Химия и химическая технология/2. Теоретическая химия

Д.т.н. Краснова Т.А., к.х.н. Беляева О.В., Голубева Н.С.

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, Россия

Адсорбция смеси пиридин – фенол из водных растворов

Природные поверхностные воды и стоки, сбрасываемые в них, могут содержать органические компоненты, являющиеся сильными токсикантами. Для их очистки используют как деструктивные (биологическая очистка, озонирование, электрохимическая обработка), так и рекуперационные методы (экстракция, адсорбция, ионный обмен). Предлагаемые методы в случае очистки малоконцентрированных вод, как правило, довольно дороги, длительны, не всегда эффективны, требуют значительных количеств реагентов либо энергоемки, сопровождаются образованием вторичного загрязнения и потерей ценных веществ. Преимуществом адсорбционных методов очистки водных растворов с низкой концентрацией веществ являются возможность извлечения компонентов, многократного использования адсорбентов, а также малым количеством (по сравнению с другими методами) вторичных загрязнений.

В качестве адсорбентов могут использоваться природные и искусственные минеральные сорбенты, полимерные адсорбенты различного типа, углеродсодержащие материалы. Выбор того или иного адсорбента зависит от свойств извлекаемых компонентов. Однако, несмотря на большое разнообразие сорбентов, использование активных углей для извлечения органических веществ до сих пор остаётся актуальным.

Фенол и пиридин присутствуют в стоках коксохимических и металлургических производств, а также предприятий органического синтеза. Хотя адсорбция фенола достаточно хорошо изучена, в доступной литературе мало информации об адсорбционном извлечении пиридина из водных растворов, а данные о совместной адсорбции пиридина и фенола отсутствуют.

Целью работы являлось изучение адсорбции пиридина и фенола при совместном присутствии из водных растворов углеродными материалами.

В качестве адсорбентов использовались промышленные активные угли (АУ) марок СКД-515, АГ-ОВ-1 и АГ-5 (ОАО "Сорбент", г. Пермь), отличающиеся структурными характеристиками и состоянием поверхности (табл. 1).

Таблица 1.

Характеристики активных углей

Марка АУ		СКД-515	АГ-ОВ-1	АГ-5
SБЭТ, м^2/г		791	682	925
VS, см^3/г		0.56	0.46	0.60
Vмикро, см^3/г		0.36	0.22	0.47
Vмезо, см^3/г		0.20	0.24	0.13
nКФГ, мкмоль-экв./м^2	кислотные	0.34	0.31	0.36
	карбонильные	2.13	2.08	2.07
	основные	0.57	0.48	0.90

Адсорбция органических веществ изучалась в равновесных условиях в интервале концентраций от ПДК до 1.5 г/дм³ при соотношении компонентов в смеси, равном 1:1. Равновесную концентрацию пиридина определяли по собственному поглощению в УФ-области при 256 нм, фенола – по реакции окрашивания с 4-аминоантипирином при 490 нм. Компоненты не мешают определению друг друга.

Анализ полученных изотерм адсорбции (рис.) показал, что при адсорбции смеси присутствие второго органического компонента снижает извлечение фенола, но повышает пиридина. Это противоречит теоретическим положениям адсорбции, согласно которым менее растворимый компонент должен вытеснять более растворимый из адсорбционной фазы (растворимость фенола 8.19 %, пиридин смешивается с водой при любых соотношениях).

Сопоставление величин предельной адсорбционной ёмкости (W₀) адсорбентов, рассчитанных с использованием уравнения Дубинина – Радушкевича (табл. 2), показало, что пористые характеристики АУ не оказывают влияние на адсорбцию пиридина.

Рис. Изотермы адсорбции фенола (а) и пиридина (б) активными углями марок СКД-515 (♦), АГ-ОВ-1 (■), АГ-5 (▲) из индивидуальных водных растворов (заштрихованный маркер) и смеси при соотношении 1:1 (пустой маркер).

Таблица 2. Предельная адсорбционная ёмкость активных углей
марка АУ	состав	W0, см^3/г
		фенол	пиридин
СКД-515	I	0.29	0.07
	II	0.23	0.17
АГ-ОВ-1	I	0.24	0.07
	II	0.22	0.11
АГ-5	I	0.34	0.08
	II	0.28	0.10
I – индивидуальный раствор; II – смесь при соотношении 1:1.

Суммарная величина W₀, занимаемого компонентами при адсорбции из смеси для всех АУ, сопоставима со значениями, соответствующими сумме W₀ пиридина и фенола при адсорбции из индивидуальных водных растворов. Присутствие фенола позволяет частично вытеснить с поверхности адсорбента молекулы растворителя (воды), облегчая доступ пиридину к поверхностным кислородсодержащим группам (КФГ), т.е. усиливая его специфическую адсорбцию. Рост адсорбции пиридина зависит не только от количества, но и функционального состава КФГ. Фенол, адсорбирующийся преимущественно за счёт дисперсионного взаимодействия, занимает оставшееся свободное место.