Влияние pH среды на сорбционные свойства неактивированного углеродного материала

Для исследования был взят образец ПО, полученный при температуре 600 ºС. Время сорбции - 30 минут. Степень сорбции ионов элементов изучалась в интервале рН от 1,5 до 11,5. Полученные результаты приведены в таблице 5.

У всех исследуемых элементов (кроме Sn и Au) степень сорбции возрастает с увеличением величины рH. В случае олова и золота степень сорбции растёт только в интервале рН от 1,5 до 8, а затем понижается. Золото сорбируется на 98-100% в интервале рН равным 1,5 – 8, но затем после рН = 8 степень сорбции понижается до 89%. Следует отметить также, что при достижении рН 11,5 происходит снижение степени поглощения Cd, Pb, Zn, Ni, и Cr.

4.1.2 Сорбция элементов на сорбенте, активированным перекисью водорода (ПО_акт.- Н₂О₂)

Изучение сорбционных свойств сорбента (Т_карб. = 700 ºС), активированным 30%-ным раствором перекиси водорода проводилось в интервале рН = 1-11. Результаты опытов представлены в таблице 6.

Таблица 5 - Зависимость степени сорбции ионов элементов от рН на карбонизованном сорбенте ПО (Т _карб. = 600 ºС, τ_{сорбции}= 30 минут)

Таблица 6 – Зависимость степени сорбции элементов от рН на ПО_акт.- Н₂О₂

Опыты показали, что с увеличением рН раствора от 7 до 11 Cd, Pb, Zn, Ni, Cr сорбируются на 100%, то есть активация карбонизованного сорбента раствором перекиси водорода улучшает его сорбционные свойства по отношению к этой группе металлов. Степень сорбции Сs практически не меняется в сравнении с неактивированным сорбентом, а степень сорбции Sr увеличивается до 88%. Поведение Au остается неизменным в сравнении с неактивированным сорбентом; степень сорбции зависит от рН раствора: в интервале рН от 1 до 7 она составляет 98-100%, а с увеличением рН до 11 она снижается до 91,8%.

4.1.3 Сорбция элементов на сорбенте, активированном аммиаком (ПО_акт. – NH₃)

Активацию сорбентов, полученных при различных температурах карбонизации пшеничных отрубей, проводили 10%-ным раствором аммиака. Изучалась зависимость сорбционных свойств материала от времени сорбции, температуры карбонизации и рН раствора.

В таблице 7 представлены результаты сорбции ионов элементов в зависимости от времени сорбции и температуры карбонизации (600, 700 и 800 ºС). Кинетика сорбции изучалась при рН раствора в интервале времени 5, 15, 30, 60, и 90 минут.

Для исследования кинетики сорбции брались сорбенты, полученные при температуре карбонизации пшеничных отрубей 600, 700 и 800 ºС и обработанные 10%-ным раствором аммиака. Установлено, что все изучаемые элементы количественно сорбируются активированным сорбентом при рН =7 в первые 5 минут эксперимента и степень сорбции практически не зависит от температуры карбонизации пшеничных отрубей при данных условиях проведения эксперимента.

Таблица 7 – Зависимость степени сорбции элементов от времени и температуры карбонизации

Продолжение таблицы 7

Результаты, представленные в таблице 8, получены при проведении экспериментов по изучению зависимости сорбционных свойств ПО_акт. – NH₃ от рН сорбции, полученного при различных температурах карбонизации и активированных аммиаком.

Экспериментально установлено, что для таких элементов как Сs, Sr, Cd, Pb степень сорбции растет с увеличением рН раствора. В диапазоне рН от 7 до 12 Cd и Pb почти полностью сорбируются на активированном сорбенте, при этом установлено, что степень сорбции этих элементов не зависит от температуры карбонизации. Для Сs и Sr наибольшая степень сорбции наблюдается на активированном сорбенте, полученном при температуре карбонизации 400ºС, но во всех случаях не достигает 100%.

Степень извлечения Au в диапазоне рН от 1,5 до 7 составляет 100%, но затем падает с увеличением рН, причем, чем ниже температура карбонизации, тем меньше сорбционная активность ПО по отношению к Au.

Таблица 8 – Зависимость степени сорбции элементов от рН и температуры карбонизации

Продолжение таблицы 8

4.1.4 Сорбция элементов на сорбенте, активированным водой (ПО_акт. – H₂O)

Активированию водой подверглись образцы ПО, полученные при температуре 500, 600, 700 и 800 ºС.

