Изменение статической сорбционной емкости глины под воздействием температуры

Размещено на http://www.allbest.ru

Оренбургский государственный университет

Изменение статической сорбционной емкости глины под воздействием температуры

Юдин Александр Андреевич, студент, специальность 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия,

Вареников Александр Сергеевич, студент, специальность 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия

Научный руководитель: Осипова Елена Александровна, старший преподаватель кафедры химии

Аннотация

Статья посвящена изучению температурной зависимости полной сорбционной емкости Na-бентонита Ижбердинского месторождения Оренбургской области. Определение сорбционной емкости проводилось в статических условиях, с последующим определением концентрации H+ ионов титри- метрическим методом. Актуальность статьи обусловлена отсутствием информации о величине сорбции при термической обработке глины вышеуказанного месторождения, что необходимо для разработки эффективных сорбентов относительно катионов тяжелых металлов на основе Na-бентонита. Установлено, что изменения в сорбционных процессах тесно связаны с процессами, протекающими при нагревании бентонита; в целом, при повышении температуры обработки исследуемых бентопорошков сорбционная активность снижается.

Ключевые слова: бентонит, сорбция, термогравиметрический анализ, тяжелые металлы, титриме- трический анализ.

сорбционный емкость глина титриметрический

CHANGES IN THE STATIC SORPTION CAPACITY OF CLAY uNDER

the influence of temperature

Yudin Alexander Andreevich, student, specialty 04.05.01 Fundamental and Applied Chemistry, Orenburg State University, Orenburg

Varenikov Alexander Sergeevich, student, specialty 04.05.01 Fundamental and Applied Chemistry, Orenburg State University, Orenburg

Research advisor: Osipova Elena Aleksandrovna, Senior Lecturer, Department of Chemistry, Orenburg State

University, Orenburg

Abstract

The article is devoted to the study of the temperature dependence of the total sorption capacity of Na-bentonite of the Izhberdinsky deposit in the Orenburg region. The sorption capacity was determined under static conditions, followed by the determination of the concentration of H + ions by the titrimetric method. The relevance of the article is due to the lack of information on the amount of sorption during heat treatment of clay of the above deposits, which is necessary for the development of effective sorbents for heavy metal cations based on Na-bentonite. It has been established that changes in sorption processes are closely related to processes occurring during heating of bentonite; in general, with an increase in the processing temperature of the studied bent powders, the sorption activity decreases.

Keywords: bentonite, sorption, thermogravimetric analysis, heavy metals, titrimetric analysis.

Загрязнение природных вод катионами тяжелых металлов является серьезной экологической проблемой, ввиду их высокой токсичности для живых организмов. Возрастающая нагрузка на промышленный комплекс Оренбургской области приводит к накоплению большого количества токсичных отходов, попадающих в водные объекты, в результате чего состояние вод рек Оренбуржья оценивается как «очень загрязненное» [5]. На сегодняшний день разработан и описан ряд технологий, направленных на очистку техногенно-загрязненных вод от химических соединений, содержащих тяжелые металлы. К ним относятся технологии, включающие в себя процессы дистилляции, обратного осмоса, адсорбции (в том числе ионного обмена), коагуляции и химического осаждения.

Сорбция тяжелых металлов на твердых природных матрицах является экономически целесообразным и альтернативным методом очистки, который активно разрабатывается учеными не только в России, но и за рубежом [1, 7]. Среди таких природных материалов стоит отметить слоистые алюмосиликаты, катионно-обменные свойства которых являются довольно высокими [2], они обладают большой способностью к набуханию. К таким силикатам относят: каолинит, серпентин, тальк, хлориты, минералы семейства монтмориллонита (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит) и т. д.

Особый интерес для изучения представляет бентонит (Al2[Si4Oll](OH)2 - nH2O), обладающий свойством набухать в водных суспензиях до 14-16 раз. Свойство бентонита самодиспергироваться приводит к возникновению большой удельной поверхности, что является благоприятным фактором для сорбции. Для увеличения сорбции могут применяться различные способы активации бентонита: термоактивация, активация кислотой, мобилизация органических соединений на поверхности.

