Сорбционная активность окисленных углеродных волокон к ионам тяжелых металлов

виде гарнисажа, образуются твердые растворы: СаОА!2О3, 5СаО3А!2О3, 3CaO MgO-2Al2O3 и другие, которые также играют роль адгезионных агентов.

Таким образом, мы полагаем, что за счет увеличения адгезионных свойств стойкость футеровки кислородного конвертера можно увеличить до 30% (см. рисунок), что позволит уменьшить количество подварок и увеличить продолжительность кампании.

Список литературы

1. Воронина О.Б. Служба огнеупорных материалов в футеровке кислородного конвертера: учеб пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 67 е.;

2. Тахаутдинов P.C. Производство стали в кислородно-конвертерном цехе Магнитогорского металлургического комбината. Магнитогорск, 2001. 148 е.;

3. Смирнов А.Н., Лаптев А.П., Пучков И.Ю. Эффективное использование огнеупорных материалов в электросталеплавильных печах: формованные, неформованные огнеупоры, флюсы // Теория и технология металлургического производства: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск, 2009. Вып. 9. С. 168-177.

4. Устойчивость к окислению периклазоуглеродистых огнеупоров при разных температурах / Рич Арвэй, Сахин Али и др. // Новости черной металлургии за рубежом. 2009. №4. С. 86 - 88.

УДК 541.183

А.Р. Гимаева, Э.Р. Валинурова, Д.К. Игдавлетова, О.П. Петрова, Ф.Х. Кудашева

Башкирский государственный университет, г. Уфа

СОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ОКИСЛЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН К ИОНАМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Введение

В настоящее время одной из основных экологических проблем является техногенное загрязнение земельных и водных ресурсов, при этом очень важно как в научном, так и в практическом

© Гимаева А.Р., Валинурова Э.Р., Игдавлетова Д.К., Петрова О.П., Кудашева Ф.Х., 2011

отношении определять микроконцентрации токсикантов. Для элементов-токсикантов не существует механизмов природного самоочищения: в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания и формы нахождения. Включаясь во все типы миграций в биологическом круговороте, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред (питьевой воды, почв, воздуха) и пищевых продуктов [1].

Низкие значения ПДК металлов-токсикантов требуют разработки методик анализа с соответствующими пределами обнаружения, поэтому необходим контроль за содержанием металлов на фоновом уровне их концентраций. Большое распространение получили методики сорбции с применением органических полимерных сорбентов, также особый интерес представляют углеродные сорбенты, существенным достоинством которых является относительная дешевизна, простота в использовании и селективность.

Углеродные сорбенты обеспечивают хорошую селективность разделения, высокие значения коэффициентов концентрирования металлов [2,3]. Сочетание в одном сорбенте фильтрующих и сорб-ционных свойств, высокой удельной поверхности и развитой пористости, а также производство этого сорбента в виде ткани обеспечивает преимущество перед зернеными углями и катионнооб-менными смолами.

Эксперимент

Целью данной работы явилось изучение сорбционной активности углеродных материалов по отношению к ионам тяжелых металлов. В качестве адсорбентов были взяты активированное углеродное волокно (АУВ) и окисленные его образцы (ОАУВ). Окисление исходного материала осуществляли кипячением его в течение 1 ч в концентрированных азотной и серной кислотах. Для сравнения сорбционной способности исследуемых материалов был взят уголь марки БАУ-А. Исследования проводили в статических условиях, для чего навески адсорбентов по 0.1 г помещали в колбы с водными растворами солей тяжелых металлов с концентрациями от 5 до 50 мг/л объемом 100 мл. Концентрации ионов металлов определяли методом ААС [11]. Количество поверхностных кислотных функциональных групп определяли методом Боэма [12] по сорбции 0.1 н водных растворов ЫаОИ, Ыа2С03, МаИС03.

Обсуждение результатов

Физико-химические характеристики сорбентов приведены в табл.1.

Таблица 1

Физико-химические характеристики сорбентов

Адсорбент Удельная поверхность, м2/г Предельный адсорбционный объем пор, см3/г Общая кислотность, мг-экв/г

по воде по бензолу

БАУ-А 740-840 0.20 0.33 1.3

АУВ 1288 0 0.59 1.0

ОАУВсерн 1060 0.10 0.61 2.0

ОАУВазотн 1015 0.10 0.63 5.0

Активированные углеродные сорбенты, полученные из целлюлозного сырья, характеризуются высокой удельной поверхностью и наличием на периферии углеродного каркаса различных кислородсодержащих групп.

Исследуемые БАУ-А и АУВ относятся к микропористым адсорбентам, обладающим катионообменными свойствами. Общее содержание кислотных функциональных групп, определенных по методу Боэма, на БАУ в 1.3 раза больше, чем на АУВ, однако содержание карбоксильных групп, ответственных за ионный обмен, меньше в 5 раз (табл. 2).

Таблица 2

Содержание функциональных групп (мг-экв/г) на поверхности углеродных адсорбентов

Адсорбент Карбоксильные Фенольные Лактонные Общая кислотность

БАУ-А 0.2 0.8 0.3 1.3

АУВ 1.0 0 0 1.0

ОАУВСевн 2.0 0 0 2.0

ОАУВазотн 3.0 1.0 1.0 5.0

Из данных таблицы видно, что окисление активированного углеродного волокна концентрированными кислотами приводит к уменьшению удельной поверхности и увеличению кислотности сорбента за счет увеличения концентрации карбоксильных групп. При обработке сорбента азотной кислотой наряду с карбоксильными образуются фенольные и лактонные функциональные группы, общая кислотность углеродистых материалов возрастает в 5 раз (табл. 2).

