Исследование сорбционных свойств композиционных материалов

Способность бентонитовых глин к поглощению различных веществ давно известна и сравнительно хорошо изучена. Глинистые минералы применяют в основном как сорбенты и коагулянты для очистки водных сред [1,2].

Основной недостаток глинистых минералов как сорбентов – это невозможность применить сорбционную технологию с их участием в колоночном варианте, т.е. динамических условиях.

Рис. 3.5.1. Способы реализации сорбционных процессов

а) статический б) динамический

Попытка модифицировать для этого глинистые сорбенты термической обработкой при 800-1200⁰С всегда приводит к необратимой потере сорбционных свойств глинистого минерала и понятно почему: при такой температуре происходит спекание алюмосиликатных слоев.

Выходом из этой ситуации может быть создание новых материалов на основе глинистых минералов, а именно, полимерных нанокомпозитов.

В данной работе в процессе реакции полимеризации мономера в глине, образуется композиция, которая представляет собой твердую однородную массу способную набухать в воде и обладает свойствами эффективного фильтрующего материала, в том числе и в динамических условиях очистки воды.

Ионообменные свойства композиции определяются как свойствами полимера – полиамфолита. так и катионообменными свойствами бентонитовой глины.

Исследование сорбции у полученных фаз осуществляли традиционными способами, которыми обычно пользуются для оценки «активности» сорбентов: по адсорбции метиленового синего и йода из водного раствора, в статических условиях.

Равновесную концентрацию метиленового синего (3,7-бис (диметиламино) – фетазин) после адсорбции на образцах глины и композита определяли фотометрическим методом на КФК-2 при длине волны света λ=750 нм. Зависимость адсорбции от концентрации красителя описывали эмпирическим уравнением Фрейндлиха в логарифмической форме:

где х- масса адсорбированного красителя, мг; m-масса глины, г; С- равновесная концентрация красителя мг/мл; lgа и b – константы, вычисленные МНК.

Для сравнения сорбционных возможностей исходной бентонитовой глины и композитов были проведены количественные измерения и построены кривые адсорбции.

Таблица 3.5.1.

Результаты адсорбции МС Na-формой монтмориллонита

месторождения «Герпегеж»

Рис.3.5.2. Изотерма адсорбции метиленового синего Na-монтмориллонитом (Герпегеж)

Таблица 3.5.2.

Результаты адсорбции МС композиционным материалом

Рис. 3.5.3. Изотерма адсорбции метиленового синего композиционным материалом на основе Na-монтмориллонита и метакрилата гуанидина.

Рис.3.5.4. Сравнительная диаграмма изотерм адсорбции Na-монтмориллонита и композиционного материала ММТ+МАГ

Таблица 3.5.3.

Оценка адсорбционной емкости полимерных композитов

Таким образом, результаты исследований показывают о существенном увеличении адсорбционных свойств модифицированного бентонита по сравнению с исходной Na-формой глины месторождения Герпегеж.

Представляло смысл апробировать полученные сорбенты по отношению к фенолу. Фенол – один наиболее представительных органических загрязнителей, которые даже в малых количествах представляют большую опасность, как для здоровья человека, так и для окружающей среды. Попадая в воздух, воду и грунт, фенол и его производные способны вызывать генные мутации в живых организмах, а в больших количествах – влиять на видовое разнообразие. Были построены изотермы адсорбции фенола из его водных растворов при комнатной температуре.

Рис.3.5.5. Изотерма сорбции фенола монтмориллонитом и гуанидинсодержащими композиционными материалами

Данные исследования показывают, что поглощательная способность сорбентов по отношению к фенолу увеличивается для композиционных материалов, которые были получены при обработке более высокой концентрацией мономеров. Интересно и то, что при содержании фенола менее 1мг/л его извлечение из раствора составляет 80-95%.

Возможность извлечения синтезированными композиционными материалами некоторых тяжелых металлов из сточных и природных вод исследовали с использованием модельных растворов.

Извлечение ионов металлов из водного раствора оценивалось следующими параметрами:

1) концентрацией ионов металла в исходном растворе и в растворе, обработанном сорбентами;

2) степенью извлечения ионов металла.

Измерения массовой концентрации металлов в пробах воды до и после обработки композитами проводили атомно-адсорбционным методом с электротермической атомизацией с использованием атомно-адсорбционного спектрометра «МГА-915».

Для исследования сорбции меди на композитах в динамических условиях раствор CuSO₄ заданной концентрации в интервале 1´10^-4 – 1 моль/л пропускали через колонку с предварительно набухшими в воде композитами со скоростью 0,15 мл/мин при загрузке колонки 0,1 г в пересчете на сухое вещество. Фильтрат раствора на выходе колонки собирали через фиксированные промежутки времени отдельными порциями и в каждой порции с помощью атомно-абсорбционного метода определяли концентрацию ионов меди. Результаты сорбции меди, свинца и кадмия представлены в таблице 3.5.4.

Таблица 3.5.4.

Измерения массовой концентрации металлов в пробах воды до и после обработки композитами

Как видно из таблицы, синтезированные гуанидинсодержащие композиты проявляют достаточно высокую сорбционную активность в отношении изученных металлов, причем у композита с полиакрилатом гуанидина наблюдается наиболее выраженная способность связываться с ионами металлов.