CC BY
41
- © И.Х. Хизрисва, З.М. Алиев,
Т.Д. Харламова, Ю.В. Семенов, 2012
УДК 543.54; 504.4.064.3
И.Х. Хизриева, З.М. Алиев, Т.А. Харламова, Ю.В. Семенов
ПРИМЕНЕНИЕ КОЛЛОИДНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Разработан способ получения золя кремниевой кислоты с применением кислого анолита, полученного электрохимической обработкой питьевой воды. Показано его высокая сорбционная способность по отношению к токсичным элементам жидких сред. Синтезированный золь апробирован на промышленных образцах с положительными результатами.
Ключевые слова: коллоидный кремнезоль, мицеллярная структура, мицеллы.
Коллоидный кремнезоль находит широкое применение при производстве керамики, композиционных и лакокрасочных материалов, буровых растворов, стекол и коагулянтов при очистке воды [1].
В патенте [2] приведены данные по деметаллизации жидких пищевых сред с использованием коллоидного крем-незоля.
В нашей предыдущей публикации [3] приведены данные по изучению физико-химических свойств кремне-золя и его мицеллярной структуры, включающее определение размера образующихся коллоидных частиц.
Настоящая работа является продолжением этих исследований, направленных на решение экологических задач с помощью коллоидного кремнезоля.
Коллоидный кремнезоль получали методом нейтрализации силиката натрия (На2БЮ3-9Н20), однако вместо кислоты использовали кислый анолит, получаемый электролизом питьевой воды с общей минерализацией 600 мг/л, что снижает общую себестоимость золя. рН анолита после прохождения через него 0,1 А.ч/л электри-
чества снижалось до 3,0 - 3,2. Кислый анолит добавляли в предварительно профильтрованный раствор силиката натрия до значения рН 8,0—8,3.
В полученном кремнезоле определяли по известным методикам [4, 5]] следующие физико-химические характеристики: концентрации оксидов натрия и кремния (методом титрования), средний радиус коллоидных частиц золя (турбидиметрическим методом), динамическую вязкость (вискозиметрией) и значение рН с помощью иономера И-120.2 (табл. 1).
Анализируя строение мицеллы золя диоксида кремния в металлсодержащих растворах, можно заключить, что коллоидная частица БЮ2 имеет отрицательный заряд, а противоионы Ме+2, образующие двойной электрический слой — положительный (рис. 1).
Механизм взаимодействия ионов металлов с кремнезолем основан на электростатическом притяжении ядром катионов адсорбтива адсорбционного слоя мицеллы. Очистка от катионов металлов в данном случае будет возможна, если они как противо-ионы будут входить в состав частицы
Схематическое строение фрагмента мицеллы силикатного коллоидного золя в металлсодержащем растворе
гидратированного золя кремнекис-лоты, и при отделении его от раствора будут извлекаться вместе с ним.
По результатам экспериментальных данных следует, что коллоидная система достаточно однородна и может быть применена в качестве сорбента-коагулянта для удаления ионов металлов из жидких сред. Поэтому в дальнейшем были изучены сорбцион-ные свойства кремнезоля с физико-химическими показателями, указанными в табл. 1 для деметализации коньячной продукции с целью исключения кристаллических помутнений и повышения устойчивости продукции, так как содержание ионов металлов, в частности, кальция выше 5 мг/л и железа выше 1,5 мг/л является одной из причин коллоидных помутнений. Содержание катионов меди при производстве напитков также регламентируется нормативными документами. Поэтому к химическому составу воды, используемой для производства, предъявляются более высокие требования, чем к питьевой воде, чтобы исключить попадание нежелательных примесных ионов. Предельные концентрации в технологической воде для катионов кальция составляют 2—4 мг/л, а катионов железа — 0,3 мг/л.
В связи с этим была проведена серия опытов по удалению из модель-
ной технологической воды указанных катионов при их совместном присутствии с использованием 2 %-ного раствора кремнезоля. Результаты, полученные с применением статистической обработки данных, приведены в табл. 2.
Из таблицы видно, что кремнезоль обладает достаточными сорбционны-ми свойствами и может снизить содержание катионов металлов до предельных значений в модельной технологической воде.
Как показали дальнейшие эксперименты концентрация кремнезоля и продолжительность сорбции оказывают существенное влияние на эффективность извлечения катионов металлов. При повышении концентрации кремнезоля и увеличении времени сорбции степень извлечения ионов возрастает (см. табл. 3), что находится в соответствии с изотермой сорбции Гиббса.
Оптимальной температурой для деметаллизации технологической воды, как показали эксперименты, является температура не выше 40 0С (т = =2 мин):
• температура, 0С 20 30 40 50
концентрация катионов
• железа, мг/л 4,2 3,5 <0,2 26,6
Повышение сорбционной эффективности кремнезоля с ростом температуры до 40 0С вероятно связано с усилением процесса гидролиза солей при повышении температуры. Однако, при дальнейшем повышении температуры скорость гидролиза солей замедляется и кроме того происходит быстрое «заваривание» силикатного золя из-за преодоления температурного порога коагуляции [6].
В дальнейшем важно было определить сорбционные свойства кремне-золя по отношению к образцам коньячной продукции, содержащих катионы металлов. Предварительными экс-
Таблица 1
Физико-химические показатели кремиезоля
Характеристики Численные значения характеристик
Концентрация №20, % Концентрация БЮ2, % Размер частиц дисперсной фазы, нм Динамическая вязкость, Па-с рН 23,25 76,69 100—250 0,94-10-3 8,0—8,3
вязкость определяли при 350С.
Таблица 2
Сиижеиие содержаиия катиоиов металлов в модельиой техиологической воде кремиезолем
№ серии опытов Концентрация катионов металлов , мг/л
Необработанная вода Вода после добавления кремнезоля
Са+2 Ре3 Са+2 Ре+3
1 20 10 3,2 0,25
2 10 10 1,9 0,21
3 10 5 1,5 н/обн.
4 5 5 <1,0 н/обн.
Таблица 3
Влияиие коицеитрации кремиезоля и времеии сорбции (т) иа степеиь извлечеиия катиоиов металлов
Концентрация Степень извлечения катионов металлов %
кремнезоля, % Си + 2 • Ре+3 "
т = 2 мин т = 18 ч т = 2 мин т= 18 ч
2 35,0 65,4 17,1 28,2
4 59,6 100 93,3 96,7
* исходная концентрация катионов меди 3,7 мг/л; леза 61,0 мг/л *исходная концентрация катионов же-
Таблица 4
Влияиие объемиого соотиошеиия коиьяка и кремиезоля иа остаточиую коицеитрацию иоиов кальция (т= 18 ч)
200 200 200 200
5 10 20 30
Са 2+ ,мг/л 14,4 8,2 3,8 2,1
V — объем разливного коньяка, мл, У2 — объем 2 %-ного раствора кремнезоля, мл
периментами было определено оптимальное соотношение объемов коньячной продукции (на примере разливного коньяка) и кремнезоля, которое составило 10:1, о чем свидетельствуют данные табл. 4.
В табл. 5 приведены данные по сорбции кальция из разливного коньяка при дозировке кремнезоля 20 мл
2 %-ного раствора на 200 мл коньяка, полученные двумя независимыми методами анализа.
Следующим этапом исследований было определение сорбционной способности кремнезоля по отношению к катионам свинца, кадмия и железа в пробах разливного коньяка. Результаты исследований представлены в табл. 6.
Таблица 6
Сорбция катионов металлов кремнезолем из розливного коньяка
Коньячная продукция - коньяк разливной Содержание кальция мг/л
Спектрофотометрический анализ Атомно-адсорбционный анализ
До обработки кремнезолем После обработки кремнезолем 8,34±0,08 3,78±0,03 8,34±0,3 3,8±0,1
Вид катиона С * ^нач. С ** ^кон. Степень очистки, % ПДК, мг/л
Cd+2 0,15 0,01 93,3 0,03
Fe+3 18,6 0,30 98,4 0,3
Pb+2 0,318 0,042 86 0,3
Pb+2 0,418 0,068 85
Pb+2 0,617 0,068 89
Pb+2 0,718 0,070 89
Pb+2 0,920 0,072 92
Снач. — начальная концентрация катионов; Скон. — конечная концентрация катионов
Анализ табличных данных свидетельствует о том, что при обработке розливного коньяка кремнезолем содержание катионов свинца, кадмия и железа можно снизить до предельно допустимых концентраций при их содержании в продукции, превышающее ПДК более, чем в 3 раза.
Синтезированный нами кремнезоль прошел опытную проверку на ООО
1. Фролов Ю.Г. Получение и применение гидрозолей кремнезема. — М.: МХТИ, 1979. — Вып.107. — 65 с.
2. Пат. № 2272833 России МПК7 С01 В 33/12; В01 G 2/08 Способ осветления и стабилизации виноматериалов/Алиев З.М., Хиз-риева И.Х., Харламова Т.А., опубл. 27.03.06.
3. Хизриева И.Х., Алиев З.М., Семенов Ю.Б., Харламова Т.А, Малофеева Л.С. Использование коллоидного диоксида кремния для повышения качества жидких пищевык сред. Естественные и технические науки. — 2008. — №5. — с.34 - 39.
4. Шабанова H.A., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперсного
«Дагвино» на коньячной продукции с положительными результатами.
Следовательно, обработка образцов кремнезолем позволяет улучшить экологические показатели коньячной продукции, повысить ее устойчивость и снизить вероятность появления кристаллических помутнений за счет снижения концентрации токсичных металлов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
кремнезема. — М.: ИКЦ «Академкнига»,
2004. — 208 с.
5. Семенов Ю.В. Лабораторный практикум по курсу: «Коллоидная химия» для студентов 2-го курса специальности «Инженерная защита окружающей среды». Московский государственный горный университет,
2005. — 49 с.
6. Ёыгач В.Н. и др. Исследование и выявление оптимальных параметров кислотного разложения нефелинсодержащего сырья с целью получения гидрогелевых составов для изоляции буровых скважин и обезвреживания жидких отходов. — ГИАБ, 2004. — № 3. — 337 с. 52Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Хизриева И.Х., Алиев З.М. — Дагестанский государственный университет,
Харламова Т.А., Семенов Ю.В. — Московский государственный горный университет,
