АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫХ АДСОРБЕНТОВ

Изучением адсорбентов начали заниматься давно, но и в настоящее время эти исследования продолжают оставаться актуальными.

Основной целью данной работы являлся сравнительный анализ современных адсорбентов по поглотительной способности и другим параметрам, а также рассмотрение методов регенерации адсорбентов.

Введение

Изменение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объёмной фазе, отнесенное к единице поверхности, называется адсорбцией. Адсорбция зависит от многих факторов, например, от природы вещества, от температуры, от концентрации вещества в объеме.

Химиками принято называть более плотную фазу, то есть вещество, на котором идет адсорбция, адсорбентом, который может быть либо жидким, либо твердым.

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор.

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели, цеолиты и глинистые породы.

Для сравнительного анализа были  выбраны наиболее современные и часто используемые адсорбенты для очистки жидкостей: диатомит, активированный уголь, силикагель и цеолит.

Диатомит

Диатомит (от позднелат.Diatomeae - диатомовые водоросли), инфузорная земля, осадочная горная порода, состоящая белее чем на 50% из раковинок диатомитовых водорослей. В различных количествах в диатомите встречаются шарики (глобулы) опала, не имеющие органогенной структуры, а также обломочные и глинистые минералы.

Активированный уголь

Активированный (активный) уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь (марки активированного угля БАУ-А, ОУ-А, ДАК и др.), каменноугольный кокс (марки активированного угля АГ-3, АГ-5, АР и др.), нефтяной кокс, кокосовый уголь и др. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой сорбционной способностью. Химический состав (%): C (углерод) 87,0 –97,0; водород, кислород, азот, сера и др.3,0 –13,0.

Жаростойкость активированных углей свыше 1000ºС. Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.

Силикагель

Силикагелем называют продукт обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемого действием серной или соляной кислот или растворов кислых солей на раствор силиката натрия. Выпавший гель кремневой кислоты после промывки высушивается при температуре 115-130° до влажности 5-7%. В химическом составе силикагеля до 70%  (оксид кремния). 

Силикагель отличается однородностью пор как по величине, так и распределению. Применяется силикагель в виде зерен диаметром от 0,2 до 7 мм главным образом для поглощения паров воды, т. е. для сушки газов. Удельная активная поверхность силикагеля выражается величиной порядка 600м² на один грамм.

Цеолит

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами.

Далее приведена сравнительная оценка стоимости рассмотренных адсорбентов. А также по ранее приведенным в статье данным, была проведена балльная характеристика адсорбентов на предмет выявления наиболее эффективного из них. Результаты представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1

Стоимость адсорбентов

 Таблица 2

Количественная характеристика параметров в баллах

Таблица 3 

Сравнительные показатели адсорбентов и их бальная оценка

Выполненная оценка адсорбентов показала преимущество диатомита (21 балл).Второе место разделили, среди рассмотренных адсорбентов, активированный уголь и силикагель. Третье место занял цеолит.

Регенерация рассмотренных адсорбентов

Регенерация адсорбентов является одним из основных вопросов, которые возникают при адсорбционной очистке, в особенности это касается применения дорогостоящих адсорбентов. Цели регенерации являются:

-   десорбция адсорбированных веществ или деструктивное их разрушение;

-   восстановление адсорбционной способности адсорбентов.

Регенерация силикагелей

Регенерацию силикагеля можно осуществлять как в промышленном масштабе, так и в химической лаборатории. Процесс регенерации включает в себя три стадии:

1. Очистка адсорбента (может не проводиться);

2. Десорбция;

3. Охлаждение адсорбента после десорбции.

В промышленных условиях процесс регенерации можно вести различными способами. В лаборатории регенерацию силикагеля проводят в сушильном шкафу при нагревании до 150–170°C в течении 3–4 часов. Но при нагревании силикагеля выше 180°C разрушаются ОН-группы на его поверхности, что приводит к резкому ухудшению его адсорбционных свойств.

Регенерация активированного угля

Регенерация активированного угля представляет собой восстановление адсорбционной способности влажного активизированного угля, выделяя адсорбированные загрязнители на его поверхности.

Наиболее распространенной техникой регенерации, является тепловая регенерация. Тепловой

процесс регенерации состоит из трех стадий:

1. Адсорбент высушивается приблизительно при температуре 105 °C;

2.     Десорбция при высокой температуре и разложение (500–900°C) в инертной атмосфере без доступа кислорода;

3.     Остаточная органическая газификация окисляющимся газом (пар или углекислый газ) при повышенных температурах (800°C).

Стадия термообработки приводит к частичному разрушению и полимеризации адсорбированной органики. Заключительный шаг стремится удалять обугленный органический остаток, сформированный в пористой структуре на предыдущей стадии и повторно выстроить пористую углеродистую структуру. В процессе тепловой адсорбции цикла регенерации 5–15 % веса слоя углерода сжигается, приводя к потере адсорбционной способности.

Регенерацию диатомита и цеолита невозможно провести в не специализированных лабораторных условиях, поэтому не представлены методы их восстановления.

Выводы

В ходе проведенного сравнительного анализа были рассмотрены наиболее современные адсорбенты по различным критериям и было выявлено, что наиболее удовлетворяющими поглотительными способностями обладает диатомит. А также, что данный адсорбент по сравнению с другими экологически и экономически выгоден для промышленного использования.

Список литературы

1. Астахов В.А., Дубинин М.М. Изучение свойств адсорбентов.— Киев, «Наукова думка», 2009 г.

2.     Астахов В.А., Дубинин М.М., Романков П.Г. Основы инженерного расчета адсорбционных равновесий для микропористых адсорбентов. — М.: «Академия», 2009г.

3.    Зимон А.Д. Занимательная коллоидная химия: своеобразный мир частиц. —4-е изд.,  доп. и перераб. — М.: «Агар», 2002 г. — 168 с.

4.   Кругляков П.М., Хаскова Т.Н. Физическая и коллоидная химия: Учеб.пособие. — М.: Высш. шк., 2005 г. — 319 с.

5. Лукин В.Д., Анцыпович И.С. Регенерация адсорбентов. —Л.: Химия, 1983 г. - 216 с.

6.     Овчаренко Ф.Д., Тарасевич Ю.И., Белик Ф.А., Руденко В.М.,Марции И.И. Исследование адсорбции на дисперсных минералах. — М.: «Наука», 2010г.

7. Тяглова Е.В. Исследовательская деятельность учащихся по химии. —М.: «Глобус»,2007 г.