Химия. Эконология. Биотехнология

чие активных центров методом температурно-программируе- мого восстановления (ТПВ), основанного на десорбции водяного пара с кислородных центров смеси в результате взаимодействия оксидов металлов и газа водорода при различных температурах. По объему десорбированной воды судили о количестве активных центров в смеси MnO2–CuO, результаты сравнивали с гопкалитом.

Установили, что образцы активных смесей MnO2–CuO по количеству активных центров не уступают катализатору гопкалиту, в состав которого входит MnO2, образованный в результате электрохимического осаждения.

Однако замечено, что гопкалит обладает активными центрами поверхностного и внутреннего типа, о чем свидетельствуют наличие двух и более пиков на диаграмме ТПВ – температура, а в смесях MnO2–CuO, осажденных из солей металлов, в основном преобладают поверхностные активные центры.

УДК 544.034

Н.С. Оглезнев, В.В. Вольхин, Д.А. Казаков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЦ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ НА МАССОПЕРЕНОС ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В СИСТЕМЕ ГАЗ – ЖИДКОСТЬ

Хорошо известно, что диоксид углерода является одним из основных парниковых газов, поэтому проблема его рациональной утилизации заслуживает самого пристального внимания. Существующие в настоящее время технологии химического и биохимического поглощения диоксида углерода осуществляют-

121

elib.pstu.ru

ся в гетерогенных системах типа газ – жидкость, где лимитирующей стадией обычно оказывается транспорт газа через границу раздела фаз и процесс в целом протекает в диффузионной области. Повышение его скорости может быть достигнуто за счет интенсификации массопереноса.

Традиционные способы повышения интенсивности массопереноса, основанные на барботаже и усиленном перемешивании потоков жидкости и газа, достаточно энергозатратны, поэтому актуальной задачей является разработка новых подходов к интенсификации межфазного транспорта.

Одним из перспективных способов повышения скорости массопереноса в системах газ – жидкость является применение активаторов межфазного транспорта (АМТ) – тонкодисперсных твердых веществ, усиливающих массоперенос через поверхность раздела фаз.

На основе имеющихся литературных данных в качестве АМТ были выбраны активированные угли (АУ), для которых наблюдается выраженный положительный эффект при активации массопереноса кислорода. Однако эти результаты нельзя однозначно переносить на массоперенос диоксида углерода. К тому же существенное различие свойств различных марок АУ создает необходимость дополнительного изучения влияния фи- зико-химических характеристик на массообменные процессы.

В представленной работе было изучено влияние текстурных характеристик АУ на коэффициент усиления массопереноса (Е) диоксида углерода в системе газ – жидкость.

Изучение абсорбции СО2 проводилось в реакторе объемом 100 мл при постоянном давлении и температуре (25 °C), концентрация АМТ составляла 1 г/л. В качестве АМТ были рассмотрены 3 марки АУ (АГ-3, КАУСОРБ и БАУ-А). Определены следующие показатели: удельная поверхность S, м2/г, удельный свободный объем V, см3/г, а также распределение пор по размерам в процентах от объема. Основные результаты эксперимента представлены в таблице.

122

elib.pstu.ru

Влияние текстурных характеристик частиц АУ на коэффициент усиления массопереноса

Результаты, представленные в таблице, показывают, что наибольшим коэффициентом усиления массопереноса СО2 в жидкую фазу обладает АУ марки АГ-3 (E = 1,53). Для АУ марки КАУСОРБ значение коэффициента E составило 1,18. АУ этих марок обладают более развитым объемом мезопор и высокими значениями удельной поверхности. Частицы АУ марки БАУ-А практически не влияют на коэффициент массопереноса, что может быть связано с относительно невысокой удельной поверхностью и малым объемом мезо- и микропор.

УДК 579.26

Д.А. Попов, О.И. Бахирева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

УДАЛЕНИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ БИОСОРБЦИИ

Проблема загрязнения почвы и воды тяжелыми металлами, такими как медь, цинк, кадмий, свинец, ртуть, ничуть не менее актуальна, чем, например, выбросы нефтепродуктов, пестици-

123

elib.pstu.ru

дов и прочих органических вредных веществ. И особенно эта проблема остра в России – стране, богатой полезными ископаемыми, имеющей развитое цветное металлургическое (плавильное, электрохимическое, гидрометаллургическое) производство.

