Сорбционное извлечение лаурилсульфата натрия из водных сред с помощью отхода сахарной промышленности

УДК 544.723.23

Ж. А. Сапронова, Р. О. Фетисов, С. В. Свергузова, И. Г. Шайхиев

СОРБЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЛАУРИЛСУЛЬФАТА НАТРИЯ ИЗ ВОДНЫХ СРЕД С ПОМОЩЬЮ ОТХОДА САХАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: лаурилсульфат натрия, сорбционные свойства, отход сахарной промышленности.

Исследован процесс сорбционного извлечения лаурилсульфата натрия из водных растворов с помощью отхода сахарного производства - термически модифицированного сатурационного осадка (ТМСО). Определена сорб-ционная емкость ТМСО, термомодифицированного при 600 0С. Определено, что эффективность очистки от лаурилсульфата натрия составляет 86%.

Keywords: sodium lauryl sulfate, sorption, waste sugar industry.

The process of sorption of sodium lauryl sulfate from aqueous solutions using waste from sugar production - thermally modified carbonation sludge (TMSO). Determined sorption capacity TMSO, Termo at 600 0C. It was determined that the removal efficiency of sodium lauryl sulfate is 86%.

СПАВ-содержащие сточные воды образуются на предприятиях по производству моющих средств, в кожевенной промышленности, при работе банно-прачечных комбинатов и др. Стоки таких предприятий без надлежащей очистки при поступлении их в водные объекты оказывают значительное негативное воздействие на природные экосистемы. Поэтому подобные сточные жидкости должны подвергаться глубокой очистке от поллютантов.

Часто использующимся методом водоочистки является адсорбционный. Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок или почва использовались для очистки воды еще на заре человечества.

В XVIII веке Т.Е. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать её пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы [1].

В настоящее время для очистки сточных вод от СПАВ используют разнообразные природные сорб-ционные материалы (монтмориллонитовые, клинопти-лолитовые, цеолитовые и др. породы) и различные углеродсодержащие сорбенты [2-8]. Разумеется, лучшими адсорбентами являются активные угли [9]. Однако, последние имеют высокую стоимость, поэтому поиск дешевых и эффективных адсорбционных материалов для очистки сточных вод от СПАВ является актуальной задачей.

В настоящей работе для очистки СПАВ-содержащих вод использован отход производства сахарозы - сатурационный осадок, содержащий около 75% СаСО3 и органические вещества, ранее находившиеся в сахарной свекле (рис. 1). При термической обработке этот отход покрывается обуглившимися остатками органических веществ и превращается в тонкодисперсный углеродсодержащий материал.

Поскольку эффективность очистки водных сред зависит от сорбционных свойств используемого материала, нами исследовались некоторые сорбцион-ные характеристики термически модифицированного сатурационного осадка (ТМСО).

о

_оии

I 1111111111

4.00 8.0 16.0 24.0 32.0 40.0

Рис. 1 - Рентгенограмма исходного сатурационного осадка. Обозначения: • - глинистые минералы; о -СаСОз; А - ЭЮ2

В связи с тем, что процесс адсорбции протекает на границе раздела фаз, большое значение имеет удельная поверхность (8уд) сорбционного материала. При исследовании полученных порошковых материалов термообработки исходного сатурационного осадка (ИСО) на лазерном гранулометрическом анализаторе марки «MicroSizer-201» установлено, что при повышении температуры обработки размер частиц уменьшается. При этом Syд, определенная на установке марки <^асРгер 061» методом низкотемпературной адсорбции азота, увеличивается (табл. 1).

Таблица 1 - Syj, сатурационного осадка

Материал ИСО ТМСО 300 0С ТМСО 600 0С ТМСО 900 0С

м2/г 54 63 80 88

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, Syд ТМСО, термообработанного при 6000С (ТМСОбоо) значительно ниже Syд активированных углей, применяемых в промышленности. Например, Syд для угля марки КАД-йодный составляет 513 м2/г; для БАУ -915 м2/г. Однако, по сравнению с названными марками активных углей, углеродосодержащий материал ТМСО600 имеет намного меньшую стоимость и после использования не нуждается в регенерации.

Исследование процесса адсорбции в статических условиях проводилось с использованием анио-ноактивного СПАВ - лаурилсульфата натрия, структурная формула которого представлена на рис. 2.

, А

О 0-№"

Рис. 2 - Структурная формула лаурилсульфата натрия. Молярная масса = 288,38 г/моль; ККМ = 8,11 моль/л

Следует отметить, что углеродный слой имеется только на поверхности частиц ТМСО600. Для сравнения сорбционных свойств термически обработанного сатурационного осадка при разных температурах в экспериментах использовались также ИСО и ТМСОзоо.

