CC BY
71
УДК 541.183:661.932
Е.Н. Иванова, А.О. Дудоладов, М.Б. Алехина, Т.В. Конькова
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, г. Москва, Российская Федерация 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 * e-mail:: [email protected]
МОДИФИЦИРОВАНИЕ МОНТМОРИЛЛОНИТОВОЙ ГЛИНЫ ДЛЯ АДСОРБЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
Исследовано влияние условий модифицирования монтмориллонитовой глины на адсорбционные свойства образцов по макрокомпонентам воздуха и коэффициент разделения смеси кислород-аргон. Выявлено, что наибольшую селективность по аргону проявляет образец с добавлением Cr в процессе модифицирования.
Ключевые слова: монтмориллонитовая глина; адсорбция; азот; кислород; аргон.
Адсорбционные способы получения кислорода из атмосферного воздуха широко используются в промышленности. Предельная чистота кислорода, произведенного в адсорбционных установках с современными сорбентами, составляет 95,7 об. % (4,3 об. % приходится на аргон) [1].
В ряде производств, таких как кислородная резка сталей, требуется кислород чистотой не менее 98,5 об.%. С понижением чистоты кислорода сильно снижается производительность резки и ухудшается ее качество [2]. Поэтому для удаления и выделения аргона в концентрированном виде актуальным остается поиск высокоактивных в отношении аргона адсорбентов.
В ходе предыдущих исследований [3] были изучены свойства различных адсорбентов по отношению к макрокомпонентам воздуха и выявлено, что модифицированная
монтмориллонитовая глина обладает
селективностью в отношении аргона. Поэтому было принято решение изучить влияние условий модифицирования этого адсорбента на его адсорбционные свойства по аргону и кислороду и коэффициент разделения смеси кислород-аргон.
Для исследований был использован образец модифицированной монтмориллонитовой глины Таганского месторождения (Республика Казахстан).
Элементный состав образцов определяли методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии на приборе INCA ENERGY (Oxford Instruments, Великобритания) в центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева. Исследование элементного состава показало, что основными элементами на поверхности образца глины являются кислород, кремний, алюминий, а также железо. Данные анализа представлены в табл. 1.
Модифицированные образцы I и II получены методом пилларирования с Al(NO3)3 и с
последующим прокаливанием при 400-500 °С. Соотношение А1/ОН изменялось на двух уровнях: 1:2 (образец I) и 1:2,4 (образец II). Образец Al/Cr получен методом пилларирования с А1(ЫО3)3 и Cr(NO3)3 в соотношении 1:1 с последующим прокаливанием при 400°С.
Таблица 1
Результаты элементного анализа образца модифицированной монтмориллонитовой глины методом энергодисперсионной рентгеновской
№ Элемент спектроскопии Содержание
п./п. мас. % ат. %
1 О 58,96 72,34
2 Na 0,27 0,23
3 Mg 1,38 1,12
4 Al 11,55 8,40
5 Si 23,34 16,32
6 Ca 0,02 0,01
7 Ti 0,19 0,08
8 Fe 4,29 1,51
Итого 100,00
Таблетирование глины осуществляли без связующего методом сухого формования с помощью гидравлического пресса Crush IR производства фирмы PTKE Technologies.
Для определения текстурных
характеристик адсорбентов были сняты изотермы адсорбции азота при 77 К на объемной установке Nova 1200е (Quantachrome, США). Перед измерением изотерм проводили дегазацию образцов при 400 °С и остаточном давлении 10-3 мм рт. ст. в течение 4 ч.
Удельную поверхность (£уд) образцов рассчитывали методом БЭТ, объем адсорбционного пространства микропор и характеристическую энергию адсорбции (W0, Е0) рассчитывали по уравнению Дубинина-Радушкевича. Текстурные характеристики образцов приведены в табл. 2
Таблица 2. Текстурные характеристики образцов.
Образец Температура прокаливания, °С ^уд(БЭТ), м2/г Е0, кДж/моль Объем микропор, Щ„ см3/г
Исходный 77,5 12,441 0,035
I 400 129,8 16,204 0,063
I 450 123,6 14,80 0,059
I 500 116,1 14,54 0,059
II 400 189,9 15,893 0,090
II 450 178,8 14,92 0,083
II 500 159,2 14,57 0,080
Al/Cr 400 147,2 11,88 0,072
Наибольшим значением удельной поверхности обладал образец II 400, наименьшим значением характеристической энергии обладал образец Л1/Сг, тогда как наибольшим значением Eo обладал цеолит I 400.
Перед термической обработкой гранулированные и таблетированные образцы адсорбентов были раздроблены в фарфорой ступке и отсеяна фракция с размером частиц 1-2 мм. Регенерация образцов проводилась в токе азота при 350 °С.
Равновесные величины адсорбции азота, кислорода и аргона на полученных адсорбентах были определены волюмометрическим методом из экспериментальных кинетических кривых адсорбции газов. Для исследования были использованы азот, кислород и аргон из баллонов. В качестве калибровочного газа применяли гелий. В табл. 3 приведены данные по адсорбции азота, кислорода и аргона на формованных образцах адсорбентов различных типов при температуре 25 °С и давлении 0,1 МПа.
Таблица 3.
Адсорбция азота, кислорода и аргона на
Все образцы модифицированной глины проявили малую активность по азоту. Увеличение соотношение Al/OH привело к увеличению адсорбционной емкости по аргону. Увеличение
температуры прокаливания привело к уменьшению адсорбционной емкости по аргону.
Значения коэффициентов разделения смеси азот-кислород и смеси аргон-кислород были рассчитаны как соотношение констант Генри. Из представленных результатов следует, что наибольшей селективностью в отношении аргона обладал образец Л1/Сг.
На рис. 1 -3 представлены кинетические кривые адсорбции азота, кислорода и аргона на исследованных образцах. Кинетические кривые адсорбции азота и аргона на модифицированных глинах (рис. 1 и 3) показывают, что скорость отработки адсорбционной емкости по этим газам была примерно одинаковой._
Образ ец Равновесная адсорбция при 25 °С и 0,1 МПа, см3/г Коэффициент разделения
азота кислор ода аргона N2^2 Ar-O2
I 400 1.53 8.28 5.60 0.18 0.68
I 450 2.27 4.64 5.29 0.49 1.14
I 500 2.04 4.65 5.15 0.44 1.11
II 400 3.53 7.42 9.94 0.47 1.34
II 450 2.78 5.20 6.29 0.53 1.21
II 500 3.07 6.57 6.87 0.47 1.05
Al/Cr 3.79 4.84 7.02 0.78 1.45
50
время, мин
—I Тпр 400 °С -«-П Тпр 400 °С —I Тпр 450 °С -*-П Тпр 450 °С -Ж-1 Тпр 500 °С -«-П Тпр 500 °С —I—А1/С1
100
Рис. 1. Кинетические кривые адсорбции азота на модифицированных образцах глины.
В отличие от азота и аргона кинетические кривые адсорбции кислорода меняли свою конфигурацию в зависимости от условий модифицирования образцов, что говорит о зависимости адсорбции кислорода от условий подготовки глины.
—I ^ 400 °(время1^ий ^ 400 °С I Tпр 450 °С -*-II Tпр 450 °С I Tпр 500 °С II ^ 500 °С
—I—Al/Cr
Рис. 2. Кинетические кривые адсорбции кислорода на модифицированных образцах глины.
Заключение
Для получения кислорода высокой чистоты из атмосферного воздуха необходимо иметь адсорбент, способный поглотить все компоненты воздуха, кроме кислорода, или создать комбинированный слой из двух адсорбентов, один из которых поглощает из воздуха азот, а другой -аргон. В ходе работы были модифицированы образцы монтмориллонитовой глины при
время, мин
I ^ 400 °С II ^ 400 °С
I ^ 450 °С II ^ 450 °С
I ^ 500 °С -»-II Tпр 500 °С
Рис. 3. Кинетические кривые адсорбции аргона на модифицированных образцах глины
различных условиях. Для каждого образца были определены текстурные характеристики. Волюмометрическим способом были измерены равновесные адсорбционные емкости образцов по макрокомпонентам воздуха и рассчитаны коэффициенты разделения. Наибольшей селективностью в отношении аргона обладал образец Л1/Сг, коэффициент разделения смеси аргон-кислород для которого равен 1,45.
Иванова Екатерина Николаевна аспирант кафедры Технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Дудоладов Александр Олегович студент кафедры Технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Алехина Марина Борисовна д . х. н, с. н. с. кафедры Технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Конькова Татьяна Владимировна к.т.н., доцент кафедры Технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Шумяцкий Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы. М.: КолосС. 2009. 183 с.
2. Степанова М.А. Выбор газа для лазерной резки металла.// Специализированный журнал «РИТМ». 2012. Т. 72. № 4. С. 102-104.
3. Вахрушева Е.М., Иванова Е.Н., Алехина М.Б., Конькова Т.В., Джумамухамедов Д.Ш., Ванчурин В.И. Адсорбция макрокомпонентов воздуха на цеолитах и минеральных адсорбентах тезисы доклада МКХТ (Москва, 28 - 31 октября 2013) - С. 80-84.
Ivanova Ekaterina Nikolaevna, Dudoladov Aleksandr Olegovich, Alekhina Marina Borisovna, Konkova Tatiana Vladimirovna*
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
MODIFICATION OF MONTMORILLONITE CLAY FOR ADSORPTION AIR SEPARATION
Abstract
The influence of conditions of montmorillonite clays modification on the adsorption properties of the samples for macrocomponents air and partition coefficient of oxygen-argon mixtures has been studied. Revealed that the highest selectivity for argon shows a sample with the addition of Cr in the process of modification.
Key words: montmorillonite clay; adsorption; nitrogen; oxygen; argon.