Известная особенность цветной металлургии – отсутствие сырья, из которого можно легко и быстро выделить один-два нужных продукта. Руды, используемые для получения меди, цинка, олова, свинца, алюминия, никогда не бывают чистыми – в них может содержаться до 30–40 компонентов, от необходимых металлов с массовой долей 1–2 % до примесей с долей от 0,005 % (молибден, вольфрам, галлий, индий и т.д.).

Это изобилие порождает большую проблему – загрязнение множеством отходов. И действительно, результаты некоторых исследований поражают: в отходах металлургических предприятий обнаруживают до 25 различных компонентов-загрязни- телей. Простая фильтрация не всегда способна справиться с такими огромными объемами, а химическое осаждение и связывание не может помочь в случае многокомпонентных загрязнений – компоненты имеют большие отличия в свойствах (например, гидроксид кадмия начинает осаждаться из раствора при рН, равном 8,2, гидроксид цинка – при 7,1, а алюминия – при 4,0). Поэтому был выбран другой способ – биотехнологический, а именно биосорбция.

Задачей исследования является рассмотрение возможности совместного поглощения ионов цинка, меди, кадмия, никеля и свинца. Эти ионы выбраны из-за своей широкой распространенности и свойства многократно усиливать свою токсичность при одновременном присутствии.

Известна культура микроорганизмов для сорбции ионов кадмия и цинка, она выбрана в качестве объекта исследования. Проведен дискодиффузионный анализ, который показал, что микроорганизмы хорошо устойчивы к ионам меди и свинца (диаметры зон отчуждения по 9 мм) и умеренно устойчивы к ионам кадмия, цинка и никеля (15, 13, 13 мм соответственно). Более подробное изучение бактерий показало, что они являются

124

elib.pstu.ru

грамотрицательными изогнутыми палочками с утолщениями по концам и перетяжками по середине.

Поглощение ионов данной культурой микроорганизмов при совместном присутствии изучали на питательной среде РСА (5 г/л пептона, 1 г/л глюкозы и 2,5 г/л дрожжевого экстракта в воде) в присутствии ионов кадмия, меди и цинка в одной колбе и меди с цинком в другой, с концентрациями по 0,1 г/л и микроорганизмами на качалке (180 об/мин, t = 32 ºС). Рост культуры в среде отслеживался по изменению оптической плотности и рН ежедневно. Динамика роста соответствовала нормальному развитию в обоих случаях. Максимальное накопление биомассы, а следовательно, и максимальное значение сорбции ионов, наблюдалось через 3–4 дня после начала культивирования.

Для создания биосорбента выбран минерал вермикулит – вермикулит вспученный, обработанный при температуре около 1000 оС. Минерал обладает благоприятными свойствами – прочностью, развитой поверхностью, что очень важно для адсорбции, нетоксичностью (это было подтверждено опытом – микроорганизмы совершенно безразличны к вермикулиту, образуют колонии прямо на образце минерала).

Возможность применения вермикулита для адсорбции ионов металлов изучали опытным путем – построением статических изотерм адсорбции. К растворам ионов металлов (с концентрациями от 0,00625 до 0,2 М) добавляли навески вермикулита по 100 мг (фракция от 0,5 до 2 мм), растворы контактировали с ними в течение 4 ч при комнатной температуре, затем отделяли твердую фазу от жидкой. Остаточную концентрацию ионов в растворах измеряли методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Расчет адсорбции проводили по уравнению Лэнгмюра, позволяющему определить величину предельной адсорбции Аmах, отражающей эффективность поглощения данного иона (например, для меди она составила 476 мг/г). Предполагаем, что клетки, иммобилизованные на поверхности минерала, за счет дополнительного поглощения ионов увеличат его сорбционные свойства.

125

elib.pstu.ru

УДК 544.344

С.А. Заболотных, С.А. Денисова

Пермский государственный национальный исследовательский университет

ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ В СИСТЕМЕ ВОДА – СУЛЬФОНОЛ – ДИАНТИПИРИЛМЕТАН – ХЛОРОВОДОРОДНАЯ КИСЛОТА

Экстракционные методы широко применяются в технологии и практике аналитической химии. Однако им присущ ряд недостатков, основной из которых – применение легколетучих, горючих и токсичных органических растворителей. Проблема повышения безопасности экстракционных процессов актуальна и может быть решена поиском малотоксичных экстракционных реагентов и разбавителей или использованием экстракционных систем нетрадиционного типа.

Впоследние годы большой интерес вызывают экстракционные системы, способные расслаиваться без органического растворителя. К этому типу относятся водные расслаивающиеся системы на основе промышленно выпускаемых поверхностноактивных веществ (ПАВ) и неорганических высаливателей. При этом могут использоваться ПАВ различных типов (катионные, анионные, неионогенные). Важными качествами промышленных ПАВ, помимо безопасности полученных на их основе экстракционных систем, является невысокая цена и доступность.

Вкачестве компонента расслаивающихся систем на основе анионных ПАВ использован сульфонол. Экспериментальным

путем установлено, что сульфонол [CnH2n+1C6H4SO3Na, где n = 12…18] растворяется в дистиллированной воде при концентрации 12,63 мас. %.

Ранее методами изотермического титрования и сечений при 20 оС были изучены фазовые равновесия в тройных системах

126

elib.pstu.ru

вода – сульфонол – H2SO4 (HCl). На диаграммах растворимости систем обнаружены по две области двухфазного жидкого равновесия. Топология диаграмм для обеих систем одинакова: нижняя область расслаивания примыкает к грани кислота–вода, а верхняя область расслаивания находится вблизи вершины тройной системы, отвечающей воде. Исследованные системы являются условно трехкомпонентными, так как используемый ПАВ представляет собой не индивидуальное вещество, а смесь гомологов (Заболотных С.А., Денисова С.А., Кудряшова О.С., 2012).

Для повышения эффективности экстракции систем на основе сульфонола представляло интерес рассмотреть возможность введения в них дополнительных комплексообразователей, например диантипирилметана (ДАМ).

С этой целью рассмотрены фазовые равновесия в сечениях четырехкомпонентной системы вода – сульфонол – ДАМ – HCl с содержанием кислоты 1, 2 и 3 моль/л методом изотермического титрования при 20 оС.

Тройная система вода – ДАМ – HCl изучена в работе А.Д. Шевелевой (1955). Показано, что ДАМ с HCl образует два соединения: ДАМ·HCl и ДАМ·2HCl, а с сильно концентрированными растворами HCl – вязкие растворы. Растворимость ДАМ в зависимости от концентрации HCl имеет максимум

(31,2 %, 1 моль/л HCl).

В сечениях четырехкомпонентной системы установлены границы областей двухфазного жидкого равновесия. Топология диаграмм одинакова: область расслаивания примыкает вплотную к вершине, отвечающей раствору HCl. Максимальная по площади область расслаивания находится на изотерме растворимости четверной системы с концентрацией HCl 2 моль/л.

Проведенные исследования показали возможность использования системы вода – сульфонол – ДАМ – HCl в целях экстракции.

127

elib.pstu.ru

УДК 544.034

Н.П. Плотникова, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ВЛИЯНИЕ ГИДРОФОБИЗАЦИИ ЧАСТИЦ КВАРЦА НА ИХ СПОСОБНОСТЬ УСИЛИВАТЬ МАССОПЕРЕНОС КИСЛОРОДА В СИСТЕМЕ ГАЗ – ЖИДКОСТЬ