В Оренбургской области имеются несколько месторождений бентонита, наиболее качественными (по содержанию монтмориллонита) являются Иж- бердинское и Саринское месторождения [6]. Глины этих месторождений имеют щелочно-земельный тип и осадочный генезис. На данный момент в области только два данных месторождения являются разрабатываемыми, в основном получаемые глины используются для приготовления буровых растворов.

Целью данной работы является изучение изменения величины статической сорбционной емкости Na-бентонитовой глины Ижбердинского месторождения под воздействием температуры.

Актуальность исследования обусловлена отсутствием информации о величине сорбции при термической обработке глины Ижбердинского месторождения, что необходимо для разработки (подбора оптимального температурного режима) эффективных сорбентов с низкой себестоимостью относительно катионов тяжелых металлов на основе Na- бентонита.

Полную статическую обменную емкость (ПСОЕ) отражает количество ионогенных групп (катионов водорода H+), способных к ионному обмену, в состоянии полного (предельного) насыщения.

Подготовку образцов проводили следующим образом: готовили 8 навесок природной глины, каждая массой 100 грамм, измельчали в фарфоровой ступке до зернистости порядка нескольких мкм, количественно переносили образец в фарфоровые чашки и прокаливали в муфельной печи в течение двух часов. Температурные режимы обработки лежали в пределах от 200 до 1000 °С с шагом через каждые 100 °С. После прокаливания печь вместе с образцами охлаждали до 200 °С, после чего образцы извлекали из печи, охлаждали и в дальнейшем хранили образцы в эксикаторе над обезвоженным силикагелем. Термической обработки в течение двух часов достаточно для завершения всех основных процессов, протекающих при данной температуре [8].

Методика определения полной статической обменной емкости исследуемой бентонитовой глины относительно ионов водорода (СОЕн+) следующая: в герметичный пластиковый сосуд объемом 40 мл помещается точная навеска сорбента, взятая на аналитических весах (0,1000 г), прибавляется 20 мл децимолярного раствора соляной кислоты, перемешивание раствора производится либо слабым током инертного газа, либо воздухом, очищенным от углекислого газа.

Очистку воздуха от CO2 осуществляли промывкой в склянке Дрекселя через 10% раствор гидроксида натрия, осушение проводили промыванием через концентрированную серную кислоту.

Тщательно перемешанные пробы герметично закрывались и для завершения процессов, протекающих при взаимодействии бентопорошка с раствором соляной кислоты, выдерживались в течение 24 часов в эксикаторе с инертной атмосферой.

По прошествии данного времени отбирали пипеткой 10 мл раствора над сорбентом и проводили титрование 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия в присутствии смеси индикаторов (метиленовый синий + метиловый красный 1:2). В случае наличия мути в маточном растворе он очищался центрифугированием в течение 10 минут.

СОЕн+ (мг-экв/г) вычисляли по формуле:

СОЕн+ = (V- K - K - Vl- K) - C/m, где

V - объем раствора соляной кислоты, контактирующей с сорбентом, мл;

K - коэффициент, равный отношению объема

раствора кислоты, контактирующей с образцом

к объему раствора, взятому для анализа;

V1 - объем раствора, израсходованный на титрование пробы после взаимодействия с бентонитом, мл;

m - масса сорбента, г;

C - концентрация рабочих растворов, моль/л;

K1 и К2 - поправочные коэффициенты для растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Результаты определения полной статической обменной емкости Жа-бентонита Ижбердинского месторождения представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Изменение статической обменной емкости относительно ионов водорода Жа-бентонита в зависимости от температуры его обработки

На представленном рисунке видно, что при повышении температуры обработки бентонита происходит значительное снижение сорбционной емкости бентонита относительно ионов водорода. Высокое значение полной статической обменной емкости для воздушно-сухого бентонита свидетельствует о склонности бентонита к изоморфному замещению ионов в кристаллической решетке.

На представленной на рисунке 2 зависимости первой производной сорбционной емкости по температуре от температуры прокаливания и построенной по ней математической модели (интерполяция при помощи кубических сплайнов) наблюдаются три максимума резкого изменения сорбционной емкости бентопорошка: 245, 452 и 752 °С.

