Диссертация (1141478), страница 10
Текст из файла (страница 10)
С другой стороны, увеличение количества основных функциональныхгрупп приводит главным образом к гидрофобизации атомов углерода, которыепроявляют сильное сродство к органическим молекулам, имеющим ограниченнуюрастворимость в воде.Кроме того, поверхностный заряд активированного угля зависит от значениярН раствора и его точки нулевого заряда (рН ТНЗ) – значения рН, при которомзаряд поверхности равен нулю. Для обычных амфотерных углеродов поверхностьуглерода положительно заряжается при pH < pH ТНЗ и отрицательно заряжается62при pH > pH ТНЗ.
Отрицательный заряд на поверхности адсорбента возникает врезультате диссоциации поверхностных кислородных комплексов кислотногохарактера, таких как карбоксильные и фенольные группы, которые могутадсорбироватькатионныекрасителииметаллыизводногораствора.Положительный поверхностный заряд на поверхности адсорбента может бытьобусловлен присутствием поверхностных кислородных комплексов основногохарактера, пиронами или хроменами, или наличием богатых электронами областейвнутри графитовых слоев, действующих как базовые центры Льюиса, которыесорбируют анионные органические соединения из воды.Поиск недорогих активированных углей был начат несколько десятилетийназад в качестве альтернативы дорогостоящему активированному углю изуглеродистого сырья. Биомасса, полученная главным образом из промышленных исельскохозяйственныхтвердыхотходов,считаетсяоднимизнаиболеепредпочтительных вариантов для производства активированного биоугля [137].Биомасса дешевле, находится в свободном доступе и является возобновляемымресурсом.Также огромный интерес вызывают различные отходы сельского хозяйства вкачестве сырья для получения дешевых адсорбентов.
Были предпринятымногочисленные и успешные попытки для изготовления активированных углей избамбука, рисовой шелухи, опилок [138].Использование отходов, в том числе таких, которые трудно поддаютсяобработке, например, рисовая солома, для производства адсорбентов делаетотходы экономически ценными. Потребление риса увеличивается с ростомнаселения, поскольку он считается одним из основных источником пищи. В связис чем появляется множество отходов, которые без надлежайшей утилизации могутстать причиной загрязнения окружающей среды. Солома риса похожа на древесинупо внутреннему строению.
Следовательно, она может быть превращена внекоторые виды активированного угля, если ее пиролизировать в контролируемыхусловиях или подвергнуть химической обработке. В результате вторичногоиспользованияпереработаннойрисовойсоломыможнополучитьтакие63преимущества, как сокращение отходов риса и получение ценного адсорбента сболее низкой стоимостью, чем коммерческие активированные угли. Поэтому вданной диссертации именно рисовая солома выбрана в качестве возможного сырьядля получения угля, и проведены исследования по ее активации и применению вкачестве адсорбента.3.5Математическое описание процесса адсорбцииПри исследовании характеристик полученного из рисовой соломы сорбентаматематическое описание процесса адсорбции осуществлялось с помощьюкинетических и изотермических моделей.Процесс адсорбции продолжается до тех пор, пока не будет достигнуторавновесие.
Адсорбция, физическая или химическая, включает массопереносадсорбата из раствора на поверхность адсорбента. Скорость, с которойтермодинамическое равновесие достигается в реакции, обычно описываетсякинетическими моделями.Динамическое поведение аммония в процессе адсорбции на рисовой соломеопределялось по экспериментальным данным. Полученные экспериментальныеданные были сопоставлены с различными моделями адсорбционной кинетики, аименно: псевдо-первого порядка, псевдо-второго порядка, Элович и ЛайнуиверБёрка [139]. Использованные математические модели представлены в таблице 3.2.Таблица 3.2 – Уравнения кинетических моделей исследованияУравнение первого порядка в общем виде = (1 − − )Уравнение первого порядка в линейной форме( − ) = − 1 64Продолжение таблицы 3.2Уравнение второго порядка в общем видеУравнение второго порядка в линейной формеМатематическая модель Элович в общем виде 2 =1 + 11=+22 1 =( + 1)Математическая модель Элович в линейной форме = + ln []Математическая модель Лайнуивер-Бёрка в общем=виде + []1 11Математическая модель Лайнуивер-Бёрка в=+линейной форме [] Обозначения в уравнениях, приведенных в таблице 3.2, приняты следующие:qt и s – количество аммония, удаляемого в момент времени t, мг/г (мгадсорбированного иона аммония на 1 г адсорбента);qe – количество аммония при достижении адсорбционного баланса, мг/г;k1, k2 и km – константы псевдо-первого порядка, псевдо-второго порядка иЛайнуивер-Бёрка соответственно;α – начальная скорость адсорбции, мг/г;β – константа десорбции, г/мг;Vmax – максимальная скорость реакции, мг/г;t – время, мин.Количество иона аммония, удаляемого в единицу времени qt, мг/г,определяли по экспериментальным замерам по формуле: =(0 − ),где С0 – концентрация аммония в начале эксперимента (мг/л),Сt – концентрация аммония во времени t, мг/л;(3.1)65V – объем раствора, л;m – масса адсорбента, г.Эффективность удаления аммония η, %, рассчитывали сиспользованием следующего уравнения:=(0 − )0(3.2)100.Для более полного описания адсорбционных явлений при изучении сорбентаиз рисовой соломы также использовались изотермы адсорбции.Изотермаадсорбциивыражаетзависимостьколичестваматериала,адсорбированного на единицу массы адсорбента, от равновесной концентрацииадсорбата.
Необходимые данные получены из экспериментов, где указанная массаадсорбента уравновешивается известным объемом жидкости при определеннойконцентрации химического вещества, а полученная равновесная концентрацияопределяется по уравнению 3.1.Изотермы могут дать качественную информацию о процессе адсорбции, атакже указать долю использования поверхности, они наглядно выражают связьмежду равновесной концентрацией адсорбата в растворе и количеством адсорбата,задержанного адсорбентом. Изотермы адсорбции обычно подразделяются на шестьтипов, классифицируются согласно данным Международного союза теоретическойи прикладной химии [103]. Классификация приведена на рисунке 3.3.Изотермы I типа используются для характеристики сорбции, вызваннойпреимущественно микропористой структурой.
Изотермы данного типа называютсяизотермами Ленгмюра и используются для описания однослойной адсорбции.Изотермы II типа описывают многослойную физическую адсорбцию намакропористой структуре, называются сигмоидными изотермами. Точка Bпоказывает процесс монослойной адсорбции, многослойная адсорбция начинаетсясразу после точки В. Данные изотермы используются для описания адсорбциитвердых тел со смешанной микро- и мезопористостью.Количество адсорбата на адсорбенте66вКонцентрация адсорбатаРисунок 3.3 – Классификация изотерм адсорбции по ЮИПАКИзотермы III и IV типа регистрируют поведение микропористых илимезопористых адсорбентов и являются выпуклыми при высокой относительнойконцентрации адсорбата.
Этому способствуют слабые взаимодействия адсорбата иадсорбента и сильные взаимодействия молекул адсорбата с многослойнымобразованием.Изотермы V типа обычно применяется при использовании мезопористыхматериалов.Изотерма VI типа в основном представлена как гипотетическая изотерма.Процесс происходит от полного образования мономолекулярных слоев доперехода к последующему слою.В качестве изотермических моделей при исследовании были использованыизотермы адсорбции, описываемые моделями Ленгмюра и Фрейндлиха.67Модель Ленгмюра является простейшей теоретической моделью дляматематического описания процесса адсорбции и предполагает однослойнуюсорбцию на однородную поверхность с конечным числом одинаковых участков.Модель Ленгмюра основана на четырех основных предположениях:1) молекулы адсорбируются на фиксированном числе четко определенныхлокализованных центров;2) каждый центр может содержать одну молекулу адсорбата;3) все центры энергетически эквивалентны;4) взаимодействие между молекулами, адсорбированными на соседнихцентрах, отсутствует.Уравнения, описывающие модель Ленгмюра, приведены в таблице 3.3.Таблица 3.3 – Уравнения модели ЛенгмюраМодель Ленгмюра в общем видеМодель Ленгмюра в линейной форме = 1 + 11=+ Обозначения в уравнениях, приведенных в таблице 3.3, приняты следующие:qe – плотность адсорбции при достижении равновесия, мг/г;ce – жидкая фазовая равновесная концентрация, мг/л;qmax – коэффициент, представляет собой насыщенную адсорбционнуюемкость монослоя, то есть максимальную концентрацию в твердой фазе(адсорбенте), мг/г;k – коэффициент адсорбции Ленгмюра, связанный с энергией связисорбционной системы.Угол наклона и пересечение построенного линейного графика 1/qe сграфиком 1/ce дают значения параметров k и qmax.68Константу изотермы Ленгмюра k можно использовать для обозначенияаффинности, то есть направления потенциала адсорбента в сторону ионов,подлежащих адсорбции.
Высокое значение k указывает на высокую эффективностьадсорбции.Модель Ленгмюра базируется на предположении, что энергия адсорбцииодинакова для всех поверхностей и не зависит от степени охвата. Вдействительности энергия адсорбции может меняться, поскольку реальныеповерхности неоднородны.В этом случае более точно процесс адсорбцииописывается моделью Фрейндлиха, при условии, когда концентрации адсорбатадействительно низкие или высокие [103].Уравнения, описывающие модель Фрейндлиха, приведены в таблице 3.4.Таблица 3.4 – Уравнения модели ФрейндлихаМодель Фрейндлиха в общем видеМодель Фрейндлиха в линейной форме =1 ln = ln +1ln Обозначения в уравнениях, приведенных в таблице 2.4, приняты следующие:k – коэффициент адсорбции Фрейндлиха, зависящий от адсорбционнойемкости;n – показатель Фрейндлиха, связанный с интенсивностью адсорбции иповерхностной неоднородностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
