Сорбция анилинов из воды углеродными материалами

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 541. 183
СОРБЦИЯ АНИЛИНОВ ИЗ ВОДЫ УГЛЕРОДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
© Э. Р. Валинурова1*, Г. Ф. Фазылова1, Р. М. Хатмуллина2,
Ф. Х. Кудашева1, З. Т. Рафикова1, У. Т. Габдуллина1
1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450 074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел. /факс: +7 (34 7) 273 3 6 01.
2Управление государственного аналитического контроля министерства природопользования и экологии Р Б Россия, Республика Башкортостан, 450 104, г. Уфа, ул. Российская, 21.
Тел.: +7 (347) 233 45 75.
E-mail: gulnazf87@mail. ru
Исследована сорбционная способность активированных углеродных материалов различной текстуры по отношению к растворенным в воде анилинам. Показано влияние различных методов химического модифицирования (окисление кислотами и нанесение коллоидных наночастиц серебра) на сорбционную активность сорбентов. Определены характеристическая энергия и предельная величина сорбции нитроанилинов на углеродных сорбентах.
Ключевые слова: сорбция, углеродные сорбенты, изотерма сорбции.
Производные анилина попадают в воды со стоками предприятий анилино-красочной промышленности. И несмотря на заметную растворимость в воде труднее подвергаются биохимической трансформации, чем другие ароматические соединения [1]. Поэтому изучение сорбционной способности углеродных материалов с целью последующего их использования для очистки воды от производных анилина весьма актуально.
Углеродные сорбенты благодаря их высокой удельной поверхности и гидрофобности широко применяются для удаления органических загрязнителей из воды и воздуха [2−4]. Однако, сорбционная емкость углеродных сорбентов существенно зависит от их текстуры [3].
Целью данной работы явилось изучение влияния методов модификации поверхности сорбента на сорбционную активность углеродных материалов различной текстуры по отношению к растворенным в воде о-, м-, пара-нитроанилинам.
В качестве сорбентов были использованы: зерненный березовый активированный уголь -БАУ-А (0. 25−0.5 мм), порошкообразный древесный уголь СПДК-27МД и отход производства углеродных перевязочных материалов — активированное углеродное гидратцеллюлозное волокно (АУВ). Модифицированные образцы волокон получали путем жидкофазного окисления в концентрированной азотной кислоте (ОАУВ) и нанесением наночастиц серебра (АУВ-Аg). Некоторые характеристики сорбентов приведены в табл. 1.
Сорбционные исследования проводили в статических условиях. В водные растворы нитроанилинов с концентрациями 0. 02−0.8 мг/мл помещали доведенные до постоянной массы сорбенты (0. 0200 г),
перемешивали, выдерживали до установления равновесия при комнатной температуре.
Степень извлечения анилинов Я (%), величину сорбции a (мг/г) рассчитывали по формулам:
-о — Ср) __________(Со — Ср)
R —
100%, а =
V
где Со, Ср — исходная и равновесная концентрация анилинов, мг/мл- q — навеска сорбента, г- V — объем анализируемого раствора, мл.
Для оценки параметров пористой структуры сорбентов использовали уравнение теории объемного заполнения микропор Дубинина-Радушкевича в линейной форме:
2
1да = 1да0 — 2. 303 ¦ R2 ¦ T2/E2Qg (Cs — Ср)& gt-
где Cs — предельная растворимость сорбата в воде, мг/мл.
Равновесные концентрации нитроанилинов определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Анализ выполняли на жидкостном хроматографе Hewlett Packard (США) с диодно-матричным детектором НР 1090. Разделение компонентов проводили на колонке Hypersil ODS (200×2.1 мм- размер частиц сорбента 5 мкм). Температура колонки — 40 °С- объем вводимой пробы -2 мкл. В качестве подвижной фазы использовали смесь ацетонитрила и воды (60: 40% об.), расход элю-ента — 0.3 мл/мин. Хроматограммы регистрировали при длине волны 230 нм. Идентификацию исследуемых соединений проводили по временам удерживания. Концентрации нитроанилинов рассчитывали методом абсолютной градуировки.
