Получение наноструктурированных адсорбентов из зерновых отходов агропромышленного комплекса

Интенсивное потребление воды в быту и технологических процессах на производствах приводит к значительным объемам загрязненных сточных вод. В настоящее время остро стоит проблема эффективной очистки воды от загрязнений. Полярные гидрофильные материалы (глины, силикагели, алюмогель) для адсорбции веществ из водных растворов практически не пригодны, так как энергия взаимодействия их молекул с молекулами вредных веществ почти равна или превышает энергию адсорбции.

Зачастую в качестве поглотителей загрязнений применяются материалы с развитой пористой структурой, а именно активированные угли, имеющие низкую степень набухания, что позволяет использовать их длительное время. Но при этом широкое использование активированных углей ограничено их относительно высокой стоимостью. Поэтому целью наших исследований явилось разработка недорогих и эффективных адсорбентов на основе отходов агропромышленного комплекса.

В настоящее время широкое распространение приобрели нанотехнологии, использование которых способствует повышению производительности труда, улучшает качество продукции, а также они могут быть использованы в решении разнообразных экологических проблем. Нанотехнологии возможно применять в процессе приготовления адсорбционных материалов для увеличения их адсорбционной способности[1]. Известно, что эффективность «работы» адсорбента напрямую зависит от его структурных и поверхностных свойств, поэтому перспективным направлением модифицирования адсорбционных материалов является подходы, позволяющие улучшить микропористую структуру адсорбентов за счет получения наноразмерных частиц [2].

Одним из перспективных методов, позволяющих получить адсорбционные на-номатериалы, является механохимический синтез. Он базируется на механической активации твердофазной субстанции, протекающей во время помола в специальных мельницах. Для проведения механохимического модифицирования рекомендовано использование мельниц ударного характера воздействия с высокой энергонапряженностью и низкой цикличностью нагрузки.

При измельчении адсорбента происходит разрыв Ван-дер-Ваальсовых связей, возникающих вследствие электростатического взаимодействия диполей [3]. Также в результате механической обработки адсорбента происходят измельчение и пластическая деформация вещества. Измельчение материалов сопровождается разрывом химических связей, что предопределяет возможность последующего образования новых связей, т.е. протекание механохимических реакций. Последнее при измельчении материалов имеет импульсный характер: возникновение полей напряжений и их последующая релаксация происходят не в течении всего времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент их соударений. Механохимическим способом можно получать порошки с размером частиц от 10 до 200 нм [4].

Целью работы является получение эффективного адсорбента из зерновых отходов агропромышленного комплекса с использованием нанотехнологий.

Процесс изготовления адсорбента осуществляли следующим образом: предварительно высушенную и измельченную овсяную шелуху обработали серной кислотой. Реагенты нагревали при температуре 130^оС в течении 80 минут с последующей отмывкой дистиллированной водой до нейтральной реакции среды и сушкой при 100^оС. С целью повышения адсорбционной способности применялся механохимический синтез. Измельчение и механическую активацию адсорбента осуществляли на мельнице РМ-120.

Материалы, методы и результаты исследований .В результате механохими-ческого модифицирования получен гранулометрический состав в диапазоне 0,03-0,1 мм, структуру которого исследовали с помощью электронного микроскопа ЭМВ-100Л. Электронно-микроскопическое исследование показало наличие микропор размером 0,5 нм, переходных пор, размером менее 5 нм и макропор, размер которых находится в диапазоне 5-50 нм (рис. 1). Дисперсность наноструктурированного адсорбента составила 10 нм, до механической активации дисперсность находилась в диапазоне 50-300 нм, а размер пор варьировал от 5 - до 500 нм.

Удельную поверхность адсорбента определили по формуле [5]:

По снимкам, полученным в результате электронной микроскопии, установлено, что средний радиус сферических частичек - 0,25 нм. Плотность полученного адсорбента 1300 кг/м . Рассчитанное значение удельной поверхности наноструктурирован-ного адсорбента составило 923 м /г.

Истинное значение этого параметра может быть значительно больше, поскольку при расчете учитывались только сферические частицы, а как видно из микроскопных снимков, реально присутствуют частицы других конфигураций. Следует отметить, что удельная поверхность адсорбента, изготовленного без применения нанотехнологий, составляла 461 м /г. Полученные данные позволяют сделать вывод, что механохимический синтез поспособствовал увеличению удельной поверхности адсорбента. Эти данные коррелируют с нашими результатами [1], где экспериментальным путем установлено, что поглотительная способность адсорбента после наноструктурирования возростает.

Определена насыпная масса полученного адсорбента, которая составила 0,66 г/см , до механической активации этот параметр не превышал 0,48 г/см . Известно, что насыпная масса адсорбента влияет на скорость и эффективность очистки сточных вод, поэтому увеличение значения этого параметра позволяет сократить количество адсорбента, необходимое для очистки, что влияет на производственные затраты.

Полученный адсорбент на эффективность испытали при очистке водных растворов, содержащих фенол. Для проведения исследований использовали модельные водные растворы фенола с концентрацией 50 г/м . Результаты эксперимента отображает рисунок 2.

Полученная изотерма принадлежит к ІІ типу по классификации БЭТ, что свидетельствует о наличии в полученном адсорбенте наряду с микропорами значительного количества мезо- и макропор и, таким образом, - о полимолекулярном механизме адсорбции.

Данные по адсорбции фенола, которые были получены в результате проведенных экспериментов, свидетельствуют о целесообразности применения наноструктурированного адсорбента из овсяной шелухи при очистки сточных вод от загрязняющих веществ.

Отработанные наностуктурированные адсорбенты могут быть регенерированы или использованы для сжигания в энергетических установках в качестве топлива.