Гетерогенные реакции с участием кислорода, протекающие в системах газ – жидкость, широко применяются в химической технологии и биотехнологии. Однако довольно часто условия протекания таких реакций далеки от оптимальных, что связано с лимитированием их скорости массопереносом кислорода в жидкую фазу. В настоящей работе в качестве перспективного способа интенсификации массопереноса кислорода в системах газ – жидкость рассматривается введение в жидкость дисперсной твердой фазы. Возможность интенсификации процессов массопереноса кислорода под действием твердых частиц обусловлена тем, что диспергированные в жидкости твердые частицы могут снижать сопротивление поверхностного слоя жидкой фазы диффузионному транспорту газа, а также дополнительно переносить газ по «челночному» механизму. В работах по исследованию влияния твердофазных частиц на скорость абсорбции кислорода практически отсутствуют данные о взаимосвязи физи- ко-химических свойств частиц и их эффективности в отношении усиления межфазного транспорта О2, что не позволяет определить оптимальный комплекс характеристик дисперсного материала, перспективного для использования в качестве активатора межфазного транспорта кислорода. Однако можно предполагать, что модифицирование свойств поверхности дисперсных частиц может существенно влиять на их способность усиливать межфазный массоперенос в системе газ – жидкость. Соответст-

128

elib.pstu.ru

венно, целью данной работы является изучение влияния гидрофобизации поверхности частиц кварца за счет использования метода химического модифицирования на их способность повышать скорость массопереноса кислорода в системе газ (воздух) – жидкость (вода).

Исследование интенсивности транспорта О2 в водные суспензии проводили с использованием барботажного абсорбера с механическим перемешиванием жидкости Biostat A plus (Sartorius, Германия) при 30 °С. В качестве параметра, характеризующего влияние твердых частиц на интенсивность абсорбции кислорода, использовали коэффициент усиления массопереноса (Е), который рассчитывали по формуле

E = KL a , KL a0

где KL a, KL a0 – соответственно объемные коэффициенты мас-

сопередачи кислорода в присутствии и отсутствии твердых частиц, ч–1.

Известно, что немодифицированные частицы кварца (диоксида кремния) имеют гидрофильную поверхность, при этом введение их в водную фазу практически не влияет на скорость абсорбции кислорода. С целью придания частицам кварца гидрофобных свойств было проведено химическое модифицирование их поверхности путем присоединения метильных групп при обработке раствором дихлордиметилсилана в хлороформе. В результате проведенной гидрофобизации частиц кварца они приобрели способность усиливать массоперенос О2 в системе газ – жидкость. Показано, что коэффициент усиления массопереноса в присутствии частиц кварца с модифицированной поверхностью в концентрации 0,25 г/л составляет Е = 1,4, что говорит о положительном влиянии химической гидрофобизации дисперсных частиц на их способность повышать скорость абсорбции О2 водными средами.

129

elib.pstu.ru

УДК 544.034

О.В. Колесова, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ КВАРЦА С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ НА МАССОПЕРЕНОС ОЗОНА

В СИСТЕМЕ ГАЗ – ЖИДКОСТЬ

Высокая окислительная способность озона позволяет использовать его для разложения большого числа опасных и вредных органических веществ, растворенных в производственных сточных водах и воде питьевого назначения. Однако, несмотря на высокую эффективность, метод очистки воды озонированием требует достаточно высоких затрат энергии и часто оказывается экономически невыгодным. В качестве одного из путей повышения энергоэффективности процесса озонирования может рассматриваться интенсификация массопереноса газообразного озона в водную фазу, поскольку именно эта стадия довольно часто оказывается лимитирующей и ограничивает скорость всего процесса. Традиционные способы повышения скорости абсорбции газов, такие как барботаж и перемешивание, могут оказаться при этом недостаточно эффективными для перевода гетерогенной реакции с участием озона в кинетический режим, что говорит о необходимости поиска новых подходов к усилению массопереноса озона в системе газ – жидкость. В ряде недавних работ по изучению массопереноса малорастворимых неполярных газов, в частности кислорода, в водную фазу было показано, что скорость их абсорбции может быть существенно повышена при введении в жидкость твердых дисперсных частиц, обладающих определенным набором физико-химических характеристик, из которых наиболее важной, по-видимому, является смачиваемость поверхности. Можно предполагать, что частицы,

130

elib.pstu.ru