ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА И АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИРАКСКОЙ ГЛИНЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЧАСТЬ 7
1.1 Тяжелые металлы, загрязняющие воды Ирака 7
1.2 Характеристика выбранных адсорбционных индикаторов 10
1.2.1 Формы нахождения железа в природных и сточных водах 10
1.2.2 Метиленовый голубой как индикатор адсорбционной способности....14
1.3 Методы очистки сточных вод в Ираке 16
1.3.1 Испарение 17
1.3.2 Диализ 17
1.3.3 Электродиализ 18
1.3.4 Ионный обмен 18
1.3.5 Биологические методы 19
1.3.6 Обратный осмос 20
1.3.7 Адсорбция 20
1.4 Характеристика месторождения Ан-Наджаф 23
Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ 34
2.1 Методика определения химического состава иракской глины 34
2.2 Методика определения минералогического состава иракской глины 35
2.3 Методика проведения термического анализа иракской глины 38
2.4 Методика определения гранулометрического состава иракской глины .40
2.5 Методика определения структурно-морфологических характеристик
иракской глины 41
2.6 Методика определения массовой доли влаги, потерь массы при
прокаливании и содержания органического углерода 41
2.7 Методика определения рН водной вытяжки глинистого материала 43
2.8.1 Построение кинетических кривых адсорбции метиленового
голубого 44
2.8.2 Построение изотермы адсорбции красителя метиленового голубого ..46
2.9 Методика определения адсорбции ионов Fe (III) на иракской глине 50
2.9.1 Построение кинетических кривых адсорбции ионов Fe (III) 50
2.9.2 Построение изотермы адсорбции ионов Fe (III) 52
Выводы по главе 2 57
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 58
3.1 Результаты определения химического состава иракской глины 58
3.2 Результаты определения минералогического состава иракской глины ..60
3.3 Результаты определения рН водной вытяжки глинистого материала 65
3.4 Результаты термического анализа иракской глины 65
3.5 Результаты определения гранулометрического состава иракской глины.69
3.6 Результаты определения структурно-морфологических характеристик
иракской глины 71
3.7 Результаты определения массовой доли влаги, потерь массы при
прокаливании и содержания органического углерода 72
3.8 Результаты определения адсорбционной способности иракской глины
по отношению к метиленовому голубому и ионам Fe (III) 73
3.8.1 Кинетические кривые поглощения метиленового голубого и ионов
Fe (III) 73
3.8.2 Анализ изотерм адсорбции метиленового голубого и ионов Fe3+ по
моделям, описывающим сорбцию на твердой поверхности 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЧАСТЬ 7
1.1 Тяжелые металлы, загрязняющие воды Ирака 7
1.2 Характеристика выбранных адсорбционных индикаторов 10
1.2.1 Формы нахождения железа в природных и сточных водах 10
1.2.2 Метиленовый голубой как индикатор адсорбционной способности....14
1.3 Методы очистки сточных вод в Ираке 16
1.3.1 Испарение 17
1.3.2 Диализ 17
1.3.3 Электродиализ 18
1.3.4 Ионный обмен 18
1.3.5 Биологические методы 19
1.3.6 Обратный осмос 20
1.3.7 Адсорбция 20
1.4 Характеристика месторождения Ан-Наджаф 23
Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ 34
2.1 Методика определения химического состава иракской глины 34
2.2 Методика определения минералогического состава иракской глины 35
2.3 Методика проведения термического анализа иракской глины 38
2.4 Методика определения гранулометрического состава иракской глины .40
2.5 Методика определения структурно-морфологических характеристик
иракской глины 41
2.6 Методика определения массовой доли влаги, потерь массы при
прокаливании и содержания органического углерода 41
2.7 Методика определения рН водной вытяжки глинистого материала 43
2.8.1 Построение кинетических кривых адсорбции метиленового
голубого 44
2.8.2 Построение изотермы адсорбции красителя метиленового голубого ..46
2.9 Методика определения адсорбции ионов Fe (III) на иракской глине 50
2.9.1 Построение кинетических кривых адсорбции ионов Fe (III) 50
2.9.2 Построение изотермы адсорбции ионов Fe (III) 52
Выводы по главе 2 57
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 58
3.1 Результаты определения химического состава иракской глины 58
3.2 Результаты определения минералогического состава иракской глины ..60
3.3 Результаты определения рН водной вытяжки глинистого материала 65
3.4 Результаты термического анализа иракской глины 65
3.5 Результаты определения гранулометрического состава иракской глины.69
3.6 Результаты определения структурно-морфологических характеристик
иракской глины 71
3.7 Результаты определения массовой доли влаги, потерь массы при
прокаливании и содержания органического углерода 72