Изучение кинетики сорбции ионов на углеродных сорбентах показало, что сорбция всех исследуемых ионов металлов на углеродных адсорбентах достигает максимального значения через 1,52 чс начала перемешивания фаз, а полнота ионного обмена сор-бата с поверхностными группами сорбента существенно зависит от значения рН раствора. Поэтому было изучено влияние кислотности среды на полноту извлечения ионов металлов. Установлено, что ионы 0<<2+ наиболее полно извлекаются при рН=6 на всех адсорбентах, ионы Ы12+ и 0и2+ - при рН=3-5, ионы Ре3+ - при рН=3. А извлечение ионов 0г2072- зависит от типа сорбента: на исходном волокне максимальная сорбция наблюдается при рН=5, на угле БАУ-А и ОАУВСерн - при рН=3, на ОАУВазотн - при рН=2.

Ионы Ре3+ не сорбируются на исходном волокне и на БАУ-А, а ионы С<<2+ - на БАУ-А. Сорбция ионов Сг2072- и Ре3+ сопровождается их восстановлением до ионов Сг3+ и Ре2+, причем полнота восстановления бихромат-ионов зависит от типа сорбента и рН раствора: на исходном волокне, характеризующимся большей восстановительной способностью максимальная сорбция наблюдается при рН=5, на угле БАУ-А - при рН=3, на ОАУВа3отн - при рН=2, в то время как на восстановление ионов железа рН не оказывает существенного влияния.

При рабочих условиях (время, рН) были построены изотермы сорбции.

На рисунке в качестве примера представлены изотермы адсорбции и спрямленные изотермы адсорбции ионов Ре3+ на углеродных адсорбентах.

ОАУВ а50тн ОАУВ серн

Ср*102, мг/мл

Изотермы адсорбции ионов железа (III) на углеродных адсорбентах

ОАУВ азотн ОАУВ серн

3 4

Ср *102, мг/мл

Спрямленные изотермы адсорбции ионов железа (III) на углеродных адсорбентах

0,6

12

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

Изотермы сорбции ионов тяжелых металлов типичны и имеют Ленгмюровский вид. Спрямление изотерм сорбции в координатах уравнения Ленгмюра сме/аме = сМе /ат + 1/атВ позволило рассчитать емкости углеродных сорбентов по извлекаемым ионам тяжелых металлов, где аМе - величина адсорбции, отвечающая равновесной концентрации сМе; ат - емкость монослоя; В - постоянная величина, определяемая природой адсорбента и адсорбата.

Спрямление изотерм адсорбции в координатах уравнения Ленгмюра позволило рассчитать величины адсорбции, соответствующие образованию монослоя на поверхности адсорбентов. Адсорбционные характеристики углеродных адсорбентов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Адсорбционные характеристики углеродных адсорбентов

Металл БАУ-А АУВ ОАУВсерн ОАУВазотн

мг/г к мг/г К мг/г К Зг^ мг/г К

Ре3+ - - - - 13.5 6.0 10.2 1.2

Со2+ - - 7.5 1.5 8.5 4,8 13.3 9,1

Си2+ 3.3 1.1 12.2 3.4 12.2 1,0 16.6 1.2

М12+ 3.0 1.0 5.4 1.0 8.3 1.3 14.2 1.1

РЬ2+ - - - - 5.5 6.7 23.0 150

СС2+ - - 9.7 1.0 28.2 2.4 13.8 10.8

гп2+ - - - - 5.6 4.2 12.2 3.6

СГ2О72- 11.0 1.2 16.0 2.5 19 2.1 25.0 1.2

Сг3+ - - - - 5.0 1.2 11.0 2.3

Были рассчитаны коэффициенты распределения ионов тяжелых металлов для изучаемых углеродных материалов. Для металлов, обладающих большей комплексообразующей способностью, характерно преимущественное их извлечение из двухкомпо-нентных растворов. Сорбционное извлечение ионов тяжелых металлов уменьшается в ряду:

Сг2О72->РЬ2+>СС2+>Си2+>1\Н2+>Сг3+>Ре3+>2п2+>Ре2+>Мп2+, что свидетельствует о сложном механизме сорбции ионов металлов на углеродных адсорбентах. Сорбция может происходить за счет изменения ионного состояния, т.е. восстановления до более низкой степени окисления, а также образования поверхностных

комплексов различной устойчивости с функциональными группами окисленных адсорбентов.

Полученные результаты показывают, что окисленные углеродные волокна обладают достаточно высокой обменной емкостью по отношению к ионам тяжелых металлов, что обусловлено наличием поверхностных карбоксильных групп, ответственных за ионный обмен.

Выводы:

1. Активированные и окисленные углеродные волокна обладают восстановительными и ионообменными свойствами.

2. При окислении активированного углеродного волокна концентрированными кислотами получаются селективные сорбенты - катионообменники. Концентрация карбоксильных групп возрастает в 2-5 раз.

3. Сорбционная активность волокон по отношению к ионам тяжелых металлов существенно зависит от содержания СООН-групп в их составе. Обменная емкость волокна, окисленного концентрированной азотной кислотой, максимальна и достигает 42,0 мг/г по бихромат-ионам.

Список литературы

1. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. М.: Химия, 1996. 105 с.

2. Валинурова Э.Р., Гимаева А.Р., Кудашева Ф.Х. Исследование процесса сорбции ионов хрома (III) и хрома (VI) из воды активированными углеродными адсорбентами // Вестник Башкирского университета. 2009. Т. 14. Вып. 12. С. 385-388.

3. Тарковская И.А., Тихонова Л.П. Сорбция ионов цветных и благородных металлов из водных растворов модифицированными углеродными тканями// Химия и технология воды. 1995. Т. 17. Вып. 2. С.175-179.