CC BY
0
JA UNIVERSUM:
№2(131)_¿Л ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2025 г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ СИНТЕЗИРОВАННЫХ АЛЮМООКСИДНЫХ АДСОРБЕНТОВ
Рахимжонов Бекмуроджон Бахтиёржон угли
доцент
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Таджиева Гулмира Абдувалиевна
доцент,
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Холов Илхом Абдукаюмович
доцент
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]
Абдукаримова Саида Абдужалиловна
доцент
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Таджиева Шахноза Абдувалиевна
доцент
Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Назарбеков Махмудбек Косимбекович
доцент
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Собуров Жамшидбек Яхшимурод угли
магистрант,
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
DETERMINATION OF ADSORPTION PROPERTIES OF SYNTHESISED ALUMINIUM OXIDE ADSORBENTS
Bekmurodzhon Rakhimzhanov
Associate Professor,
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Gulmira Tadjieva
Associate professor,
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ СИНТЕЗИРОВАННЫХ АЛЮМООКСИДНЫХ АДСОРБЕНТОВ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Рахимжонов Б.Б. [и др.]. 2025. 2(131). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19288
Ilkhom Kholov
Associate professor,
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Saida Abdukarimova
Associate Professor,
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Shaxnoza Tadjieva
Associate professor, Tashkent Chemical-Technological Institute, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Makhmudbek Nazarbekov
Associate professor,
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Jamshid Saburov
Master,
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В данной работе исследуются адсорбционные свойства синтезированных алюмооксидных адсорбентов, предназначенных для использования в качестве катализаторов. Оценивались такие параметры, как удельная поверхность, пористость, прочность на раздавливание и ёмкость адсорбции различных веществ. Результаты показали, что алюмооксидные адсорбенты с высокими показателями удельной поверхности и оптимальными структурными характеристиками обладают лучшими адсорбционными свойствами и могут быть использованы для эффективного катализирования химических реакций в нефтегазовой отрасли, таких как гидроочистка углеводородов и изомеризация. Работа подтверждает важность выбора адсорбентов с подходящими характеристиками для различных катализаторных приложений и демонстрирует их потенциал для разработки экологически безопасных и экономически эффективных технологий.
ABSTRACT
In this paper, the adsorption properties of synthesized alumina adsorbents intended for use as catalysts are investigated. Such parameters as specific surface area, porosity, crushing strength and adsorption capacity of various substances were estimated. The results showed that alumina adsorbents with high specific surface area and optimal structural characteristics have better adsorption properties and can be used for efficient catalysis of chemical reactions in the oil and gas industry, such as hydrocarbon hydrotreating and isomerization. The work confirms the importance of selecting adsorbents with suitable characteristics for various catalytic applications and demonstrates their potential for developing environmentally friendly and cost-effective technologies.
Ключевые слова: алюмооксидные адсорбенты, соляной кислоты, модифицированных адсорбент, аммиак, синтез.
Keywords: alumina adsorbents, hydrochloric acid, modified adsorbents, ammonia, synthesis
Введение
Переработка природного газа и нефти в товарные продукты с высокой добавленной стоимостью, которая занимает одно из ведущих мест в экономике Республики Узбекистан, невозможна без применения большого количества адсорбентов и катализаторов. Алюмооксидные материалы занимают важное место в сфере катализаторов благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, таким как высокая поверхность, пористость и способность к химической модификации. Они находят широкое
применение в различных областях, включая нефтехимию, производство химических соединений, очистку от загрязняющих веществ и другие высокотехнологичные процессы. Особое внимание уделяется алюмооксидным адсорбентам, которые используются в качестве носителей для активных катализаторов, благодаря их способности эффективно адсорбировать молекулы реагентов, ускоряя химические реакции.
Адсорбция играет ключевую роль в процессах катализирования, так как от степени адсорбции за-
висит активность катализатора и эффективность реакции. Поэтому важно тщательно изучать адсорбционные свойства синтезированных алюмооксидных материалов, которые могут быть использованы в качестве катализаторов или их носителей. Алюмоок-сидные адсорбенты, благодаря своей стабильности, пористой структуре и возможности регулирования химических и физических характеристик, являются отличными кандидатами для создания эффективных катализаторов.
Приготовления алюминий содержащих растворов из различных отработанных адсорбентов Цель исследования заключается в определении адсорбционных свойств синтезированных алюмоок-сидных материалов, а также в исследовании их взаимодействия с молекулами реагентов в контексте использования в качестве катализаторов. В работе рассматриваются методы, позволяющие оценить пористость, площадь поверхности, ёмкость адсорбции и другие ключевые параметры, которые влияют на их каталитическую активность.
В настоящем исследовании мы рассмотрели осаждения гидроксида алюминия из растворов сульфатов алюминия по технологии ориентированной на получение псевдобемита, все входящие в состав этих растворов соли алюминия (сульфаты и хлориды) присутствуют в гидролизованном состоянии, в форме комплексных ионов типа [А1(Н20)5(0И)]2+ и [А1(Н20)4(0И)]+, По мере увеличения рН реакционной смеси, в результате добавления амми-ака(МН3) образуется нейтральный комплекс
февраль, 2025 г.
[А1(И20)з(0И)з], который теряя воду из координационной сферы, превращается в трудно растворимое соединение [1].
Исследованием было получено псевдобемитной модификации моногидроксида алюминия. Исходя из анализа и с учетом специфики приготовленных растворов, были выбраны следующие параметры процесса осаждения сульфатсодержащих систем:
• - рН поддерживали в пределах 7.3-7.9,
• - температура 23-30оС,
• - продолжительность созревания в маточном растворе 18-20 часов. Продолжительность процесса осаждения гидроксида алюминия определялась временем, требуемым для достижения рН = 7.8 и поддержании его на должном уровне порционным введением 25 % раствора аммиака.
Соотношение аморфной фазы гидроксида алюминия псевдобемитной модификации ориентировочно оценивалось по форме рефлексов, а также соотношению полуширины и высоты линий в ди-фрактограммах. О преимущественном образовании кристаллического бемита свидетельствовали более узкие рефлексы с теми же межплоскостными расстояниями. Примеси тригидроксидов алюминия проявлялись в виде узких линий байерита и гиббсита. На всех дифрактограммах серии ГОА были едва заметны малоинтенсивные линии от кристаллических фаз А]4Б04(0И)1о-5И20 и/или А14804(0И)ш36И20.
Согласно данным рентгенофазового анализа, осаждение ГОА сливанием
А12(Б04)э-хИ20 + 61ЧИ40Н ^2АЮОН+ 3^4)2804 + (2+Х)И20 (3.1)
А12(Б04)э-хИ20 + 61ЧИ40Н ^2А1(ОН)э+ 3(^4)2804 + Х^0 (3.2)
АШ2(804)7-24И20+ 14КШОН ^4АЮОН+ 7^4)2804 + 30^0 (3.3)
А1С1э-6И20 +3]Ж40Н ^2АЮОН+ ЗМЩО + 7И20 (3.4)
На основе гидроксидов алюминия, были пепти-зироватны 3 и 6 % раствором азотной кислоты, в зависимости от содержания примеси байерита, который не поддается формовке экструзией, были получены гранулы. После их термообработки, сопровождающейся дегидратацией гидроксидов алюминия в гамма-оксид алюминия получены адсорбенты.
Исследование адсорбционных и каталитических свойств адсорбентов. Алюмооксидные адсорбенты механически прочны, их пористая структура обеспечивает достаточно быстрый массоперенос
сорбита в слое адсорбента, а твердый каркас обладает хорошей теплопроводностью. Основным их недостатком является невысокая сорбционная емкость паров воды, по сравнению с адсорбентами типа си-ликагеля и цеолитов.
Перед определением физико-химических и адсорбционных характеристик гранулы, сформованные из свежих гидроксидов алюминия, пептизированных 3 % азотной кислотой, прокаливали при 450 оС (таблица 1).
Таблица 1.