3.8 Результаты определения адсорбционной способности иракской глины
по отношению к метиленовому голубому и ионам Fe (III) 73
3.8.1 Кинетические кривые поглощения метиленового голубого и ионов
Fe (III) 73
3.8.2 Анализ изотерм адсорбции метиленового голубого и ионов Fe3+ по
моделям, описывающим сорбцию на твердой поверхности 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
В настоящее время промышленная революция ускорила выброс загрязняющих веществ в окружающую среду, и тяжелые металлы являются одними из самых опасных загрязнителей. Многие из тяжелых металлов, например, Hg, Pb, Ni, As и Sn, очень токсичны для человека и других живых организмов, и их присутствие в поверхностных и подземных водах при концентрациях выше ПДК является нежелательным. Удаление тяжелых металлов из воды важно для защиты здоровья населения, поскольку естественные процессы очистки окружающей среды от огромного количества загрязняющих веществ, которые образуются ежедневно, малоэффективны. Сточные воды, содержащие ионы токсичных тяжелых металлов, требуется дополнительно очищать, используя различные способы очистки. Перспективным представляется использовать для очистки сточных вод адсорбенты на основе глинистых минералов.
Как для России, так и для Ирака остро стоит проблема очистки природных, питьевых и сточных вод от различного рода загрязнителей, в том числе и от ионов тяжелых металлов. Для Белгородской области актуально проводить очистные работы по снижению содержания ионов Fe (III) как и для Ирака. Учеными НИУ БелГУ проведены ряд исследований по использованию местных монтмориллонитсодержащих глин для очистки модельных растворов от ионов Fe (III) с положительным эффектом. На основе разработок, полученных на кафедре общей химии НИУ БелГУ предложен метод очистки модельных растворов, содержащих ионы Fe (III) и метиленовый голубой иракской глиной.
Цель работы:
1. Исследование вещественного (химического, минералогического, гранулометрического и структурно-морфологического) состава и адсорбционных свойств исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
Задачи:
1. Определение вещественного (химического, минералогического,
гранулометрического и структурно-морфологического) состава
исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
2. Освоение методик исследования свойств глинистого сырья.
3. Определение адсорбционных свойств по отношению к ионам железа (III) и метиленовому голубому исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
4. Установления кинетических зависимостей и механизма адсорбции по отношению к ионам железа (III) и метиленовому голубому исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
Научная новизна работы.
Установлены закономерности процессов адсорбции ионов железа (III) и метиленового голубого исследуемым образцом глины месторождения Аль¬Наджаф (Ирак). Определен порядок протекания адсорбционных процессов и модель адсорбции ионов железа (III) и метиленового голубого на поверхности глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак). Впервые изучен вещественный (химический, минералогический, гранулометрический и структурно-морфологический) состав исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
Теоретическая и практическая значимость.
В результате исследований впервые установлен вещественный вещественный (химический, минералогический, гранулометрический и структурно-морфологический) состав исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак). Получены закономерности протекания адсорбционных процессов на исследуемом образце глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак). Установлено, что содержащиеся в исследуемом образце органические вещества приводят к смещению спектра поглощения метиленового голубого на 100 нм в коротковолновую область, т.е. для получения достоверных результатов по определению адсорбционной способности требуется удалить органические вещества путем прокаливания при температуре 300-350°С. Выбраны достоверные модели адсорбции Методология и методы исследования.
Энергодисперсионный анализ, рентгенофазовый метод, термический анализ, гранулометрический анализ методом лазерной дифракции, сканирующая электронная микроскопия, гравиметрия, химические методы анализа, спектрофотометрический метод.
Объем и структура работы:
Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, включающего 108 источников. Работа изложена на 90 страницах машинного текста, включающего 34 рисунка, 13 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, д.т.н., профессору кафедры общей химии Института фармации, химии и биологии ФГАОУ ВО НИУ БелГУ, сотрудникам Центра Коллективного Пользования «Технологии и Материалы НИУ» «БелГУ».
