ПОЛУЧЕНИЕ ГЛИНИСТОСИЛИКАТНЫХ АДСОРБЕНТОВ

Известно много методов активации природных алюмосиликатов, среди которых кислотный метод является превалирующим.

Метод кислотной активации имеет ряд существенных недостатков, среди которых потеря до 25% глинистого вещества в процессе активации [381] и необходимость утилизации кислых отходов и промывных вод, что связано с большими дополнительными затратами.

Все это существенно снижает его привлекательность. Позже ряд указанных недостатков активации глин устранен путем получения глинисто-гидроксидных адсорбентов [382].

Несмотря на это, ряд вопросов, связанных со свойствами получаемых адсорбентов на основе глин, остался открытым.

Здесь же следует отметить, что полученные глинисто-гидроксидные адсорбенты представлены смесью активированной глины и гидроксидов металлов, что существенно изменяет химическую природу поверхности, сорбционную и каталитическую активность получаемых образцов.

Иначе говоря, монтмориллонитовая глина в процессе кислотной активации, вследствие нарушения кристаллической структуры и частичного удаления из ее состава алюминия теряет не только свою подвижность и естественную способность к набуханию в полярных растворителях, но и химическую природу поверхности. Дело в том, что объем межпакетного пространства кристалла монтмориллонита в зависимости от степени его раздвижения способен в разы увеличить емкость поглощения и удельную поверхность. В связи с этим разработка новых энергосберегающих методов активации монтмориллонитовых глин является одной из основных задач для получения дешевых и высокоактивных минеральных адсорбентов с регулируемой емкостью поглощения и удельной поверхностью.

Суть метода базируется на учете свойств монтмориллонитовых глин и выборе нетрадиционного «холодного» метода их активации, учитывающего набухание глин и присутствие компонентов, расклинивающих межпакетное пространство кристаллической решетки монтмориллонита [383-386]. В качестве такого расклинивающего агента нами использован 5 и 10 % раствор силиката натрия.

С его помощью было приготовлено несколько глинистосиликатных смесей, содержащих силикат натрия от 5 до 80 масс. % к весу глины, в пересчете на Si02. Продолжительность набухания глины составляла 2 часа. По истечении данного времени образцы были нейтрализованы 10% серной кислотой до pH 5.

Полученный осадок тщательно отмывался от солей на вакуум-фильтре, формовался в виде цилиндрических гранул, высушивался 24 часа на воздухе, после чего прокаливался в сушильном шкафу при температуре 200 °С. Образцы монтмориллонитовых глин, обработанные таким образом, исследовались с помощью адсорбции азота объемным методом на адсорбционном анализаторе ASAP 2020 МР. Кривые распределения объема пор по диаметрам и изотермы сорбции изученных образцов представлены в таблице 6.2 и на рисунке 6.3.

Изотермы низкотемпературной сорбции-десорбции азота и кривые распределения диаметра пор глиносиликатных образцов. Номера у изотерм и кривых распределения пор соответствуют номерам образцов таблицы

Рис. 6.3. Изотермы низкотемпературной сорбции-десорбции азота и кривые распределения диаметра пор глиносиликатных образцов. Номера у изотерм и кривых распределения пор соответствуют номерам образцов таблицы

Анализ данных таблицы и рисунка показывает, что сорбционная емкость и удельная поверхность образцов глины, набухшей в указанных растворах силиката натрия, заметно отличаются друг от друга. Дальнейший контакт глины с раствором Ма23, как показали исследования, не дает сколь-нибудь положительного эффекта.

При этом следует отметить, что продолжительность набухания глины в растворе N328103, а также рост содержания силикагеля в составе глинистого образца выше 10 масс. %, как следует из данных таблицы 6.2, не способствует росту сорбционной емкости и удельной поверхности получаемых пористых тел.

Так, например, величина емкости поглощения и удельной поверхности образцов глины, набухших в 5% растворе Ма23 соответственно равны 100 м2/г и 0,125 см3/г, в то время как в 10% растворе аналогичные показатели составили 194 м2/г и 0,221 см3/г.

Рост структурных параметров монтмориллонитовых глин, как уже было отмечено, обусловлен расклиниванием пакетов кристаллической решетки глинистого минерала частицами 8Ю2, механическая прочность которых препятствует ее сжатию в процессе сушки, что подтверждают и результаты рентгеноструктурных исследований (рисунок 6.4).

Очевидно, в этом случае силикагель и глинистый материал образуют общую пористую структуру, существенно отличающуюся как от структуры глинистого минерала, так и силикагеля. Силикагель в данном случае выполняет роль расклинивающего агента, не проявляя собственных структурных особенностей. Дальнейший рост количества силикатного компонента в составе глинистого образца сопровождается уменьшением его структурных параметров.

Причин здесь несколько: во-первых, в межпакетном пространстве кристаллов монтмориллонита увеличивается содержание частиц 8Ю2, сокращающих внутрикристаллический объем глинистого минерала; во-вторых, образующийся силикагель совместно с частицами монтмориллонита формирует достаточно плотную упаковку, в которой глинистые частицы заполняют пространство между цепями силикагеля.

Результаты рентгенфазового исследования глинистосиликатных образцов. Номера у графиков соответствуют номерам образцов таблицы

Рис. 6.4. Результаты рентгенфазового исследования глинистосиликатных образцов. Номера у графиков соответствуют номерам образцов таблицы

Свидетельством тому могут служить данные таблицы и рисунков, из которых видно, что удельная поверхность и сорбционная емкость образцов проходят через максимумы при обработке глины 10% раствором силиката натрия, содержащим 10% 8Ю2 по отношению к весу глины . Наоборот, дальнейший рост количества силикагеля в составе образца, по указанной причине, не способствует развитию его структуры (рисунок 6.5).

Изменение удельной поверхности (а) и сорбционной емкости (б) образцов в зависимости от процентного содержания 8Ю в их составе

Рис. 6.5. Изменение удельной поверхности (а) и сорбционной емкости (б) образцов в зависимости от процентного содержания 8Ю2 в их составе

Наряду с этим следует отметить, что метод осаждения силикагеля оказывает влияние на пористость получаемых образцов.

Так, например, при быстром осаждении силикагеля формируются образцы с более низкой удельной поверхностью и сорбционной емкостью, что связано с формированием более однороднопористой их структуры и более низким содержанием микропор, что подтверждают кривые распределения объема пор по диаметрам (рисунок 6.3).

Учитывая, что глинистосиликатные образцы теряют способность набухать при контакте с водой, это позволяет использовать их для очистки водных и полярных сред, что создает ряд преимуществ при их практическом использовании.

Попутно следует отметить, что указанный метод получения глинистосиликатных образцов открывает путь для использования других глинистых минералов монтмориллонитовой группы, таких как сапонит, гекторит, волконскоит, нонтронит, бейделлит.

Не исключено, что среди них найдется место и галлуазиту, содержащему частицы палочкообразной формы, расположение которых между глобулами силикагеля не будет нарушать его структуру.

Наряду с изучением расклинивающего действия 8Ю2 на кристаллическую структуру монтмориллонита, исследовано и влияние на этот процесс активации глинистого минерала в указанных растворах силиката натрия на протяжении 0,5, 1 и 2 часов.

Сопоставление структурных параметров образцов, модифицированных 5 и 10% раствором силиката натрия, показывают, что увеличение их сорбционной емкости и удельной поверхности обеспечена, главным образом, за счет расклинивающего действия 8Ю2 кристаллической решетки глинистого минерала, и лишь несколько процентов - за счет гидроксидов, полученных вследствие растворения компонентов глины во время ее активации при 100 °С на протяжении 30 мин. Это говорит о том, что для получения активных адсорбентов на основе природного монтмориллонита достаточно модифицирования его структуры соответствующими компонентами, расклинивающими пакеты кристаллической решетки.

Увеличение времени активации образцов до 2 часов, как показали исследования, не способствует росту их структурных параметров, а наоборот, вследствие отсутствия свободной щелочи в растворе направлено на объемное уплотнение элементов их структуры и межпакетного пространства, т.е. на некоторое уменьшение величин 8уд и У5.

В заключение нам хотелось бы отметить, что раздвижение пакетов кристаллов монтмориллонита можно регулировать путем подбора подпорок, различающихся размером и обладающих достаточной механической прочностью. Эластичные подпорки, например, многие гидроксиды металлов, малоэффективны для этой цели, так как не обеспечивают максимального развития структуры монтмориллонитовых глин. Помимо самого модифицирующего агента, необходимо тщательно подобрать его концентрацию в растворе. Дело в том, что при высокой его концентрации в растворе межпакетное пространство кристаллов глинистого минерала будет заполнено частицами модификатора, уменьшая, тем самым, сорбционную емкость получаемого образца.

Таблица 6.2

Адсорбционно-структурные характеристики монтмориллонитовой глины, модифицированной частицами 8Юг

п/п

Сод-е

5/0,

в сос-е

глинистого образца, масс. %

Скорость

осаждения

Время активации,

ч

5уд, м

к,

см3

1

0

-

-

48

0,106

2

5

медленно

-

100

0,125

3

5

медленно

0,5

117

0,143

4

5

быстро

-

74

0,108

5

5

быстро

0,5

152

0,154

6

10

медленно

-

194

0,221

7

10

быстро

-

190

0,193

8

10

медленно

0,5

182

0,206

9

10

быстро

0,5

194

0,181

10

10

медленно

1

172

0,209

11

10

медленно

2

160

0,217

12

30

медленно

-

156

0,112

13

30

быстро

-

143

0,104

14

50

медленно

-

151

0.108

15

50

быстро

-

153

0,105

16

80

медленно

-

72

0,101

17

80

быстро

-

66

0,097

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >