенно уменьшается, при этом повышается остаточная концентрация, которая больше величины ПДК.

Рис. 1 - Зависимость степени поглощения толуола (S, %) от исходных концентраций (Сисх, ммоль/л)

Как было сказано ранее, углеродные сорбенты используются для доочистки водных растворов от органических загрязнителей, поэтому можно предположить, что углеродные ткани можно использовать для поглощения вредных органических веществ из природных вод с концентрацией толуола порядка 0,4 ммоль/л при этом эффективность будет не меньше 95 %, а остаточная концентрация не превысит ПДК толуола в растворе при соотношении твердой и жидкой фазы 1:2500.

Исследование сорбции и десорбции органических соединений, входящих в состав нефти на углеродных волокнистых сорбентах требует дальнейшего исследования с целью возврата углеродной ткани в дальнейшие процессы адсорбции, в частности в динамических условиях.