Характеристики адсорбентов, полученных осаждением аммиаком продуктов кислотного растворения
алюмооксидных отходов
Адсорбция; г/100 г
н я ё * Статическая Динамическая
Шифр адсорбента Sуд; м2/г а & ч г/ о м а а а Н2О НС1+ Н2О НС1 НС1+ Н2О HF+ Н2О С2С14
ОА 1-8-Ш 234 2.7 18.2 20.3 14.6 17.6 3.7 6.8
Адсорбция; г/100 г
н я Статическая Динамическая
Шифр адсорбента Sуд; м2/г — — н г/ «г О м а а а Н2О НС1+ Н2О НС1 НС1+ Н2О нр+ Н2О С2С14
ОА 1^-4№* 197 2.8 14.4 19.8 7.9 16.5 2.5 6.6
ОА 2^-1-№=* 290 1.1 20.4 Разрушились Не определяли
ОА 246 2.3 18.8 20.4 14.9 18.3 3.3 6.9
ОА 255 2.9 19.2 21.7 15.5 17.8 4.1 7.2
ОА 1-N-N 173 1.9 12.7 11.8 10.4 Не определяли
ОА 2-^ 137 3.1 9.8 11.4 5.7 Не определяли
ОА 3-N-N 125 2.9 9.4 Не опр. 6.1 Не определяли
ОА 4-N-N 166 3.5 13.2 Не опр. 7.7 Не определяли
ОА 6-^ 330 3.3 23.3 23.7 16.4 21.1 5.0 15.2
ОА 2-S-1-N**- N 320 3.4 21.5 22.6 15.8 18.8 5.0 15.4
ОА 2^-5^ N 335 3.6 23.5 23.3 16.7 19.9 5.3 15.5
Процесс адсорбции прекращали, либо при отсутствии прироста массы адсорбента, либо после явного видимого разрушения исследуемых гранул или их размокания, вследствие формирования гигроскопичных новообразований, интенсивно поглощающих пары воды (в частности, из паров соляной кислоты).
С целью усовершенствования текстуры адсорбентов, то есть увеличения доли крупных пор, в состав ряда формовочных масс на основе следующих гидроксидов алюминия: промышленного ГОА-Р, ГОА1^-Ш, ГОАЬ^К ГОА6^-К ГОА1-S-4N,
ГОА2-S-8-N, ГОА2-S-5N дополнительно вводили раствор модификатора из расчета 5 % Na2O в готовых образцах [2-4]. Переосажденный гидроксид алюминия ГОА2-S-5N-N представлял собой уже слабо окристаллизованный псевдобемит, специфическая морфология которого хорошо видна при большом увеличении с помощью растрового электронного микроскопа (рис. 1), тогда как до осуществления переосаждения гроздевидные образования ГОА2-S-5N были нетак четко выражены.
Рисунок 1. Электронные изображения образцов гидроксида алюминия ГОА2-S-5N-N (слева А) и ГОА2-S-5N
(справа Б)
При адсорбции насыщенных паров воды форма адсорбционных кривых образцов на основе гидрок-сидов ГОА1-Ы-Ы и ГОА1-S-4N свидетельствовала о достижении полного насыщения, а для всех остальных изученных образцов начинала выходить на плато. Наибольшая крутизна кривой наблюдалась в случае модифицированных адсорбентов
на основе ГОА2^-5№Ы и ГОА6-Ы-К Затем процесс адсорбции все больше и больше замедлялся, образующимися в ходе хемосорбции хлоридом натрия и хлоридами алюминия.
Рисунок 2. Влияние предыстории получения гидроксидов алюминия на характер хемосорбции паров
соляной кислоты алюмооксидными адсорбентами
Определение общего объема пор пикнометриче-ским методом по бензолу (в котором указанные продукты нерастворимы) выявило их уменьшение с 0.50.65 см3/г до 0.1-0.2 см3/г. Начальные участки адсорбционных кривых паров соляной кислоты, как правило, были несколько выше, по сравнению с наблюдаемыми при раздельной адсорбции воды и HCl на тех же самых образцах. Через 2-4 суток для всех кривых было характерно постепенное изменение формы. Плато, если и наблюдалось, то слабо выраженное, так как масса образцов непрерывно увеличивалась (Рис. 2).
Среди адсорбентов, полученных на основе гид-роксидов алюминия, синтезированных переработкой техногенных отходов максимальная адсорбционная емкость, как по парам соляной кислоты, так и безводного хлористого водорода, была зафиксирована для образцов ОА2-Б-8-^ ОА2-Б-5№^ и ОАб-N-N, а минимальная для ОА1-№-М Таким образом, было достигнуто увеличение общего объема пор с 0.49 до 0.7-0.8 г/см3, при одновременном улучшении прочностных характеристик. Однако, модифицирование по указанной технологии смешения модификатора с основным веществом адсорбента перед операцией формования, сопровождалось формированием фазы байерита, особенно при увеличении концентрации модификатора. Результаты щелочного модифицирования формовочной массы гидроксида алюминия в Z-образном смесителе, как промышленного, так и полученных
переработкой техногенных отходов, отличались от описанного [5-8].
В целом величина удельной поверхности уменьшалась в большей степени, чем при реализации технологии пропитки. С ростом содержания №20 выше 6-7 % в модифицированных образцах наблюдалось постепенное увеличение среднего радиуса пор на фоне уменьшения суммарного объема пор. Прочность полученных гранул также проходила через максимум, то есть сначала возрастала по мере увеличения содержания модификатора, а затем начинала ухудшаться. Отличием от модифицирования пропиткой терм обработанных гранул оксида алюминия, является равномерное распределение №20 по объему адсорбента, подтвержденное методом СЭМ и зондированием с помощью кислотно-основных индикаторов. В адсорбентах модифицированных методом пропитки гранул, импортных и синтезированных нами оксидов алюминия, обнаружено однозначное уменьшение количества №20 при перемещении от периферии к центру, причем независимо от концентрации пропиточного раствора.
Результаты определения адсорбционной динамической емкости адсорбентов серий ОА NN и ОА 8-М, полученных с применением техногенных отходов, при поглощении воды и некоторых других веществ, требующих удаления из технологических газов, представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Физико-химические и адсорбционные свойства образцов (Т прок. 550 оС, температура адсорбции
26-30оС)
Шифр образцов ■ ^ ; е л; « ^ § 1 I 1 ^ В & Удельная поверхность, м2 /г Адсорбционная емкость образцов до «проскока»; г/100г
м а аз н еь В 2 ю и О Н2О Н2О от+ШО С2С14
ОА 3.2х5 0.31 197 14.1 16.5 2.5 6.6
3.2х5 0.42 246 17.9 18.3 3.3 6.9
3.2х5 0.27 78 9.5 9.8 0.8 1.7
ОА 3.2х5 0.60 255 20.4 17.8 4.1 7.2
3.2х5 0.54 328 22.8 21.1 5.0 15.2
ОА 1^-Ш 3.2х5 0.48 234 18.0 17.6 3.7 6.8
3.2х5 0.56 337 19.3 19.9 5.3 15.5
ОАБ-Р 3.2х5 0.55 263 21.8 17.9 4.0 13.7
АКБ 3.2х5 0.54 210 17.5 25,8 - 2.2
АД 3.2-3.3 0.58 303 26.0 15.4 3.8 14.9
Текстура особенно важна при контакте адсорбентов с газовыми потоками, перемещающимися с высокими объемными скоростями, поскольку скорость процесса в пористом теле определяется соотношением скоростей адсорбции (реакции) и массопереноса. Поэтому в таблице 2 приведены результаты испытания ряда адсорбентов, резко отличающиеся по своей текстуре. Из сравнения адсорбционных свойств, приготовленных адсорбентов, прокаленных перед адсорбционными исследованиями при 550оС, представленных в таблице 2, прослеживаются следующие закономерности: 1) адсорбция из насыщенных паров воды, также как и тетрахлорэтилена, хорошо коррелирует с величиной удельной поверхности и в меньшей степени зависит от изменения суммарного объема; 2) адсорбция из насыщенных паров воды (при условии близких значений удельной поверхности) возрастает пропорционально содержанию щелочного модификатора; 3) указанная зависимость менее четко соблюдается при адсорбции насыщенных паров хлористоводородной и фтористоводородной кислот, и неоднозначно в случае поглощения менее полярных, по сравнению с галогенводород-ными кислотами, молекул тетрахлорэтилена.
Сравнение данных по адсорбции насыщенных паров соляной кислоты, приведенных в таблице 1, но термообработанных при меньшей температуре, чем те же образцы в таблице 2, подтверждает сделанное ранее заключение об ослаблении хемосорб-ционных процессов с участием соединений алюминия при температуре прокаливания адсорбентов, превышающей температуру дегидратации бай-ерита и бемита. Например, уменьшение удельной поверхности не модифицированного соединениями натрия адсорбента ОА6-№Ы при повышении температуры прокаливания с 450 до 550оС всего на 0.6 % масс, привело к снижению адсорбционной емкости на 7 %.
По мере увеличения концентрации соединений галогенов в растворе возрастала и степень их извлечения. Причем количество хлорида натрия, адсорбированное низкотемпературным адсорбентом ГОА 2-S-8N -200о, явно опережало количество поглощенного фторида натрия, тогда как степени поглощения обеих солей высокотемпературным адсорбентом были близки. С дальнейшим увеличением концентрации натриевых солей галогенов в растворе кривые практически выходили на плато. Сравнение изотерм адсорбции для образцов ГОА ГОА 2-S-8N -200о и ГОА 2-S-8N -600о показывает, что изотермы адсорбции низкотемпературных образцов расположены выше, чем высокотемпературных. Отсюда следует большее сродство моногидроксида алюминия к солям галогенов №0 и NaF, чем оксида алюминия, а также принципиальная возможность применения адсорбентов, полученных переработкой техногенных отходов для решения проблем экологии водных источников.
Заключение
Проведенные исследования позволяют заключить, что определена химического состава продуктов растворения, отработанных алюмооксидных адсорбентов в кислотах, и фазового состава гидрок-сидов алюминия, синтезированных на их основе, определены интервалы рН реакционной смеси, необходимые для осаждения AЮOH и формирования порошков псевдобемита. Осуществлена первичная оценка адсорбционных свойств алюмооксидных адсорбентов, синтезированных на основе импортных и полученных из техногенных отходов гидроксидов алюминия. Определены алюмооксидные образцы, перспективные в качестве адсорбентов-осушителей.
№ 2(131)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
■ 7universum.com
февраль, 2025 г.
Список литературы:
1. НасуллаевХ.А. Изучение сорбционных характеристик алюмооксидных адсорбентов, модификацированных ще-лочами./Х.А Насуллаев, Ш.Т Гуломов, Д.Г Курбанова, Р.М Боймонов, Б.Б Рахимжонов.// Сборник научных трудов Международной конференции ч.2 «Наука и инновации» Центр передовых технологий.-2020.-С.87-88.
2. Курзина И.А. Разработка энергосберегающих технологий осушения сжатого воздуха в процессе компримирова-ния и подготовки для использования в промышленности и на транспорте. /И.А Курзина, Е.П. Мещеряков.// Вестник Томского государственного университета. Химия. -2017.- № 9, -С. 80-82. DOI 10.17223/24135542/9/8.
3. Tadjiyeva G.A., Badriddinova F.M., Tursunov M.A., Kadirov H.I., Cherkasova E.I. Development of asphalt-resin-paraffin deposits solvent. //Technical science and innovation the science journal. 2021.-№4. - Р. 4-10 (02.00.00. №11)
4. 4 Xolov I.A., Turabdjanov S.M., Iskenderov A.M., Erkaev A.U., Toirov Z.K.. Study of the Rheological Properties of the Suspension Formed during the Obtaining of Calcium Peroxide // UNIVERSUM: CHEMISTRY AND BIOLOGY. Issue: 10(88) October 2021, Part 2 (02.00.00, No. 1)
5. Xolov I.A., Iskenderov A.M., Erkaev A.U., Turdiqulov T.N. Obtaining calcium peroxide at a reduced molar ratio of the initial reagents // ISSN:2181-1458 Scientific Bulletin of Namangan State University, 2022, part 6., 91-98 p.
6. Bleta R. et al. An efficient route to aqueous phase synthesis of nanocrystalline y-Al2O3 with high porosity: From stable boehmite colloids to large pore mesoporous alumina. // J.Colloid Interface Sci. -2012. -V.367. -№1. -P. 120-128.
7. Б.Д. Мустафаев, Д.П. Турдиева, Д.Г. Курбанова, Б.Б. Рахимжонов, Н.Ф.Исаева, Ш.Г.Сатарова. Влияние прекурсора оксида алюминия на процесс формирования алюминатов натрия в составе адсорбента.//Илм-фан ва иннова-цион ривожланиш. 2020, №5. С. 124-134.
8. M.P. Yunusov, Kh.A. Nasullaev, Sh.T. Gulomov, N.F. Isaeva, B.D.Mustafaev, B.B.Rakhimjanov, R.G.Khodjiev. Analysis of the results of experimental sorbent for chloride compounds removal. // Chemical problems.-2020. -No 3(18), -
P. 366-375.
