ИЗОТЕРМА АДСОРБЦИИ ПАРОВ БЕНЗОЛА НА КРЕМНЕЗЕМНЫХ АДСОРБЕНТАХ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены исследования изотерм адсорбции паров бензола на мезапористых адсорбентов полученных на основе кремния и хитозана, изученных с помощью прибора Мак-Бен-Бакра. Были получены важные результаты о поверхностном явление адсорбентов, размер пор, микро-и мезопористости и др. Структуру адсорбентов по показателям адсорбции - удельную поверхность определяли с использованием уравнения Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). На основании полученных данных изотермпаров бензола получены результаты сорбционно-структурных свойств и размера пор кремнеземных адсорбентов.

ABSTRACT

The article presents the results of benzene vapor adsorption isotherms on mesaporous adsorbents based on silicon and chitosan, studied using a Mak-Ben-Bakra device. Important results were obtained on the surface phenomenon of adsorbents, pore size, micro- and mesoporosity, etc. The structure of adsorbents based on adsorption parameters - specific surface area was determined using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) equation. Based on the obtained results of benzene isotherm couples, the results of the sorption-structural properties and pore size of silica adsorbents were obtained.

Ключевые слова: адсорбция, изотерма, бензол, Мак-Бен-Бакра, микропора, мезапора, удельный поверхность, объем пор.

Keywords: adsorption, isotherm, benzene, Mak-Ben-Bakra, micropore, mesapore, specific surface area, pore volume

Введение. Сегодня адсорбенты широко используются в различных сферах производства. Основным участником процесса адсорбции является продукт-адсорбент, который импортируется в нашу страну. При синтезе сорбентов их производство на основе местного сырья с помощью отходов является решением проблемы окружающей среды и экологии, а высокие адсорбционные свойства играют роль в решении проблемы цены и экономичность продукта.

К настоящему времени получены адсорбенты на основе различного сырья, в том числе бурого и каменного угля [1-2], активированной древесины различных деревьев [3-5], отходов пищевой промышленности [6-8], а также цеолиты [10-12] и бентонит широко используются в различных отраслях промышленности с помощью адсорбентов [13-14].

Сырьевой продукт имеет важное значение при получении сорбента, поэтому важно выбирать его с учетом его химического состава и адсорбирующих свойств. По этой причине в данной исследовательской работе для получения мезопористых адсорбентов важно выбирать отходное сырье, содержащее оксид кремния – рисовую шелуху [15].

Из анализа литературы видно, что авторы [16] предложили технологию извлечения диоксида кремния путем сжигания рисовой шелухи (методом пиролиза), переработки остаточной золы, рециркуляции кислотой или щелочью. В качестве основного критерия при этом рассматривался вопрос использования простой и дешевой технологии извлечения SiO₂ в химически чистом состоянии. В предыдущей исследовательской работе [15] был получен химически чистый оксид кремния, и в данной работе были изучены его адсорбционные свойства, в том числе сорбционно-структурный показатель с использованием изотермы, а также объемные теории его пор.

Методика эксперимента. В полученных адсорбентах изотерма адсорбции газа исследовали весовым методом на высоковакуумном приборе Мак-Бен-Бакра [17]. Устройство оснащено высокочувствительной кварцевой спиралью. Его уровень чувствительности равна 1,78-10^-3 кг/м. Образцы адсорбентов в адсорбционной колбе (пробирке) выдерживали в водном термостате при температуре 20°C с точностью 0,1°C. Структура устройства и основные рабочие части рабочей системы структурированы следующим образом:- колонны с кварцевыми пружинами (оснащены чашками, в которые кладут  исследуемые образцы адсорбентов измеренные с точностью до 1 гр.), - форвакуумный насос (марки ВН – 461М, -диффузионный насос (остаточное давление в системе составляет 1,33 • 10-3 Па до тех пор, пока не будет создан вакуум, давление в системе контролируется с помощью винта термовакуумметром (марка ВИТ2), U - образные манометры - ловушка (она предназначена для улавливания различных газов и паров воды в системе с жидким азотом), ампулы, в которые помещаются адсорбенты, и краны для отделения частей устройства друг от друга. Форвакуумные и диффузионные -насосы образуют до 1-10^-5 мм.рт.ст. вакуум в адсорбционном устройстве. Разность давлений в U-образных манометрах измеряется с помощью катетометра типа В630. