ИЗОТЕРМА АДСОРБЦИИ ПАРОВ ВОДЫ НА ПОЛУЧЕННЫХ АДСОРБЕНТАХ

АННОТАЦИЯ

Представленные в статье результаты исследования изотермы адсорбции паров воды на мезапористых адсорбентах на основе кремния были проведены в вакуумном адсорбционном устройстве с кварцевыми пружинами. По результатам построения изотермы определяли удельную поверхность (S_уд) кремнеземного адсорбента по уравнению БЭТ. Изучены адсорбционные (сорбционно-структурные и объемные) характеристики сорбции воды в образцах: объем насыщения пор, размер монослоя, размер пор, мезопор и микропор.

ABSTRACT

The results of the study of the adsorption isotherm of water vapor on mesaporous silicon-based adsorbents presented in the article were carried out in a vacuum adsorption device with quartz springs. Based on the results of constructing the isotherm, the specific surface area (S_s) of the silica adsorbent was determined using the BET equation. The adsorption (sorption-structural and volumetric) characteristics of water sorption in samples were studied: pore saturation volume, monolayer size, pore size, mesopores and micropores

Ключевые слова: изотерма, адсорбат, вода, удельный поверхность, насыщения пор, размер монослоя, сорбция, вакуумная установка

Keywords: isotherm, adsorbate, water, specific surface area, pore saturation, monolayer size, sorption, vacuum unit

Введение. Импорт адсорбентов для производственной отрасли Узбекистана влияет на экономику. Разработка адсорбентов на основе местного сырья и отходов и рекомендация их в качестве заменителя импортной продукции служит не только решению экономических, но и эколого-экологических проблем [1-3].

Сегодня для производства адсорбентов важно выбирать сырье, отвечающее требованиям его способности быть адсорбентами. К группе сырья, отвечающей этому требованию, относятся адсорбенты на основе угля [4-5], минералоглинового типа [6-8], древесины различных деревьев [9-10]. Они участвуют в процессе адсорбции между своими порами и слоями, основанном на механизме адсорбат-адсорбент. Кроме того, актуальным является их производство на основе некоторых видов отходного сырья, отвечающего требованиям адсорбента по химическому составу [11-12]. При этом в результате получения адсорбента с высокой адсорбционной активностью и пористостью можно получить импортозамещающий недорогой продукт.

Если считать рисовую шелуху отходом производства и с учетом ее химико-минералогического состава направить на производство адсорбента, то становится возможным использование адсорбентов с мезапористыми свойствами в различных областях промышленности. В исследованиях авторов [13-14] предложена технология извлечения оксида кремния из состава рисовой шелухи. В качестве темплата для оксида кремния был выбран силиказол, изучены изотермы адсорбции азота и изучены различные текстурные свойства [15].

Методика эксперимента. В данной исследовательской работе, являющейся продолжением предыдущей работы [16-17], была изучена изотерма адсорбции водяного пара адсорбентом на основе кремнезема, полученным из рисовой шелухи. Снятия изотерм адсорбции паров водқ на кремнеземных адсорбентах  проводилось на вакуумной весовой адсорбционной установке с кварцвыми пружинными весами.  Изотермы адсорбции адсорбатов (паров газов и жидкостей) на сорбентах изучали на высоковакуумных весах Мак-Бен-Бакра [17]. Прибор оснащен высокочувствительной кварцевой спиралью, уровень чувствительности которой равен 1,78-10-3 кг/м. Прибор Мак-Бенна-Бакры оснащен стеклянной колонкой, кварцевыми спиралями и контейнерами, то есть специальными чашками для адсорбентов. Адсорбционную колонку с образцами сорбента поддерживают при температуре 20°С с точностью до 0,1°С в водяном термостате. Форвакуумные и диффузионные насосы создают давление 10^-5 мм рт. ст. в приборе, где происходит процесс адсорбции, создавая вакуум, разность давлений в U-образных монометрах измеряют с помощью катометра типа В-630. Выбранную в качестве адсорбата воду перед использованием в процессе сорбции очищали и сушили в условиях вакуума, замораживали до достижения давления ее паров, равного данным давления воды, приведенным в таблице, а затем нагревали для удаления из нее растворенных газов и используется в процессе адсорбции.

Результаты и их обсуждение. На полученных образцах была изучена изотерма адсорбции полярной молекулы (вода) в дополнение к молекуле бензола. Полученные результаты показаны на изотермы адсорбции паров воды на кремнеземных адсорбентах. На рис.1 привидены изотермы адсорбции паров воды  на кремнеземных адсорбентах. Было обнаружено, что во всех исследованных системах изотермы первоначально резко повышаются до относительного давления P/P_s=0,3, затем медленно повышаются в диапазоне P/P_s=0,4-0,7 и снова резко повышаются в состояниях насыщения (P/P_s=0,8-1,0). Ранние стадии адсорбции протекают по мере того, как молекулы воды образуют комплексы с катионами, содержащими адсорбенты в виде K⁺(H₂O)_n.

Рисунок 1. Изотерма адсорбции паров воды на кремнеземных адсорбентах

Более поздние стадии протекают с адсорбцией между верхними и нижними центрами с усилением адсорбции, а заключительные стадии - с капиллярной конденсацией. Изучение структуры пористости мезопор твердых тел часто связано с изотерм адсорбции IV типа. Этот тип изотермы характеризуется главным образом поглощением мезопор. При низком давлении начальная часть IV и II изотерм аналогична друг другу. Но изотерма IV типа смещается вверх от определенной точки, а затем ее наклон уменьшается при более высоких давлениях. При приближении к давлению насыщенного пара (P/P_s=1) величина адсорбции может значительно увеличиться. Значения дипольного момента полярного и неполярного, природа адсорбентов и структура слоев адсорбента, расстояние между основаниями и объем пор, образующихся между этими слоями, а также радиус оказывают существенное влияние на величину адсорбции.

Молекулы с высоким дипольным моментом вода имеют низкий дипольный момент, это означает, что величина адсорбции по сравнению с нулевым значением молекул была высокой во всех образцах. Например, было обнаружено, что у образца 400^оС (200 кДа) скорость адсорбции составляет 14,30 ммоль/г по сравнению с водой. Следовательно, влияние электронной природы адсорбента на применение адсорбентов в процессах адсорбции велико.

Таблица 1.

Структурно-сорбционные показатели полученных образцов на основе кремнеземных адсорбентов при адсорбции паров воды

На основе результатов изотермы полярной молекулы воды в кремнеземных адсорбентах были изучены сорбционно-структурные свойства, полученные результаты представлены в табл. 1. При наличии изотерм адсорбции паров воды на кремнеземных адсорбентах по важным параметрам сорбентов рассчитывали емкость монослоя am, объем насыщения Vs (или адсорбцию as) и их относительные поверхности S_уд.

Среди полученных кремнеземных адсорбентов оказались наибольшими удельная поверхность (S_уд) и объем насыщения (a_s) образца с массой 200 кДа, синтезированного при температуре 400°С. Также можно видеть, что удельная поверхность (S_уд) и объем насыщения (a_s) высоки в образце 244/22 500 кДа при 400°C.  Видно, что удельная поверхность (S_уд) и объем насыщения (a_s) образца 230/22 являются самыми высокими среди полученных кремнеземных адсорбентов.

Таблица 2.

Показатели объема пор при адсорбции водяного пара на кремнеземных адсорбентах

Уравнение теории объемного насыщения микропор определялось на основе изотерм адсорбции водяного пара на кремнеземных адсорбентах при различных относительных давлениях (P/P_s), объемы адсорбции - микропоры (W₀), мезопоры W_me и объем адсорбции насыщения (V_s), а также значения средний радиус пор r_ср. приведены в таблице 2.

Выводы. Установлено, что объем микропор (W₀) образцов кремнеземного адсорбента, синтезированного при температуре 400°С, а также объемы адсорбции (V_s) для их насыщенных состояний увеличились.

Согласно результатам адсорбции паров молекул воды полученные адсорбенты могут быть использованы в качестве адсорбентов с целью очистки производственных продуктов в различных отраслях промышленности от полярных соединений.

Список литературы:

1. Viswanathan, B., Indra Neel P., Varadarajan T.K. Methods of activation and specific applications of carbon materials // Indian Institute of Technology Madras. - 2009. - p. 160.
2. Алексеев Л.П., Драгинский В.Л., Михеева С.Я. и др. Выбор эффективной марки активных углей // Водоснабжение и санитарная техника. – 1995. – № 5. – С. 8-10.
3. Богданович Н.И. Формирование пористой и надмолекулярной структуры активных углей в совмещенном процессе пиролиза-активации технических лигносульфонатов на натриевом основании // Изв. высших учеб. завед. Лесной журнал. - 1998. - № 2-3. С. 153- 166
4. Пайгамов Р.А., Жумаева Д.Ж., Кулдашева Ш.А., Эшметов И.Д. Получение импортозамещающих адсорбентов на основе древесных углей // Кимёвий технология назорат ва бошқарув Ҳалқаро илмий-техникавий журнал 2018. №1-2 Ташкент.,С. 56-60.
5. Рахматуллаева Н.Т., Шамуратова М.Р., Бахронов Х.Н., Рахимов У.Ю., Жумаева Д.Ж. Дифференциальные теплоты адсорбции паров воды на адсорбенте полученного на основе отходов древесины // UNIVERSUM: Химия и биология: Электронный научный журнал. Выпуск №9(99) Сентябрь 2022 г. Часть 1. С. 63-68
6. Dilnoza Jumaeva, Olimjon Toirov, Zuhriddin Okhunjanov, Umidjon Raximov, Rano Akhrorov,  Investigation of the adsorption of nonpolar adsorbate molecules on the illite surface// Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 58, 2, 2023, 353-359  .
7. Пайгамов Р.А. Салиханова Д.С., Эшметов И.Д., Жумаева Д.Ж. Получение угольных адсорбентов из древесины местных сортов // Узбекский химический журнал. 2018, №2. С. 28-32. 53-57.
8. Усмонов Р.М., Салиханова Д.С., Пайғамов Р.А., И.Д. Эшметов, Агзамова Ф.Н., Абдурахимов С.А. Древестные углеродные адсорбенты для очистки сточных вод масложировых производств // Композиционные материалы Узбекский научно-технический и производственный журнал Ташкент, 2018. № 3 С. 12-15.
9. Рaygamov R.A., Kuldasheva Sh.A., Eshmetov I.D., Salikhanova D.S. Adsorption of venesis of benzene and toluene on activated carbon obtained from chinara wood // Advanced Materials Reserch, Switzerland, 2019 №3 p 44-55.
10. Raximov U.Yu., Jumaeva D.J., Ergashev    O.K. Studying on the activated absorbents derived from waste of a grape seed// Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 57, 5, 2022, 998-1005.
11. Raximov U.Yu., Jumayeva D. J., Aymurzayeva L. G. Investigation of the physicochemical properties of steam-activated adsorbents// Uzbek chemical journal, 2021, №5. pp. 44-50.
12. Коробочкин В.В., Нгуен М.Х., Усольцева Н.В., Нгуен В.Т. Получение активированного угля пиролизом рисовой шелухи вьетнама. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т.328. № 5. 6 -15 3.
13. Назарова Ю.П., Захаров А.И. Пигмент на основе золы рисовой шелухи. Успехи в химии и химической технологии. ТОМ ХХХII. 2018. № 2
14. Жумаева Д.Ж., Ахророва Р.О., Рахимов У.Ю., Кодиров O.Ш. Технология извлечения диоксида кремния на основе рисовой шелухи // Научный журнал механика и технология. 2022. № 3 (3), С.283-289.
15. Kouznetsova, T.F., Kopysh, E.A., Kulbitskaya, L.V., Jumaeva, D.J., Ivanets, A.I. Textural properties of ordered nanoporous silica synthesized on mesogenic template // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical, 2023, 59 (2),  PP. 25–138. https://doi.org/10.29235/1561-8331-2023-59-2-125-138.
16. Муминов С.З., Хандамов Д.А., Рахимова Г.Б. Равновесная адсорбция паров бензола на алкиламмониевых монтмориллонитах // Коллоидн. журн.-2015. Том 77.- № 5.- С. 675-680