CC BY
163
ЭКОЛОГИЯ
УДК 628:661
Е.А. Татаринцева, А.В. Карпенко, В.А. Лемаев, Л.Н. Ольшанская
МОДИФИКАЦИЯ ОТХОДОВ ТЕРМОПЛАСТОВ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АДСОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Разработаны составы полимерных композиций из отходов термопластов (полиэтилен и полиэтилентерефталат), терморасширенного графита (ТРГ) и по-рофора для создания адсорбционных материалов. Исследованы адсорбционные и физико-механические свойства (истираемость, измельчаемость, плотность, пористость, удельная поверхность).
Отходы, термопласты, наполнители, вспенивающие агенты, адсорбция
E.A. Tatarintseva, A.V. Karpenko, V.A. Lemaev, L.N. Olshanskaya
MODIFICATION OF THERMOPLASTIC WASTES AS A MEANS FOR PRODUCING
ADSORPTION MATERIALS
Polymeric compositions have been developed from thermoplastic wastes (polyethylene and polyethylene-terephthalate), expanded graphite (TEG), and blowing agent for the creation of adsorption materials. The adsorption and physic-mechanical properties (abrasion, grind ability, density, porosity, surface area) have been explored.
Waste, thermoplastics, fillers, foaming agents, adsorption
Одним из наиболее осязаемых результатов антропогенной деятельности является образование отходов, среди которых отходы пластмасс занимают особое место в силу своих уникальных свойств. Ежегодный вклад России в образование пластиковых отходов - 1 млн тонн, которые, однако, пригодны для переработки и могут использоваться как вторичные полимерные ресурсы. Поэтому проблема утилизации отходов из них является сегодня наиболее актуальной, но и проблема очистки промышленных сточных вод тоже достаточно острая [1].
Наиболее распространенными методами очистки сточных вод являются сорбционные. Простота аппаратурного оформления, малая энергоёмкость и высокая эффективность технологий делают их привлекательными. Но они являются дорогостоящими процессами, высокая стоимость обусловлена дороговизной адсорбционных материалов.
Целью настоящей работы являлся поиск новых путей использования отходов пластмасс с получением продукции, имеющей народно-хозяйственное значение, и создание новых композиционных адсорбционных материалов, отличающихся высокой эффективностью при очистке сточных вод и низкой стоимостью.
С этой точки зрения использование отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ) и полиэтилена (ПЭ) при создании новых адсорбционных материалов для очистки вод, обладающих высокой эффективностью и низкой стоимостью, очень перспективно, т.к. материалы доступны, легко перерабатываются, модифицируются наполнением и имеют хороший комплекс физико-химических свойств [1]. Отходы термопластов перерабатываются традиционными методами - литьем под давлением, прессованием, выдуванием, экструзией и т.д. [1,2].
В качестве наполнителя использовали терморасширенный графит (ТРГ). ТРГ является материалом нового поколения и обладает всеми положительными качествами графита (химическая инертность, гидрофобность, большая удельная поверхность, устойчивость к агрессивным средам).
273
Использование углеродных сорбентов как катализаторов и поглотителей для очистки питьевой и сточной воды известно давно [3]. В промышленности широко применяются активные угли, графено-вый сорбент, фуллерены, углеродные волокна (вискум, бусофит, перлит и др.).
Резкое увеличение цен на полимерные материалы активизировало производителей продукции на поиски путей снижения затрат материалоемкости изделий. Оптимальным решением является создание микроячеистой структуры полимерных материалов. Известна возможность использования вспененных полимерных и волокнистых материалов в качестве сорбентов для очистки воды и воздуха, сорбции нефтепродуктов, извлечения тяжелых металлов и других ценных компонентов [3]. Полимерные пористые материалы становятся конкурентами традиционным фильтрующим материалам, таким как керамика и металлокерамика, фильтровальные ткани, бумага и др. Это обусловлено рядом преимуществ, которые присущи пористым полимерным материалам: дешевизной (по сравнению с керамикой или металлокерамикой), возможностью достижения более высокой производительности, возможностью довольно точного регулирования размеров пор. Кроме того, полимерные фильтры можно формовать, придавая им практически любую форму. Разработка разнообразных методов получения пористых полимерных материалов на основе широкого ассортимента полимеров, наличие у них комплекса ценных свойств определяют широкое применение полимерных фильтров в промышленности, системах водоподготовки и водоочистки, медицинской и микробиологической промышленности [4].
Вспенивание таких пластиков как полистирол (ПС), полиуретан (ПУ) давно применяется и достаточно распространено [1, 4]. Вспенивание же ПЭТФ и ПЭ весьма затруднительно и используется крайне редко.