Как для России, так и для Ирака остро стоит проблема очистки природных, питьевых и сточных вод от различного рода загрязнителей, в том числе и от ионов тяжелых металлов. Для Белгородской области актуально проводить очистные работы по снижению содержания ионов Fe (III) как и для Ирака. Учеными НИУ БелГУ проведены ряд исследований по использованию местных монтмориллонитсодержащих глин для очистки модельных растворов от ионов Fe (III) с положительным эффектом. На основе разработок, полученных на кафедре общей химии НИУ БелГУ предложен метод очистки модельных растворов, содержащих ионы Fe (III) и метиленовый голубой иракской глиной.
Цель работы:
1. Исследование вещественного (химического, минералогического, гранулометрического и структурно-морфологического) состава и адсорбционных свойств исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
Задачи:
1. Определение вещественного (химического, минералогического,
гранулометрического и структурно-морфологического) состава
исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
2. Освоение методик исследования свойств глинистого сырья.
3. Определение адсорбционных свойств по отношению к ионам железа (III) и метиленовому голубому исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
4. Установления кинетических зависимостей и механизма адсорбции по отношению к ионам железа (III) и метиленовому голубому исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
Научная новизна работы.
Установлены закономерности процессов адсорбции ионов железа (III) и метиленового голубого исследуемым образцом глины месторождения Аль¬Наджаф (Ирак). Определен порядок протекания адсорбционных процессов и модель адсорбции ионов железа (III) и метиленового голубого на поверхности глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак). Впервые изучен вещественный (химический, минералогический, гранулометрический и структурно-морфологический) состав исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак).
Теоретическая и практическая значимость.
В результате исследований впервые установлен вещественный вещественный (химический, минералогический, гранулометрический и структурно-морфологический) состав исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак). Получены закономерности протекания адсорбционных процессов на исследуемом образце глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак). Установлено, что содержащиеся в исследуемом образце органические вещества приводят к смещению спектра поглощения метиленового голубого на 100 нм в коротковолновую область, т.е. для получения достоверных результатов по определению адсорбционной способности требуется удалить органические вещества путем прокаливания при температуре 300-350°С. Выбраны достоверные модели адсорбции Методология и методы исследования.
Энергодисперсионный анализ, рентгенофазовый метод, термический анализ, гранулометрический анализ методом лазерной дифракции, сканирующая электронная микроскопия, гравиметрия, химические методы анализа, спектрофотометрический метод.
Объем и структура работы:
Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, включающего 108 источников. Работа изложена на 90 страницах машинного текста, включающего 34 рисунка, 13 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, д.т.н., профессору кафедры общей химии Института фармации, химии и биологии ФГАОУ ВО НИУ БелГУ, сотрудникам Центра Коллективного Пользования «Технологии и Материалы НИУ» «БелГУ».
1. Установлено, что исследуемый образец глины месторождения Аль-Наджаф (Ирак) имеет в своем составе оксиды кремния, алюминия и кальция 61,26; 25,99 и 2,11 масс.% соответственно. В исследуемом образце наблюдается достаточно высокое содержание оксида железа III, которое составляет 3,46 масс.%. Содержание других оксидов не превышает 2 масс.% каждый: NirO - 1,69 масс.%, MgO - 1,92 масс.%, SO3 - 0,82 масс.%, CI2O - 0,59 мас.%, K2O - 0,75 масс.%, TiO2 - 0,98 масс.%, CuO - 0,42 масс.%. Данный оксидный состав свидетельствует о том, что исследуемый образец предположительно состоит из следующих минералов: каолинита, иллита, монтмориллонита и др.
2. По данным рентгенофазового анализа установлено, что
исследуемый образец глины месторождения Аль-Наджаф содержит в своем составе следующие глинистые минералы: каолинит - 36,3 масс.%, иллит -
33,2 масс.%, монтмориллонит - 12,7 масс.%, палыгорскит - 1,3 масс.%; неглинистые минералы: кварц - 13,1 масс.% и кальцит - 3,1 масс.%.
Исследуемый образец можно отнести к каолинит-иллитовым глинам.
3. Дифференциально-термический анализ позволил установить наличие 5 эндоэффектов на графике ДТА при нагреве в интервале температур 20-900 °С. 1-ый эндоэффект происходит в интервале температур 20-90 °С , максимальная скорость процесса достигается при 73 °С, потеря массы составляет 5,3 масс.%. 2-ой эндоэффект соответствует интервалу температур 90-125 °С, максимальная скорость процесса - 115 °С, потери массы - 0,6 масс.%. 3-ий эндоэффект наблюдается в интервале температур 125-555 °С, максимальная скорость процесса - 488 °С, потери массы - 5,1 масс.%. 4-ый эндоэффект происходит в интервале температур 555-663 °С, максимальная скорость процесса - 630 °С, потери массы - 1,8 масс.%. 5-ый эндоэффект появляется в интервале температур 663-900 °С, максимальная скорость процесса - 868 °С, потери массы - 0,6 масс.%. Данные процессы обусловлены потерей свободной, адсорбционной, кристаллизационной, цеолитной, конституционной воды, разрывом связей, разрушением кристаллической решетки, выделением газообразных веществ, образованием новых фаз.
4. По данным гранулометрического анализа установлено, что распределение частиц неравномерно и имеет большой разброс по размерам. Максимальный размер частиц составляет 148 мкм, доля таких частиц - 0,21 масс.%; минимальный размер частиц - 1,16 мкм, доля таких частиц - 0,36 масс.%. Средний размер частиц составляет 31,86 мкм. Наибольшее количество частиц соответствует размеру 13,08 мкм и составляет 7,64 масс.%.
5. По данным, полученным сканирующей электронной микроскопией, сделан вывод о форме и поверхности частиц. Частицы исследуемого образца имеют неправильную изометричную форму: более мелкие частицы 1-3 мкм - форму, похожую на неправильную и щепковидную форму частиц каолинита; Более крупные около 100 мкм - частицы имеют чешуеобразную форму.
6. Исследуемый образец обладает невысокой влажностью 5,2 масс.%, потери массы при прокаливании составляют 13,57 масс.%, содержание карбонатов, определенных по методу Бауэра составляет 7,6 масс.%, содержание органического углерода - 0,77 масс.%.
7. pH водной вытяжки исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф составляет 7,97±0,02. Данное значение pH согласуется с литературными данными для глинистых минералов, и обусловлено наличием в структуре и межпакетном пространстве щелочных и щелочноземельных металлов, таких как Na, K, Ca, Mg.
8. При изучение адсорбционных свойств по отношению к ионам железа (III) и метиленовому голубому исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф установлено, что поглощение метиленового голубого исследуемым образцом происходит наиболее интенсивно в первые
90 мин с последующим затуханием и выходом на плато. С ионами железа (III) процесс поглощения имеет колебательный характер, который обусловлен десорбцией-адсорбцией адсорбционной воды в исследуемом образце. Для адсорбции метиленового голубого на исследуемом образце характерно смешаннодиффузионное течение адсорбционного процесса. Для ионов железа (III) преобладает внутридиффузионный характер течения адсорбционного процесса. Наиболее достоверно характер адсорбции метиленового голубого на исследуемом образце можно описать моделью псевдо-второго порядка, а для ионов железа (III) - моделью псевдо-первого порядка. На основании полученных данных рассчитаны количество адсорбированного вещества и константа адсорбционного процесса, которые составили соответственно для метиленового голубого и ионов железа (III): 0,331 и 0,336 ммоль/г; 0,272 г/ммоль-мин и 0,0068 мин-1. Изотермы адсорбции метиленового голубого и ионов железа (III) были проанализированы по 5 моделям, описывающих сорбцию на твердой поверхности: модель Генри, модель Фрейндлиха, модель Ленгмюра, модель Дубинина-Астахова, модель Дубинина-Радушкевича. Для моделей Дубинина-Астахова и Дубинина-Радушкевича погрешность составила 8 % при среднеквадратичном отклонении R2=0,9659, что позволяет сделать вывод о том, что для анализа процессов адсорбции метиленового голубого на исследуемом образце эти модели являются более достоверными. Описание процессов адсорбции ионов железа (III) предпочтительнее с использованием модели Фрейндлиха со значением R2=0,9936. Экспериментально
установлено, что предельная адсорбция метиленового голубого составляет 0,34 ммоль/г, ионов железа (III) - 0,72 ммоль/г.
2. По данным рентгенофазового анализа установлено, что
исследуемый образец глины месторождения Аль-Наджаф содержит в своем составе следующие глинистые минералы: каолинит - 36,3 масс.%, иллит -
33,2 масс.%, монтмориллонит - 12,7 масс.%, палыгорскит - 1,3 масс.%; неглинистые минералы: кварц - 13,1 масс.% и кальцит - 3,1 масс.%.
Исследуемый образец можно отнести к каолинит-иллитовым глинам.
3. Дифференциально-термический анализ позволил установить наличие 5 эндоэффектов на графике ДТА при нагреве в интервале температур 20-900 °С. 1-ый эндоэффект происходит в интервале температур 20-90 °С , максимальная скорость процесса достигается при 73 °С, потеря массы составляет 5,3 масс.%. 2-ой эндоэффект соответствует интервалу температур 90-125 °С, максимальная скорость процесса - 115 °С, потери массы - 0,6 масс.%. 3-ий эндоэффект наблюдается в интервале температур 125-555 °С, максимальная скорость процесса - 488 °С, потери массы - 5,1 масс.%. 4-ый эндоэффект происходит в интервале температур 555-663 °С, максимальная скорость процесса - 630 °С, потери массы - 1,8 масс.%. 5-ый эндоэффект появляется в интервале температур 663-900 °С, максимальная скорость процесса - 868 °С, потери массы - 0,6 масс.%. Данные процессы обусловлены потерей свободной, адсорбционной, кристаллизационной, цеолитной, конституционной воды, разрывом связей, разрушением кристаллической решетки, выделением газообразных веществ, образованием новых фаз.
4. По данным гранулометрического анализа установлено, что распределение частиц неравномерно и имеет большой разброс по размерам. Максимальный размер частиц составляет 148 мкм, доля таких частиц - 0,21 масс.%; минимальный размер частиц - 1,16 мкм, доля таких частиц - 0,36 масс.%. Средний размер частиц составляет 31,86 мкм. Наибольшее количество частиц соответствует размеру 13,08 мкм и составляет 7,64 масс.%.
5. По данным, полученным сканирующей электронной микроскопией, сделан вывод о форме и поверхности частиц. Частицы исследуемого образца имеют неправильную изометричную форму: более мелкие частицы 1-3 мкм - форму, похожую на неправильную и щепковидную форму частиц каолинита; Более крупные около 100 мкм - частицы имеют чешуеобразную форму.
6. Исследуемый образец обладает невысокой влажностью 5,2 масс.%, потери массы при прокаливании составляют 13,57 масс.%, содержание карбонатов, определенных по методу Бауэра составляет 7,6 масс.%, содержание органического углерода - 0,77 масс.%.
7. pH водной вытяжки исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф составляет 7,97±0,02. Данное значение pH согласуется с литературными данными для глинистых минералов, и обусловлено наличием в структуре и межпакетном пространстве щелочных и щелочноземельных металлов, таких как Na, K, Ca, Mg.
8. При изучение адсорбционных свойств по отношению к ионам железа (III) и метиленовому голубому исследуемого образца глины месторождения Аль-Наджаф установлено, что поглощение метиленового голубого исследуемым образцом происходит наиболее интенсивно в первые
90 мин с последующим затуханием и выходом на плато. С ионами железа (III) процесс поглощения имеет колебательный характер, который обусловлен десорбцией-адсорбцией адсорбционной воды в исследуемом образце. Для адсорбции метиленового голубого на исследуемом образце характерно смешаннодиффузионное течение адсорбционного процесса. Для ионов железа (III) преобладает внутридиффузионный характер течения адсорбционного процесса. Наиболее достоверно характер адсорбции метиленового голубого на исследуемом образце можно описать моделью псевдо-второго порядка, а для ионов железа (III) - моделью псевдо-первого порядка. На основании полученных данных рассчитаны количество адсорбированного вещества и константа адсорбционного процесса, которые составили соответственно для метиленового голубого и ионов железа (III): 0,331 и 0,336 ммоль/г; 0,272 г/ммоль-мин и 0,0068 мин-1. Изотермы адсорбции метиленового голубого и ионов железа (III) были проанализированы по 5 моделям, описывающих сорбцию на твердой поверхности: модель Генри, модель Фрейндлиха, модель Ленгмюра, модель Дубинина-Астахова, модель Дубинина-Радушкевича. Для моделей Дубинина-Астахова и Дубинина-Радушкевича погрешность составила 8 % при среднеквадратичном отклонении R2=0,9659, что позволяет сделать вывод о том, что для анализа процессов адсорбции метиленового голубого на исследуемом образце эти модели являются более достоверными. Описание процессов адсорбции ионов железа (III) предпочтительнее с использованием модели Фрейндлиха со значением R2=0,9936. Экспериментально
установлено, что предельная адсорбция метиленового голубого составляет 0,34 ммоль/г, ионов железа (III) - 0,72 ммоль/г.