Изотермы адсорбции и десорбции лаурилсуль-фата натрия на поверхности исследуемых реагентов представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3 - Изотерма адсорбции и десорбции на по-

верхности ТМСО600: десорбция ТМСО600

х - адсорбция ТМСО6

12 18 24 30 36 Сравн, 10-4, моль/л

Рис. 4 - Изотермы адсорбции и десорбции на поверхности ТМСО300 и ИСО: х - адсорбция ТМСО300; • - десорбция ТМСО300;  - адсорбция ИСО;  - десорбция ИСО

Из полученных данных следует, что сорбцион-ная емкость ТМСО300 и ИСО, которые равны 47-10-6 и 32-10-6, моль/г, соответственно, намного ниже сорб-ционной емкости ТМСО600 (257•Ю"6 моль/г). Таким образом, ТМСО600 проявляет самые лучшие сорбци-онные свойства из исследованных сорбционных мате-

риалов. По всей видимости, решающая роль в процессе адсорбции в данном случае принадлежит углеродному слою на поверхности частиц ТМСО600.

В ходе проведенных исследований установлено, что при добавлении ТМСО600 к дистиллированной воде с исходным значением рН = 6,4 в количестве 1 г на 100 мл после 5 - минутного перемешивания происходит увеличение значения рН до рН = 10,32. При повышении температуры водной среды от 30 до 60 0С при тех же условиях рассматриваемый параметр несколько уменьшился до рН = 10,27.

Значение рН раствора лаурилсульфата натрия составляет рН = 6,8, при добавлении к нему ТМСО600 происходит увеличение рН до значения рН = 10,29. Таким образом, сорбционное взаимодействие ТМСО600 с лаурилсульфатом натрия происходит в щелочной среде.

Ранее нами было установлено, что поверхность частиц ТМСО600 имеет положительный заряд в области рН до рН = 6,8 с изоэлектрической точкой при этом значении рН, затем переходит в отрицательную область при рН > 6,8. Значит, адсорбционная поверхность в условиях проводимого эксперимента имеет отрицательный заряд. Следовательно, можно предположить, что адсорбционное взаимодействие на границе раздела фаз - углерод-водная среда происходит за счет специфического взаимодействия - ориентационного, дисперсионного или индукционного. Для подтверждения этого предположения рассчитывалась энергия адсорбционного взаимодействия, которая составляет 21,41 кДж/моль. Найденное значение лежит в промежутке между энергией физического взаимодействия (< 5 кДж/моль) и химического (> 40 кДж/моль), что подтверждает природу сорбционного взаимодействия как специфическую.

На рис. 3 и 4. видно, что изотермы адсорбции выходят из точки начала координат и, согласно проведенным расчетам, подчиняются уравнению Ленгмюра. свидетельствует о том, что формирование адсорбционного слоя на поверхности ТМСО600 происходит за счет адсорбции отдельных молекул.

Авторами [4] доказано, что алифатические радикалы сульфатов и сульфонатов металлов адсорбируются на поверхности сажевых частиц всей углеводородной цепью, по крайней мере в интервале величин радикалов от С8 до С14. Из результатов исследований видно, что графики десорбции, приведенные на рис. 3 и 4, лежат в близи оси О-Х, т.е. адсорбция носит практически необратимый характер. По-видимому, явление адсорбции обусловлено образованием Н-связей между молекулами СПАВ и активными центрами на поверхности дисперсных частиц ТМСО. Характер изотермы свидетельствует о мономолекулярной адсорбции. Поскольку исследуемые концентрации СПАВ лежат в пределах 0 -42-10-4 моль/л, что ниже величины ККМ (8,11 моль/л), образование мицелл в данном случае не происходит.

Как было установлено, эффективность очистки растворов от лаурилсульфата натрия при исходной концентраций от 25 до 30 мг/л составляет 62-

86%, что свидетельствует о перспективности использования ТМСО600 для очистки сточных вод от

СПАВ.

Литература

1. Т.М. Рощина, Соросовский образовательный журнал, 2, 89-94 (1998).

2. А.М. Каримова, Н.М. Цикина, Сборник научных трудов. -М.: ОАО «НИИВОДГЕО», 46-48 (2009).

3. В.Н Морару, Ф.Д. Овчаренко, Физическая химия механика и лиофильность дисперсных систем, 19, 30-48 (1988).

4. А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Физико-химические основы извлечения поверхностно активных веществ из водных растворов и сточных вод, Киев.: «Наук-думка», 1978, 176 с.

5. С.В. Степанова, Р.Х. Низамов, И.Г. Шайхиев, С.В. Фридланд, Безопасность жизнедеятельности, 4, 28-31 (2010).

6. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, С.М. Трушков, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 13, 129-135 (2011).

7. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 19, 42-48 (2011).

8. И.Г. Шайхиев, Энциклопедический справочник, 12, 29-42 (2008).

9. Н.А. Собгайда, Л.Н.Ольшанская, Ю.А. Макарова, Экология и промышленность России, 1, 36-38 (2009).

10. Смирнов, А.Д. Сорбционная очистка воды / А.Д. Смирнов. - Л.: «Химия», 1982. - 167с.

© Ж. А. Сапронова - к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова; Р. О. Фетисов - асп. той же кафедры; С. В. Свергузова - д.т.н., проф., зав. каф. Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ.