Энергетика адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните

АННОТАЦИЯ

В настоящее время бентонитовые сорбенты используются во многих отраслях промышленности. Бентониты являются важным сорбентом для очистки различных госсиполовых и других органических соединений в пищевой промышленности. Однако на сегодняшний день неясно, зависит ли их каталитическая активность от наличия известных активных центров или от структуры их поверхности. Теоретические основы адсорбционных процессов в бентонитах на молекулярном уровне требуют регулярных фундаментальных исследований. Мы попытались получить более подробную информацию о механизме адсорбции на поверхности бентонита, используя высокочувствительную адсорбционную калориметрию.

ABSTRACT

Currently, bentonite sorbents are used in many industries. Bentonites are an important sorbent for the purification of various gossypol and other organic compounds in the food industry. However, it is currently unclear whether their catalytic activity depends on the presence of known active sites or on the structure of their surface. The theoretical foundations of adsorption processes in bentonites at the molecular level require regular fundamental research. We tried to obtain more detailed information on the mechanism of adsorption on the surface of bentonite using the calorimeter method.

Ключевые слова: адсорбция, дехканабадский бентонит, оксид углерода (IV), адсорбционный калориметр.

Keywords: adsorption, Dekhkanabad bentonite, carbon dioxide, adsorption calorimeter.

Из-за низкого значения заряда и слабого электростатического взаимодействия между трехслойной поверхностью и многослойными катионами, минералы группы монтмориллонита содержат в своем составе катионы, молекулы воды и многих органических веществ. Другими словами, в этой группе минералов адсорбция и десорбция могут протекать не только на внешней, но и на внутренней поверхности кристаллитов. Важная часть катионообменной способности монтмориллонитов обусловлена изоморфными замещениями в решетке и, следовательно, не зависит от pH, но но боковые поверхности частицы монтмориллонита могут быть источником катионов водорода [1]. Адсорбция катионов металлов на поверхности алюмосиликатов может принимать три формы: внутрислойные агрегаты (специфическая адсорбция), внешние сферические комплексы (неспецифическая адсорбция) и диффузные слои [2].

Было проведено несколько исследований по изучению адсорбции полярных и неполярных молекул на различных бентонитовых адсорбентах и  определению полных термодинамических свойств процессов сорбции калориметрическим методом в высоковакуумном адсорбционном устройстве. [3-9].

Цель данного исследования: изучение механизма и энергетических параметров адсорбции углекислого газа в дехканабадском бентоните с использованием высокочувствительной адсорбционной калориметрии.

Материалы и методы. Дифференциальная теплота адсорбции измерялась в калориметре DAК 1-1 модели Тиан-Кальве. Для определения изотермы адсорбции пользовались объемным методом. Точность изотермы адсорбции составляет 0,1% и теплоты - до 1% [10]. Оксид углерода (IV) полученный в виде адсорбата, очищали и сушили в вакууме перед использованием в процессе сорбции [11]. Адсорбцию оксида углерода (IV) в бентоните «Дехканабадский» проводили при 303 К.

Результаты и обсуждение. Прежде всего, следует отметить, что из-за высокого давления насыщенного газа - оксида углерода (IV) (P°=54086 мм рт ст) при температуре эксперимента 30°С получить полную изотерму адсорбции СО₂ в дехканабадском бентоните не представляется возможным. Изотерма адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните представлена на рисунке 1-а.

Рисунок 1. а) Изотерма адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните при 303 К. б) Дифференциальная теплота адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните при 303 К. Горизонтальная пунктирная линия - теплота конденсации

В начальной области поглощения изотерма плавно восходящая, а от величины адсорбции ~ 40 мкмоль/г резко растет вверх. Изотермическая обработка по уравнению Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ) показала точную площадь поверхности 88,8 м²/г.

Дифференциальная теплота адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните имеет ступенчатую форму, график которой показан на рисунке 1-б. В этом адсорбенте начальная адсорбция начинается с 73,2 кДж/ моль и постепенно волнообразно уменьшается. Теплота адсорбции составляет 47,5 кДж/моль при 10 мкмоль/г с максимальным значением 63 кДж/моль при 3 мкмоль/г. При 60 мкмоль наблюдается равновесие 35 кДж/моль, после чего оно повышается до 40 кДж/ моль, где адсорбция составляет 80 мкмоль. Затем, когда адсорбция достигает 120 мкмоль, теплота конденсации равна теплоте адсорбции. Из-за низкого содержания металлического натрия в глинистых минералах теплота адсорбции ниже 65 кДж / моль. Заполнение бентонита активными металлами приводит к более высокой теплоте адсорбции и относительно более быстрому образованию ионно-молекулярных комплексов. Из-за миграции небольших количеств катионов щелочных металлов наблюдается колебание теплоты адсорбции.

Рисунок 2. а) Дифференциальная энтропия адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните при 303 К. Горизонтальная линия - это средняя интегральная энтропия. б) Равновесное время адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните при 303 К.

На рис. 2-а показана энтропия адсорбции оксида углерода (IV) на дехканабадском бентоните. При адсорбции до 50 мкмоль оксида углерода (IV) эта величина ниже энтропии стандартного состояния. Далее кривая уходит вверх, превышая стандартную величину. Средняя интегральная энтропия составляет 24,11 Дж / (моль * К).

На рис. 2-б показано равновесное время адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните. Как можно видеть, адсорбция начинается через 1,5 часа времени равновесия и снижается до нескольких минут в конце процесса. Время установления равновесия адсорбции и график теплоты адсорбции можно объяснить адсорбцией оксида углерода (IV) на поверхности глинистых минералов и на боковых слоях в конце процесса.

Заключение. Дифференциальная теплота адсорбции оксида углерода (IV) в дехканабадском бентоните носит волнообразный характер. Значения изотермы адсорбции поверхности сорбента были определены с использованием уравнения БЭТ. Изначально на поверхности дехканабадского бентонита локализуются молекулы оксида углерода (IV) с концентрацией 40 мкмоль/г.

Список литературы:

1. Соколова Т. А., Дронова Т. Я., Толпешта И. И. Глинистые минералы в почвах: Учебное пособие. Тула: Гриф и К, 2005. 36-40 с.
2. Соколова  Т.  А.,  Трофимов  С.  Я.  Сорбционные  свойства  почв. Адсорбция.  Катионный  обмен:  учебное  пособие  по  некоторым  главам химии почв. Тула: Гриф и К, 2009. 72-76 с.
3. Mamajonova M.A., Salikhanova D.S., Abduraxmonov E.B., Ismoilova M.A. Adsorption Isotherm, Differential Heat, Entropy and Thermokinetics of Benzene Vapor in Pakistan Bentonite//International Journal of Materials and Chemistry 2020, 10(2): 23-26
4. Мамажонова М.А., Салиханова Д.С., Исмоилова М.А., Эшметов И.Д., Абдурахмонов Э.Б. Изучение физико-химических свойств бентонитов Узбекистана, с целью получения активированных глинистых адсорбентов//Universum: технические науки Выпуск: 10(79), октябрь 2020 г. C.87-91.
5. Мамажонова М.А. Аскамар бентонитида бензол буғи адсорбция механизмлари//Композиционные материалы. -2020. -№3. Б. 231-235
6. Салиханова Д.С., Исмоилова М.А.Махаллий бентонитлар асосида пахта мойини тозалаш учун адсорбентлар олиш// Наманган мухандислик-технология институти илмий-техника журнали, Том 5-(2), 2020, С.120-125.
7. Mamajonova Maxfora Abdukhakimovna, Salikhanova Dilnoza Saidakbarovna Adsorption differential heat and  isotherm of benzene vapor in pakistan bentonite //WORLD SCIENCE: сборoник статей XLVIMII Международной научно-практической конференции «WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS», Состоявшейся 30 ноября 2020 г. в г. Пенза. Р.19-22
8. Мамажонова М.А., Салиханова Д.С., Эргашев О.К.Активланган азкамар бентонити намуналарида бензол адсорбцияси энергетикаси// Ўзбекистон Миллий Университети «Кимёнинг долзарб муаммолари» мавзусидаги республика илмий-амалий анжумани 2021 йил 4-5 февраль Б.86-87.
9. Мамажонова М.А., Абдурахмонов Э.Б.,Салиханова Д.С., Исмоилова М.А., Бентонитида углерод (IV) oксиди адсорбцияси изотермаси, дифференциал иссиқлиги, энтропияси ва термокинетикаси// Нукус Давлат Университети “Қорақалпоғистон республикасида кимё ва кимёвий  технология соҳалари ривожининг долзарб масалалари” мавзусидаги илмий-амалий конференция материаллари тўплами, 2021 йил 24 март, 422-424 б.
10. Mentzen B.F., Rakhmatkariev G.U. Host/Guest interactions in zeolitic nonostructured MFI type materials: Complementarity of X-ray Powder Diffraction, NMR spectroscopy, Adsorption calorimetry and Computer Simulations // Узб. хим. журнал, 2007. -№6. -С. 10-31.
11. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972. – 720 c.