Перспективным способом получения пористых материалов является вспенивание с помощью специальных химических добавок, вводимых в полимер, - порофоров [1, 4]. Порофоры - это химические соединения, которые при нагревании разлагаются, выделяя газ СО2, вспенивающий полимер.
В качестве объектов исследования при получении адсорбентов были выбраны вторичные полиэтилен (ВПЭ), полиэтилентерефталат (ВПЭТ), вспенивающие агенты (порофоры) - НУБКОСЕКОЬ СБ 40Е и НУБКОСЕКОЬ ВМ 70, в качестве наполнителя использовали терморасширенный графит (ТРГ).
Определялись оптимальные составы и технологические параметры вспенивания ВПЭ и ВПЭТ. Вспененная композиция готовилась простым механическим перемешиванием компонентов с последующим литьем под давлением при температурах 160-190 0С для ВПЭ и 240-270 0С для ВПЭТ. Порофоры вводились в количестве от 0,5 до 2,0 % (масс.) (табл. 1) [4].
Таблица 1
Состав и физические свойства композиций
№ Состав композиции, г Соотношение компонентов, масс. ч. Плотность, г/см3 Пористость, %
1 10 г ВПЭТ + 0,05 г СР40Е 100:0,5 1,2 2,5
2 10 г ВПЭТ + 0,1 г СР40Е 100:1,0 1,0 18,7
3 10 г ВПЭТ + 0,15 г СР40Е 100:1,5 0,9 26,8
4 10 г ВПЭТ + 0,2 г СР40Е 100:2,0 0,8 34,8
5 10 г ПЭТ + 0,2 г СР40Е 100:2,0 0,9 31,0
Полученные образцы имеют пористую структуру, заметную невооруженным глазом (рис. 1), и более низкую плотность.
Рис. 1. Структура вспененного ВПЭТ
Для получения адсорбционного материала дополнительно в полимер вводился ТРГ в количестве 10 % (масс.), было установлено, что при меньшей концентрации ТРГ в композиции он экраниру-
ется полимерной матрицей, что уменьшает удельную поверхность образцов, а большее количество приводит к затруднению совмещения полимера и ТРГ из-за его маленькой плотности.
Полученный композиционный материал механически измельчался до размера зерен ~ 2 мм, рис. 2, и проводилось исследование его физико-механических свойств (табл. 2) (плотность, насыпная плотность, объем пор, удельная поверхность, истираемость, измельчаемость, поглощенная влага).
I
Рис. 2. Композиционный адсорбент
Таблица 2
Физико-механические свойства адсорбционных материалов
Состав композиции, % (масс.) Истираемость, % Измельчаемость, % Объ- ем пор, % Плот- ность, г/см3 Насыпная плотность , г/см3 Насыпная плот-плотность после уплотнения г/см3 Поглощенная влага, % Удельная поверхность , м 2/г
ВПЭТ+10 ТРГ +2 CF 40Е 0,037/0,5* 0,027/4* 29,5 0,958 0,530 0,556 2,1 22,0
ВПЭ+10 ТРГ +2 BM 70 0,026/0,5* 0,040/4* 25,5 0,934 0,366 0,376 1,5 16,5
*ГОСТ Р 51641-2000, истираемость не должна превышать 0,5 %, а измельчаемость - не более 4 %.
Как видно из результатов исследования, композиции 1 и 2 обладают достаточными прочностными свойствами (истираемость, измельчаемость) согласно требованиям, предъявляемым к адсорбционным материалам. Адсорбент, полученный по данной технологии, имеет насыпную плотность, сравнимую с активированным углем (0,46-0,53 г/см3).
Данные ИК спектроскопии показали, что в композиции ВПЭТ+10 ТРГ+2 СБ 40Е имеются активные гидроксильные -ОН, карбонильные -С=О и карбоксильные группы, образующиеся в результате вторичной переработки полимера и разрыва полимерных цепей. В этом случае можно говорить не только о физической, но и о химической адсорбции веществ. Эффективность очистки воды данными адсорбентами оценивали на модельных растворах фенола и меди.
Эффективность очистки воды данным адсорбентом оценивали на модельных растворах фенола и меди.
С увеличением равновесной концентрации фенола адсорбционная емкость рассматриваемых адсорбентов возрастает. Изотермы адсорбции фенола (рис. 3), относятся к изотермам типа Лэнгмюра или I типа по классификации БЭТ, что свидетельствует об адсорбции данных веществ в микропорах. Эффективность очистки составляет 52%.
Сорбцию ионов меди (II) из растворов различных концентраций изучали в статических условиях при комнатной температуре (60 мин, У=50 мл, Шс=1,0 г). После проведения сорбции осадок отфильтровывали и определяли содержание ионов металла в равновесной жидкой фазе вольтамперо-метрическим методом. Степень извлечения (И, %) рассчитывали по формуле
И =
(Рисх - Р, )х 100
^ исх
(1)
где Qк - количество ионов металла в исходном растворе; Qк - количество ионов металла, найденное после сорбции в водной фазе.
