Эффективность адсорбентов на основе терморасширенного графита

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2010. № 2

УДК 661

ЭФФЕКТИВНОСТЬ АДСОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

© 2010 г. А.М. Сербиновский, А.Н. Королев

Южный федеральный университет Southern Federal University

На примере адсорбции уксусной кислоты показана перспективность и высокая эффективность (95 - 99,3 %) адсорбентов на основе терморасширенного графита (ТРГ). Адсорбенты улучшают свои свойства при регенерации. Адсорбционные свойства пластин на основе ТРГ мало зависят от их толщины.

Ключевые слова: адсорбенты; терморасширенный графит; эффективность адсорбента; регенерация адсорбента.

Taking acetic acid adsorption as an example, high effectiveness (95 - 99,3 %) and application perspective-ness of the adsorbents on the basis of thermal expanded graphite are shown. Adsorbents improve their properties at regeneration. Adsorbent properties of the slabs made of thermal expanded graphite do not depend on their thickness.

Keywords: adsorbents; thermal expanded graphite; adsorbent effectiveness; regeneration of adsorbents.

Проблема разработки эффективных адсорбентов для очистки различных промышленных растворов, эмульсий и суспензий, сточных вод и т.д. весьма актуальна. В качестве перспективной основы адсорбентов может служить терморасширенный графит (ТРГ). В работах [1, 2] была описана методика синтеза ТРГ из гидролизного лигнина - многотоннажного промышленного отхода, представлены фотографии микроструктуры образцов ТРГ, полученные на сканирующем электронно-зондовом микроскопе Quanta 200 с приставкой энергодисперсионного микроанализа EDAX производства компании FEI (США - Голландия), которые свидетельствуют о чрезвычайно развитой поверхности данного материала. Обладая нано-слоистой структурой и большой удельной поверхностью, ТРГ потенциально превосходит современные промышленные адсорбенты, однако свойства его изучены недостаточно. В настоящее время в некоторых публикациях утверждается, что использование при окислении графита кислот, например серной кислоты, неизбежно приводит к загрязнению получаемого ТРГ остатками этих кислот, в частности серой. Но элементный анализ ТРГ, полученного из лигнина, доказывает его высокую химическую чистоту [1, 2] и возможность применения его в качестве адсорбента в чистых химических и пищевых технологиях. В данной работе исследована эффективность адсорбентов на основе ТРГ, полученных из гидролизного лигнина на примере адсорбции уксусной кислоты.

Исследовали адсорбенты в виде порошка ТРГ и пластин из ТРГ, армированных никелевой сеткой. В качестве контрольных образцов использовали порошок активированного угля (ГОСТ 6217-74) и порошок адсорбента из фильтров «BRITA». Адсорбенты на основе ТРГ подвергали регенерации нагревом при 180 °С в течение 1 ч. Эффективность адсорбентов определяли по уменьшению концентрации уксусной кислоты в растворе после выдержки с адсорбентом. Растворы с адсорбентом периодически перемешивали.

На рис. 1 показаны зависимости эффективности адсорбентов от времени выдержки, природы адсор-

бентов в растворах разной концентрации. Зависимости эффективности всех адсорбентов при малой экспозиции имеют сходный характер, однако эффективность дисперсного ТРГ значительно выше. Необходимо отметить, что регенерация несколько улучшает адсорбционные свойства ТРГ, что, видимо, связано с уменьшением поверхностного натяжения на границе графит - раствор. Активированный уголь и адсорбент «BRITA» практически не регенерируются. При большой выдержке (24 ч) зависимости значительно изменяются.

jfe = —н

_____ --------Ü

г- " " _ _ _ . _ . — -1

—___  - Ч

i- _ _ .. .....1

Г- — zisZ

0,1 0,2 0,3 0,4

Начальная концентрация уксусной кислоты, моль/л

Рис. 1. Эффективность дисперсных адсорбентов в растворах уксусной кислоты. После экспозиции 10 мин:  - активированный уголь; ♦ - адсорбент «БЯ1ТА»;  - дисперсный ТРГ; X - дисперсный ТРГ

Повышенная эффективность активированного угля и адсорбента «BRITA» в растворах низкой концентрации, видимо, связана с малым объемом растворов и, соответственно, небольшим количеством уксусной кислоты в них. Но в целом эффективность этих адсорбентов остается довольно низкой. Напротив, эффективность всех образцов ТРГ высока (96 - 99,3 %).

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2010. № 2

На рис. 2 показаны зависимости эффективности адсорбентов на основе ТРГ от времени выдержки, толщины пластин в растворах разной концентрации.

100

90

80

70

60

m

50

.с-''

пластин, увеличение их толщины. Это явление, по нашему мнению, объясняет улучшение адсорбционной способности материала, так как в результате такого процесса растет пористость адсорбента и большая часть его поверхности участвует в адсорбции кислоты

100

90

ю

Оч

о

80

0,1 0,2 0,3 0,4

Начальная концентрация уксусной кислоты, моль/л

Рис. 2. Эффективность адсорбентов на основе ТРГ. После экспозиции 10 мин: дисперсный ТРГ

При малых выдержках эффективность пластинчатых адсорбентов закономерно повышается по мере снижения толщины, но зависимость от толщины слабо выражена, о чем свидетельствуют кривые рис. 3.

При малой выдержке эффективность пластинчатых адсорбентов несколько падает, что, видимо, связано с диффузионными ограничениями процесса. При большой длительности экспозиции адсорбентов в растворах эффективность пластинчатых адсорбентов не зависит от их толщины.

Регенерация, также как и в случае с дисперсным ТРГ, несколько повышает эффективность пластинчатых адсорбентов при малой длительности экспозиции пластин в растворах. Эффективность всех пластинчатых адсорбентов на основе ТРГ при больших выдержках весьма высока (95 - 99,1 %) и практически не изменяется при регенерации.

Необходимо отметить, что после выдержки и последующей регенерации наблюдается «набухание»

g 70 я

03

я

m

50

- TV <Э--- ——--r" ---—<:

---- --- ---

2,5

3 3,5

Толщина пластин, мм

4,5

Рис. 3. Зависимость эффективности адсорбентов на основе ТРГ от толщины пластин. После экспозиции 10 мин в растворах с начальной концентрацией кислоты 0,1 (♦), 0,2 () и 0,4 () моль/л; после экспозиции 24 ч в растворах с начальной концентрацией кислоты 0,1 (◊), 0,2 () и 0,4 (д) моль/л

Выводы

1. Доказано, что терморасширенный графит, полученный из гидролизного лигнина, перспективен как высокоэффективный адсорбент, способный к регенерации.

2. Адсорбционная способность дисперсного и пластинчатых адсорбентов на основе терморасширенного графита одинаково высока, поэтому такие адсорбенты могут широко применяться в фильтрах различной конструкции.

Литература

1. Попова О.В. Научные основы электрохимического модифицирования лигнинов: дис. ... д-ра техн. наук. Саратов, 2006. 291 с.

2. Попова О.В., Сербиновский А.М., Королев А.Н. Получение модифицированных продуктов на основе искусственного графита из лигнина / Изв. вузов Сев.-Кавк регион. Техн. науки. 2009. № 6. С. 72 - 75.

2

4

Поступила в редакцию 13 января 2010 г.

Сербиновский Алексей Михайлович - аспирант, кафедра химии и экологии, Южный федеральный университет (Таганрогский технологический институт). Тел. 8 (8635) 247082. E-mail: serbinovskyam@rambler.ru Королев Алексей Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой химии и экологии, Южный федеральный университет (Таганрогский технологический институт). Тел. (8634) 371635, 371624. E-mail: korolev@fib. tsure. ru

Serbinovskiy Alexey Michailovich - post-graduate student, department «Chemistry and Ecology», South Federal University (Taganrog Technological Institute). Ph. +7-8635-24-70-82. E-mail: serbinovskyam@rambler.ru Korolev Alexey Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Chemistry and Ecology», South Federal University (Taganrog Technological Institute). Ph.+7-8634-37-16-35, +7-8634-37-16-24. E-mail: korolev@fib. tsure. ru_