Исследование термодинамических и кинетических характеристик ионообменной сорбции катионов Cu2+, Pb2+, Hg2+, Co2+ и катионов Na+ на железомарганцевых конкрециях

• Автор: Жадовский, Иван Тарасович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 140 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1Л. Методы очистки воды от катионов металлов
1.2. Железомарганцевые конкреции (ЖМК), как основа новых материалов для очистки воды
1.3. Кинетика и термодинамика ионного обмена на природных сорбентах 27 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Объект исследований
2.2. Определение удельной поверхности
2.3. Исследование термодинамики ионообменной адсорбции
2.4. Исследование кинетики ионообменной адсорбции
2.5. Методики анализа
ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИКА ИОНООБМЕННОЙ СОРБЦИИ
3.1. Исследование изотерм ионообменной сорбции катионов Си2+, РЬ2+,Со2+, Н§2' и Ыа+ на железомарганцевых конкрециях
3.2. Полученные результаты и выводы к главе III
ГЛАВА 4. КИНЕТИКА ИОНООБМЕННОЙ СОРБЦИИ
4.1. Кинетика ионообменной сорбции катионов свинца (II) и натрия
на ЖМК
4.2. Кинетика ионообменной сорбции катионов ртути (II) и натрия
на ЖМК
4.3. Полученные результаты и выводы к главе IV
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена исследованию термодинамики и кинетики ионообменной сорбции катионов Си2+, Со", РЬ2+, Щ2+ и №+ на поверхности железомарганцевых конкреций (ЖМК) Финского залива.
В настоящее время продолжается интенсивное развитие и внедрение методов ионного обмена в самых разных областях химической технологии, все более выявляется роль ионного обмена в геологических и биохимических процессах [1].
Следует ожидать дальнейшего развития ионообменных технологий, прежде всего, в связи с настойчивой необходимостью перехода к безотходным, экологически чистым методам производства.
Актуальность работы.
Существующие методы очистки сточных вод являются малоэффективными и дорогостоящими. Возрастающее количество стоков промышленных предприятий требует разработки новых способов очистки вод.
Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет утилизировать ценные примеси, очищать воду до предельно допустимых концентраций и обеспечивает возможность использования очищенных сточных вод в производственных процессах или в системах оборотного водоснабжения [1-4].
Синтетические иониты дороги, поэтому для очистки больших объемов воды экономически оправдано использование природных сорбентов. Перспективно использование для их производства отходов агломерации ЖМК завода ОАО «Диомар» в г. Кингисепп. При этом достигается комплексное использование сырья. Отработанный сорбент может быть использован на заводе «Диомар» для получения марганца и цветных металлов, то есть может быть возвращен в оборот.

Таким образом, актуальным является разработка природных материалов для очистки сточных вод, а также комплексное использование сырья для производства данных сорбентов. Эти технические задачи требуют для их решения развития исследований термодинамики и кинетики процессов ионного обмена, накопления физико-химических констант и значений энергий Гиббса ионообменных равновесий для широкого круга извлекаемых катионов, выявление на этой основе закономерностей сорбционных процессов, количественных характеристик вытеснительной способности катионов.
Предварительное исследование емкости различных неорганических фильтрующих материалов показало, что перспективными фильтрующими материалами могут стать железомарганцевые конкреции. Они обладают высокими пористостью и удельной поверхностью.
Изучение кинетики и термодинамики ионообменной сорбции на ЖМК позволит накопить физико-химические данные по ионному обмену, которых в литературе недостаточно, и разработать на этой основе новый способ очистки сточных вод, а также подземных вод от катионов цветных металлов.
Цель работы:
Изучение изотерм ионообменной сорбции катионов металлов на природном сорбенте - железомарганцевых конкрециях (ЖМК), определение констант ионообменной сорбции, оценка посадочных площадок катионов металлов, определение кинетических параметров ионообменной сорбции как основы для развития теории ионного обмена. Построение лиотропного ряда вытеснительной способности катионов на основе определения энергии Гиббса ионообменной сорбции.

исходным значением рН=9, исследование проводили в статических условиях при соотношении т:ж=1:10 и различном гранулометрическом составе сорбента (0,25-0,5; 0,5-1,0; 1-2; 2-3 мм) при температурах 20, 45, 60°С. Авторы выделили две области процесса сорбции на цеолитах: внешнедиффузионную при времени сорбции т —» 0 и внутридиффузионную при т — со, рассчитали значения констант скоростей процесса сорбции и коэффициентов диффузии в зависимости от исходной концентрации адсорбата, гранулометрического состава и температуры. Данные эксперимента приведены в таблице 11.
Как видно из экспериментальных данных работы [68], с увеличением концентрации модельного раствора уменьшаются значения констант скорости сорбции во внешне- и внутридиффузионной областях. Увеличение размера зерен адсорбента приводит к увеличению значения констант скорости во внешнедиффузионной области и уменьшению во внутридиффузионной области, температурный фактор не влияет на изменение к! и сказывается только на значениях характеристик внутридиффузионной области кинетики: Б и к2. Рассчитанное значение энергии активации составляет 13,47 кДж-молтГ1 и характеризует процесс пленочной и гелевой диффузии.
Таблица 11 Кинетические параметры сорбции ионов 5еО;к~ в зависимости от концентрации модельного раствора, диаметра зерна сорбента и температуры
Исходная концентрация ионов 8еОз2', моль-л"1 Константа скорости внешнедиффузионного процесса к[-103, с’1 Эффективный коэффициент диффузии э-ю8, см2-с-1 Константа скорости внутридиффузионного процесса ІС2,-104, с’1
0,0009 3,34 163,00 28
0,0046 3,20 19,40 3
0,0081 2,50 1,27 0
0,0477 3,20 1,43 0
0,091 2,98 6,71 1
Диаметр зерна сорбента, мм к,-Ю3, с'1 Б-108, см~-с"' к2-104, с1
0,25-0,5 2,99 8,28 1