Таблица 9 - Зависимость степени сорбции ионов элементов от рН и температуры карбонизации ПО, активированных водой (дистиллят)

Продолжение таблицы 9

Изучение сорбционных свойств ПО_акт. – H₂O проводили в зависимости от рН в интервале 1,5 - 11,5. Время сорбции 30 минут. Результаты экспериментов приведены в таблице 9.

Установлено, что степень сорбции всех элементов зависит от рН раствора. Для Zn, Ni, Cr при рН = 8 наблюдается максимальная степень сорбции вне зависимости от температуры карбонизации. Максимальная степень сорбции олова наблюдается на ПО-800 ºС при рН = 8-9 и составляет ~ 97%. Степень сорбции Pb достигает 100% в диапазоне рН = 6-11,5 для углеродных материалов всего температурного интервала. Степень извлечения Cd достигает 100 % в пределах рН = 9 - 11,5 вне зависимости от температуры карбонизации.

Что касается сорбции Au, то она зависит от рН раствора и температуры карбонизации ПО:

· в диапазоне рН = 1,5 - 7 идет полная сорбция Au, после рН = 7 она начинает падать;

· с уменьшением температуры карбонизации сорбция Au понижается. Например, на сорбенте, полученном при температуре карбонизации 500 ºС наблюдается наибольшее уменьшение степени сорбции.

Сорбция Сs и Sr не достигает максимальных значений и находится в пределах ~ 80%, причем для Сs интервал рН составляет 3 - 11,5. Для Sr начальное значение рН, при котором наблюдается наибольшая степень сорбции, находится в более щелочной области.

По результатам проведённых испытаний можно сделать следующий вывод:

1) Токсичные элементы.

Экспериментально установлено, что с увеличением рН до 8 степень сорбции Ni, Cd, Cr, Zn растет и достигает 100%, при дальнейшем увеличении рН до 12 она остается постоянной. В отличие от этих элементов у Sn степень сорбции растет в интервале рН от 1,5 до 7-8, затем после рН > 8 она снижается. Степень сорбции этих элементов не зависит от метода активации карбонизованных сорбентов и температуры карбонизации.

2) Радиоактивные элементы.

У Sr _{стабильный} (⁹⁰Sr) степень сорбции постепенно возрастает в интервале 1,5 -11 и достигает 87,7% для карбонизованного сорбента, активированного Н₂О₂ (700 ˚С). Для карбонизованного сорбента, активированного ПО_акт.– NH₃, характер зависимости степени сорбции от рН тот же, но имеет место зависимость ее от температуры карбонизации: максимальная степень сорбции наблюдается при температуре карбонизации 400ºС и составляет 86,4%.

Из всех исследуемых элементовCs_{стабильный} (¹³⁷Cs) отличается плохой сорбируемостью на активированных ПО. Максимальная степень сорбции Cs_{стабильный} (¹³⁷Cs) составляет ~ 80% при рН = 3 и остается постоянным до рН = 11,5 для активированного сорбента (ПО_акт.-Н₂О). Для активированного сорбента (ПО_акт.–NH₃) степень сорбции Cs_{стабильный} (¹³⁷Cs) достигает максимума при рН = 3 и до рН = 10 практически не меняется, а свыше рН = 10 она опять возрастает и степень сорбции зависит от температуры карбонизации сорбента, активированного аммиаком.

Возможно, чтобы повысить сорбционную активность карбонизованного сорбента по цезию необходимо проводить сорбцию в более щелочной области (рН > 12) или модификацией карбонизованного сорбента методом пропитки раствором гексацианоферратом калия и никеля с проведением процесса сорбции при рН= 5-11, что позволит селективно сорбировать цезий даже из засоленных растворов (140 г/дм³).

Что касается Pb_{стабильный} (²¹⁰Pb), то его поведение при тех же условиях проведения экспериментов, сравнимо с поведением токсичных элементов. С увеличением рН до 7 степень сорбции Pb_{стабильный} (²¹⁰Pb) возрастает, достигая максимума - 100% и остается постоянной в интервале рН от 7до 11,5.

Степень сорбции Pb_{стабильный} (²¹⁰Pb ) не зависит от метода активации карбонизованных сорбентов и температуры карбонизации.