Таблица 1
Некоторые характеристики сорбентов
Сорбент Средний диа- Удельная поверх- Предельная сорбционная емкость по парам, см3/г
метр пор, A ность, м2/г воды бензола гептана этанола
АУВ 3.6 1288.3 0 0. 59 0. 62 0. 48
ОАУВ 13.2 1015 0.1 0. 58 0. 28 0. 47
СПДК-27МД 2.7 746.9 0. 33 — 0. 46 0. 39
БАУ-А 11.5 740−840 0. 27 0. 33 0. 34 0. 32
* автор, ответственный за переписку
І88К 1998−4812 Вестник Башкирского университета. 2010. Т. 15. № 3
605
Сорбция органических веществ из воды зависит от многих факторов, определяющими из которых являются: 1. растворимость органических соединений, связанная непосредственно с размером, конфигурацией и дипольным моментом молекул- 2. пористая структура, химия поверхности и текстура сорбента.
Согласно современным представлениям о структуре жидкой воды, полученным на основании исследования малоуглового рассеивания рентгеновских лучей и медленных нейтронов, большая часть молекул воды связана четырьмя водородными связями в кластеры, а растворимость связана с размерами органических молекул [5]. Например, растворимость в ряду п-, м-, и о-нитроанилинов возрастает по мере уменьшения диаметра их молекул (табл. 2).
Таблица 2
Характеристика анилинов
Вещество Растворимость, г/л Диаметр молекулы, нм Дипольный момент, Д
о-нитроанилин 1. 25 0. 61 5. 05
м-нитроанилин 1. 14 0. 68 6. 33
п-нитроанилин 0. 79 0. 70 7. 84
и-Нитроанилин хуже всех растворяется в воде при 20 °C, так как диаметр его молекулы не соизмерим с пустотами сетчатой кластерной структуры воды (0. 52−0.6 нм). Наличие и взаимное расположение функциональных групп в производных анилина определенным образом влияет также на их растворимость в воде. Введение гидрофобного заместителя в ароматическое кольцо анилина ведет к уменьшению электронной плотности в кольце, и как следствие к ослаблению водородных связей нитроанилинов с водой. В о-нитроанилине функциональные группы связаны внутримолекулярной водородной связью и поэтому влияние акцепторного заместителя на ароматическое кольцо слабее, чем в остальных нитроанилинах. В результате растворимость в воде о-нитроанилина почти в два раза больше чем и-нитроанилина. Сорбция органических молекул из водных растворов зависит от разности энергии сорбционного взаимодействия молекул с поверхностью сорбента и энергии взаимодействия органической молекулы с молекулами воды, т. е. растворимости. Чем выше растворимость вещества в воде, тем меньше величина сорбции. Однако пористая структура сорбента также существенно влияет на сорбционное извлечение растворенного вещества из воды. Для извлечения примеси из водных растворов, как правило, используются сорбенты с порами, полуширина которых укладывается в интервал 0. 5−10 нм. Вид изотерм сорбции анилинов (рис. 1) свидетельствует о том, что активированное углеродное волокно и СПДК-27МД обладают большим объемом микропор, чем БАУ-А. Изотермы сорбции идентичны, но сорбция на АУВ и СПДК-27МД больше чем на БАУ-А. Ван-дер-Ваальсовские размеры молекул нитроанилинов
составляет 0. 6−0.8 нм, поэтому микропористые АУВ и СПДК-27МД эффективно извлекают их из воды. Степень очистки воды с их помощью достигает 99%. Сорбционное равновесие между растворами анилинов и АУВ устанавливается в 3−4 раза быстрее, чем для зерненного БАУ-А. Рабочее время контакта для АУВ и СПДК-27МД составляет 10−15 минут. Известно, что АУВ относится к микропористым сорбентам, с открытыми щелевидными микропорами, в то время как угли, в том числе БАУ-А содержит микропоры, закрытые для сорбции, так как находятся внутри макропор [6]. В результате для сорбции примесей с помощью БАУ-А необходимо больше времени и степень их извлечения несколько снижается.