Сравн, г/л
Рис. 3. Изотермы адсорбции фенола на углеродных адсорбентах: 1 - ВПЭ+10 ТРГ+2 ВМ 70; 2 - ВПЭТ+10 ТРГ+2 СР 40Е
0,0025
0,002
0,0015
0,001
0,0005
0,0026 0,0076 0,0228
Сравн, г/л
0,0488
0,0536
Рис. 4. Изотермы адсорбции меди на углеродных адсорбентах: 1 - ВПЭ+10 ТРГ+2 ВМ 70; 2 - ВПЭТ+10 ТРГ+2 CF 40Е
При изучении закономерностей сорбции ионов металлов анализируют влияние различных факторов на емкость ионита, из которых важное значение имеет зависимость равновесной емкости по ионам металла от равновесной концентрации его в растворе. Установлено, что количество поглощенных ионов Си2+ возрастает по мере увеличения концентрации исходного раствора и достигает 0,002 г/г при содержании ионов меди в нем 0,15 г/л (У=50 мл, Шс=1,0 г). При этом степень извлечения составляет 64,0 %.
Хорошо выраженная зависимость степени извлечения катионов металла от рН обусловливается типом иона металла и поверхностными характеристиками сорбента. В некоторых случаях это связано с равновесной константой реакции иона металла [5]:
(2)
Ме2+ + НО о МеОН+ + Н +.
В большинстве случаев зависимость степени сорбции от кислотности среды определяется стабильностью комплексов катионов металла с поверхностными группами сорбента. Извлечение ионов меди (II) из раствора исследуемым материалом, содержащим на поверхности карбоксильные группы, может осуществляться за счет образования как ионной, так и координационной, а в некото-276
0
рых случаях только координационной связи [6]. Для адсорбции меди характерна изотерма адсорбции II типа по классификации БЭТ (рис. 4).
В результате проделанной работы созданы композиционные адсорбенты для очистки промывных и сточных вод и выбраны технологические параметры их получения: температура литья композиций -260 0С. При этом оптимальный состав композиций (масс. %) - ВПЭТ+10 ТРГ+2 СБ 40 Е и ВПЭ+10 ТРГ+2 ВМ 70. Показано, что полученные материалы являются механически прочными, обладают низкой насыпной плотностью, хорошей пористостью, что позволяет рекомендовать их в качестве адсорбционных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вторичная переработка пластмасс / под ред. Франческо Ла Мантии. СПб.: Профессия, 2007. 520 с.
2. Власов С.В. Основы технологии переработки пластмасс / С.В. Власов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 239 с.
3. Собгайда Н.А. Ресурсосберегающие технологии применения сорбентов для очистки сточных вод от нефтепродуктов: монография / Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская. Саратов: Наука, 2010. 148 с.
4. Клемпнер Д. Полимерные пены и технологии вспенивания / пер. с англ. под ред. А.М. Чеботаря. СПб.: Профессия, 2009. 600 с.
5. Ергожин Е.Е., Акимбаева А.М., Габдулина Ю.Р. // Металлургия цветных и редких металлов: материалы 2 Междунар. конф. Красноярск, 9-12 сентября 2003 г. Красноярск, 2003. Т. 2. С. 87-88.
6. Акимбаева А.М. Сорбция ионов меди (II) органоминеральным катионитом на основе бентонита / А.М. Акимбаева, Е.Е. Ергожин, А.Д. Товасаров // Успехи современного естествознания. 2006. № 4. С. 27-29
Татаринцева Елена Александровна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Экология и охрана окружающей среды»
Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Карпенко Андрей Вадимович -
аспирант кафедры «Экология и охрана окружающей среды»
Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Лемаев Владимир Алексеевич -
аспирант кафедры «Экология и охрана окружающей среды»
Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Ольшанская Любовь Николаевна -
доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой «Экология и охрана окружающей среды»
Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 20.09.12, принята к опубликованию 20.02.13
Elena A. Tatarintseva -
Ph.D., Associate Professor Department of Ecology and Environmental Protection,
Engels Technological Institute:
Part of Gagarin Saratov State Technical University
Andrei V. Karpenko -
Postgraduate
Department of Ecology
and Environmental Protection,
Engels Technological Institute:
Part of Gagarin Saratov State Technical University
Vladimir A. Lemaev -
Postgraduate
Department of Ecology
and Environmental Protection,
Engels Technological Institute:
Part of Gagarin Saratov State Technical University
Lyubov N. Olshanskaya -
Ph. D., Professor,
Head: Department of Ecology and Environmental Protection,
Engels Technological Institute:
Part of Gagarin Saratov State Technical University