Рисунок 2. Дифференциальная кривая изменения полной сорбционной обменной емкости Na-бентонита относительно ионов водорода: 1 - дифференциальная кривая; 2 - математическая модель

Представленное изменение полной сорбционной емкости монтмориллонит-содержащих глин зависит от реакций и процессов, протекающих при их нагревании. Исходя из данных дифференциального термогравиметрического анализа первому пику (245 °С) соответствует удаление межпакетной воды, которое протекает в монтмориллонитах в диапазоне температур от 200 до 235 °С.

Пику при 452 °С, вероятно, соответствует выделение конституционной воды, протекающее у бентонитов в интервале температур от 450 до 600 °С (такой широкий интервал объясняется различиями в химическом составе и месторождениях).

Удалению воды из кристаллической решетки монтмориллонита (около 700 °С - справочные данные) отвечает третий пик на вышеизображенной кривой (752 °С). Необходимо отметить, что дальнейшее снижение пика до 1000 С отвечает разрушению кристаллической решетки, которое по справочным данным термогравиметрического анализа происходит в интервале температур от 800 до 875 °С.

При низкотемпературном нагреве бентопорош- ков происходит выделение воды, что приводит к необратимым изменениям в кристаллической решетке монтмориллонит-содержащих глин. При высокотемпературной обработке происходит разрушение кристаллической решетки монтмориллонита (образование шпинели) и спекание образцов (снижается удельная поверхность) - данные факторы резко снижают степень адсорбции, и, следовательно, полную статическую сорбционную емкость исследуемого бентонита.

Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

при повышении температуры обработки натриевого бентонита наблюдается снижение его сорбционных свойств вследствие процессов, протекающих при нагревании основного образующего данную глину минерала - монтмориллонита;

наибольшее снижение адсорбционной спо собности связано с разрушением кристаллической решетки монтмориллонита при температурах выше 800 °С;

- воздушно-сухая бентонитовая глина Ижбер- динского месторождения имеет высокие показатели полной статической сорбционной емкости и пригодна для сорбционной очистки вод от катионов тяжелых металлов.

Литература

Афонин Г. Г. Моделирование обмена Ni на сильнокислотной ионообменной смоле и органо-неорганическом // Технологии пищевой, легкой и химической промышленности. - 2015. - № 4(22). - С. 63-67.

Буланкова С. Р. Максимальная сорбция цинка и свинца бентонитом при разных значениях pH // Ученые записи КГАВМ им. Н. Э. Баумана. - 2012. - № 1. - С. 71-74.

Горбунов Н. И., Цюрупа И. Г., Шурыгина Е. А. Рентгенограммы, термограммы и кривые обезвоживания минералов, встречающихся в почвах и глинах. - Москва: Издательство академии наук СССР, 1952. - 186 с.

Есмаил Гамил Касим Мохаммед. Ca-монтмориллонитовая глина и ее модификации для очистки вод и определения тяжелых металлов: дисс. ... хим. наук: 02.00.02. - Махачкала, 2016. - 110 с.

Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Оренбургской области в 2018 году [Электронный ресурс] / Правительство Оренб. обл.; сост. К. П. Костюченко [и др.]. - Оренбург: [б. и.], 2019. - 230 с. - Режим доступа: https://mpr.orb.ru/upload/medialibrary/8cf/ 8cf8549c61356859bcbb416 94910e554.pdf (дата обращения: 25.04.2020).

Пальчикова Л. С., Петрова Л. И., Андроников А. Р. Результаты испытаний глинистого сырья (для производства глинопорошков для буровых растворов) месторождений Оренбургской области // Булатов- ские чтения. - 2017. - Т. 3. - С. 213-216.

El-Mallah N. M., Hassouba H. M. Kinetic and Thermodynamic Studies for the Removal of Nickel Ions from an Aqueous Solution by Adsorption Technique // Journal of Dispersion Science and Technology. - 2014. - Vol. 35. - № 1. - P. 130-142.

Vieira M. G. A., Neto A. A., Gimenes M. L., Da Silva M. G. C. Sorption kinetics and equilibrium for the removal of nickel ions from aqueous phase on calcined Bofe bentonite clay // Journal of Hazardous Materials. - 2010. - Vol. 177. - № 1-3. - P. 362-371.

Размещено на Allbest.ru