Ср, мг/мл
Рис. 1. Изотермы сорбции м-нитроанилина углеродными сорбентами
Обычно уголь, применяемый для водоочистки, насыщают серебром. Серебро придает углю бактерицидные свойства [7]. Установлено, что обработка исходного АУВ коллоидными наночастицами серебра, практически не влияет на сорбционную активность волокна.
При окислении АУВ концентрированной азотной кислотой существенно возросло число функциональных групп, способных к образованию водородных связей (табл. 3). В результате на поверхности раздела сорбент-водный раствор преимущественно концентрируются молекулы воды, и сорбция примесей уменьшается.
Таблица 3
Содержание функциональных групп (мг-экв/г) на поверхности углеродных сорбентов
Адсорбент Карбо- ксильные Феноль- ные Лактон- ные Общая кислотность
АУВ 1.0 0 0 1. 0
ОАУВ 3.0 1.0 1.0 5. 0
БАУ-А 0.2 0.8 0.3 1. 3
По спрямленным в координатах уравнения Дубинина-Радушкевича изотермам (рис. 2) были рассчитаны предельная величина (а0, г/г) и характеристическая энергия сорбции (Е, кДж/моль). Результаты приведены в табл. 4.
Таблица 4
Сорбционные параметры углеродных сорбентов
Сорбент о-нитроанилин м-нитроанилин п-нитроанилин
Е, кДж/моль | а0, г/г | R, % Е, кДж/моль | а0, г/г | R, % Е, кДж/моль | а0, г/г | R, %
АУВ 15.9 1.0 99 17.1 0.8 99 11.8 1.1 99
АУВ-Ав 13.7 1.0 99 18.0 0.6 99 11.7 1.0 96
ОАУВ 12.5 0.6 99 10.2 0.6 96 10.7 0.5 96
СПДК-27МД 17.9 0.8 99 13.3 1.0 99 16.4 0.7 99
БАУ-А 12.2 0.6 98 13.3 0.7 99 12.9 0.5 99
(^/Ср))2
Рис. 2. Спрямленные изотермы сорбции м-нитроанилина углеродными сорбентами
Из табл. 4 видно, что активированные углеродные сорбенты обладают высокой сорбционной емкостью, которая возрастает в ряду БАУ-А, ОАУВ & lt- СПДК-27МД & lt- АУВ, АУВ-Ag. Невысокие значения характеристической энергии свидетельствует о физическом характере сорбции.
Таким образом, активированные углеродные материалы обладают высокими сорбционными характеристиками по отношению к растворенным в воде анилинам.
Окисление АУВ повышает гидрофильность сорбента, наблюдается конкурентная сорбция воды и извлечение анилинов снижается на 3%.
Модифицирование АУВ наночастицами серебра не ухудшает сорбционных свойств волокна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николаев Ю. Т., Якубсон А. М. Анилин. М.: Химия, 1984. 148 с.
2. Валинурова Э. Р., Кадырова А. Д., Кудашева Ф. Х. // Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. № 4. С. 907−910.
3. Валинурова Э. Р., Кадырова А. Д., Хакимова Л. Ф., Фазы-лова Г. Ф. // Сборник статей VII Международной научнопрактической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности». Пенза, 2007. С. 39−40.
4. Валинурова Э. Р., Кадырова А. Д., Кудашева Ф. Х. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2004. Т. 44. № 1. С. 104−106.
5. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 289 с.
6. Варшавский В. Я. Углеродные волокна. М.: Варшавский, 2005. 500 с.
7. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Л.: Химия, 1984. 216 с.
Поступила в редакцию 21. 09. 2009 г.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой