CC BY
103
УДК 546.26-162:628.16:541.183.12
А.В. Яковлев, Е.В. Яковлева, С.Л. Забудьков, А.И. Финаенов ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ИОНОВ NI (II) И FE (II) ФИЛЬТРАМИ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА
Предложена методика изготовления самопрессованных фильтров на основе терморасширенного графита. Исследованы их адсорбционноионообменные свойства по катионам, Ni (II) и Fe (II). Сорбционная емкость для никельсодержащих растворов составляет ~5+6 мгэкв/г, а для раствора FeCl2 ~11+12 мгэкв/г. Показана перспективность
применения фильтрующих элементов на основе ТРГ для очистки воды от катионов металлов.
A.V. Yakovlev, Е^. Yakovleva, S.L. Zabud’kov, A.I. Finaenov WATER PURIFICATION FROM NI (II) AND FE (II) IONS BY THERMALLY EXPANDED GRAPHITE FILTERS
The method of producing self-pressed filtered elements based on thermally expanded graphite (TEG) is offered here. Adsorption and ionexchange on cations Ni (II) and Fe (II) properties of the filters are researched in this article. Sorption capacity of the filters equals ~ 5^6 mgeqv/g for nickel-containing solutions and ~ 11^12 mgeqv/g for the solution of FeCl2. The perspectives of applying the filtered elements based on TEG for purifying water from metal cations is shown here.
Полученные ранее результаты выявили принципиальную возможность применения терморасширенного графита (ТРГ) для очистки воды от катионов металлов Ni2+ и Fe2+ [1]. Однако, ТРГ ввиду расслоения и уплотнения несвязанных частиц углеродного материала с низкой плотностью (5 г/дм3) не позволяет проводить фильтрацию растворов в стабильном режиме. В связи с этим, необходимо гранулировать ТРГ или изготавливать на его основе фильтры.
В статье представлены условия изготовления самопрессованных фильтров из терморасширенного графита и результаты их испытаний по извлечению катионов Ni2+ и
т-i 2+
Fe из водных растворов.
Фильтры из ТРГ диаметром 60 мм и толщиной 8 мм изготавливали термообработкой окисленного графита (ОГ) массой 2,3^4 г в замкнутом объеме газопроницаемой формы, обеспечивая взаимное врастание частиц ТРГ с образованием компактного пористого материала (рис. 1). Такой способ позволяет регулировать пористость углеродного материала варьированием массы ОГ с различной степенью терморасширения в форме.
Окисленный графит получали электрохимическим окислением дисперсного графитового порошка в растворах серной и азотной кислот по методике, описанной в работах [2, 3, 4].
Пористость фильтров рассчитывалась по теоретической плотности графита и определялась по формулам:
п = У„г - тпг рг ,100% . (!)
р V V/
у ПГ
ти о
ПН О =------И^0-- -100% , (2)
Н2О Р V Н2О ’ 4 '
г НО'* ПГ
где ПР и ПН2О - соответственно расчетная пористость и пористость по воде; VПг и VПНгО -
соответственно объем пенографита на воздухе и насыщенного водой; тПГ - масса пенографита в фильтре; тИ20 - масса поглощенной воды; рг, рН2О - соответственно
теоретическая плотность графита (2,23 г/см3) и пикнометрическая плотность воды.
Рис. 1. Форма для изготовления фильтрующих элементов из пенографита:
1 - перфорированные пластины из нержавеющей стали; 2 - углеродная ткань; 3 - обечайка фильтра; 4 - пенографит; 5 - шпильки
Для определения характеристик фильтров их вместе с обечайкой помещали в установку фильтрации (рис. 2).
Рис. 2. Схема установки фильтрующего элемента:
1 - труба из оргстекла; 2 - фильтруемый раствор; 3 - фторопластовая втулка; 4 - обечайка фильтра; 5 - фильтр из пенографита; 6 - уплотнительное кольцо
Представленные результаты (табл. 1) свидетельствуют о том, что с увеличением температуры терморасширения плотность пенографита снижается, но возрастают потери углерода, вызванные его взаимодействием с кислородом. Без значительного выгорания углерода и с достаточной степенью терморасширения окисленного графита (ОГ), термообработку необходимо проводить при температурах 650^750°С в течение 3-10 мин.
Таблица 1
Влияние режима термообработки ОГ на насыпную плотность ТРГ @трг) и выход по углероду (Вс) расширением в свободном объеме
и °С 600 650 700 800 900
т, мин 3 5 10 3 5 10 3 5 10 1 3 1 3
бтрг, г/дм 4,7 4,6 4,6 4,3 4,1 3,8 3,9 3,7 3,5 3,5 2,8 3,0 2,9
Вс’, % 100 100 100 100 97 92 93 83 70 83 47 61 22
*от исходной массы графита.
Экспериментально, по изменению массы углеродного материала было установлено, что полное вспенивание ОГ в форме обеспечивает нагрев при 650°С в течение 8 минут. Этот режим и применялся при изготовлении фильтрующих элементов.
Таблица 2
Характеристики самопрессованных фильтров из ТРГ с размерами 060 мм; Л = 8 мм на основе ОГ (бтрг = 3,9 г/дм3; / = 650°С; т = 8 мин)
№ образца Плотность фильтра, г/см3 ттрсг, г , г со ^ Прочность на излом, кг/см2 Пористость, %
расчетная по воде по толуолу
1 0,08 1,95 41 1,5 96,3 62,0 82,2
2 0,10 2,35 37 1,8 95,1 61,6 80,8
3 0,12 2,73 36 2,3 94,3 60,9 74,6
4 0,13 3,02 34 2,6 94,3 60,5 79,1
5 0,14 3,31 33 2,8 93,4 60,1 76,7
Таблица 3
Скорость протекания воды через фильтры из ТРГ
Номер образца (табл. 2) 1 2 3 4 5
Объем пропущенной воды, л Скорость пропускания, л/мин
1 0,125 0,087 0,083 0,025 0,025
5 0,125 0,074 0,053 0,017 0,016
10 0,114 0,051 0,039 0,012 0,011
50 0,102 0,032 0,024 0,010 0,009
Давление водяного столба, кг/см2 0,036 0,055 0,066 0,091 0,091
Как следует из табл. 2 и 3, почти двукратное изменение плотности фильтров незначительно влияет на пористость и удельную поверхность образцов. Различия в значениях пористости, определенных по воде и толуолу, указывают на гидрофобность полученных углеродных изделий и недоступности части объема пор для водных растворов. Скорость протекания воды с увеличением пористости возрастает с 0,03 до 0,13 л/мин и со временем фильтрации (50 л) постепенно снижается в 2-3 раза. Это связано с постепенным набуханием углеродного материала, а также возможным закупориванием пор микрочастицами ТРГ.
Оценка ионно-адсорбционных свойств, изготовленных из ТРГ фильтров, была проведена фильтрованием модельных никель- (начСм2+=0,254 г/л) и железосодержащих (начСБе2+=0,830 г/л) водных растворов (табл. 4). Увеличение плотности фильтра снижает скорость фильтрации раствора, и за счет увеличения времени контакта углеродного материала с загрязняющими компонентами, приводит к возрастанию степени извлечения катионов. При этом адсорбционная емкость снижается, так как в более плотных фильтрах увеличение массы углеродного материала превышает рост степени извлечения.
Таблица 4
Результаты очистки никель- и железосодержащих растворов (У=0,2 л) фильтрами из ТРГ
Извлекаемый ион Номер образца (табл. 2) Скорость фильтрации, л/мин Конечная концентрация катиона, г/л % (С), мгэкв/г
1 44 0,144 43,3 0,357
І\1і2+ 2 29 0,134 47,2 0,326
начСмі2+=0,254г/л 3 17 0,129 49,2 0,293
(ІЧіОу 4 9 0,126 50,4 0,272
5 6 0,122 52,0 0,256
1 50 0,489 41,1 1,77
Ре2+ 2 29 0,424 49,0 1,53
начСре2+=0,830г/л 3 13 0,424 49,0 1,357
(РЄОІ2) 4 8 0,379 52,8 1,320
5 8 0,371 55,3 1,239
Для фильтров с самой низкой плотностью ТРГ, а, следовательно, максимальной скоростью фильтрации в непрерывном режиме была проведена очистка тех же модельных растворов (табл. 4) объемом 2 литра (рис. 3). Соотношение концентраций катионов Скон / Снач (динамическая активность адсорбента [5]) в первоначальный момент фильтрации несколько снижается, что вызвано продолжающимся во времени процессом смачивания фильтра. Затем динамическая активность по экспоненциальному закону приближается к значению степени извлечения, порядка 14-15%. Средняя скорость фильтрации по никельсодержащему раствору составляла ~50 мл/мин, для железосодержащего ~ 40 мл/мин. По результатам проведенного эксперимента была рассчитана адсорбционная емкость фильтра из ТРГ в зависимости от времени пропускания растворов (табл. 5).
Се/ Сикх , г/л
0,4 -I-------1--------1-------1--------1--------1-------
0 10 20 30 40 50 X, мин
Рис. 3. Зависимость динамической активности адсорбента из ТРГ (фильтр 1 - табл. 2) во времени при непрерывном фильтровании модельных никельсодержащих (начСм2+=0,254
г/л)
(кривая 1) и железосодержащих (начСРе2+=0,830 г/л) (кривая 2) растворов (У=2,0 л)
Начальные значения (С) в табл. 5 коррелируют с величинами, приведенными в табл. 4. Далее со временем фильтрации адсорбционная емкость ТРГ, как по №2+, так и по Бс2+ закономерно возрастает. Экстраполяцией линейного участка зависимости (С) от обратного времени фильтрования на ось ординат (рис.4) определялись максимально возможные значения (С). Для никельсодержащих растворов такое значение составляет —5^6 мг-экв/г, а для раствора FeCl2 —11^12 мг-экв/г.
Таблица 5
Изменение адсорбционной емкости по катионам Ы12+ и Ре2+ фильтрующего элемента (№ 1, табл. 2) при непрерывном пропускании модельных растворов (рис. 3)
т, мин 4 6 8 12 20 25 30 35 40 45 50
(С)М12+, мг-экв/г 0,388 0,587 0,683 1,126 1,579 1,790 1,983 2,168 2,335 - -
(С)Ре2+ мг-экв/г 0,899 1,414 1,838 2,487 3,588 4,212 4,772 5,317 5,847 6,363 6,863
(С), мг экв/г
О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 1/т, мин’1
Рис. 4. Зависимость адсорбционной емкости ТРГ в фильтре (образец 1, табл. 2) от обратного времени фильтрования никельсодержащего (1) и железосодержащего (2) растворов (табл. 5)
В целом, по полученным результатам, можно констатировать перспективность применения ТРГ и изделий на его основе для очистки воды. Основной проблемой, препятствующей широкому применению таких фильтров в производственных условиях, является низкая механическая прочность. Для увеличения механической прочности фильтров из ТРГ необходимо введение в их состав армирующих металлических сеток, или каркаса из волокнистых, или спеченных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Применение терморасширенного графита в процессах водоочистки и водоподготовки / Е.В. Яковлева, А.В. Яковлев, А.И. Финаенов, Э.В. Финаенова // Журнал прикладной химии. 2004. № 11. С. 1833-1835.
2. Анодный синтез терморасширяющихся соединений графита в азотной кислоте / А.В. Яковлев, А.И. Финаенов, Е.В. Яковлева, С.Л. Забудьков // Вестник СГТУ. 2003. № 1. С.113-120.
3. Яковлева Е.В. Электрохимический синтез терморасширяющихся соединений графита в азотнокислом электролите / Е.В. Яковлева, А.В. Яковлев, А.И. Финаенов // Журнал прикладной химии. 2002. № 10. С. 1632-1638.
4. Яковлев А.В. Электрохимический синтез соединений внедрения графита с азотной кислотой для получения пенографита / А.В. Яковлев, А.И. Финаенов // Журнал прикладной химии. 1999. № 1. С. 88-91.
5. Стась Н.Ф. Модифицирование активных углей пропиткой водно-спиртовыми растворами хемосорбентов / Н.Ф. Стась, Ф.Г. Рудко // Журнал прикладной химии. 1989. № 5. С. 958-961.
Яковлев Андрей Васильевич -
кандидат технических наук,
докторант кафедры «Технология электрохимических производств», доцент кафедры «Физическая и органическая химия»
Энгельсского технологического института (филиала)
Саратовского государственного технического университета
Яковлева Елена Владимировна -
кандидат химических наук, научный сотрудник ЗАО «УНИХИМТЕК», г. Москва
Забудьков Сергей Леонидович -
аспирант кафедры «Технология электрохимических производств»
Энгельсского технологического института (филиала)
Саратовского государственного технического университета
Финаенов Александр Иванович -
доктор технических наук,
профессор кафедры «Технология электрохимических производств»
Энгельсского технологического института (филиала)
Саратовского государственного технического университета
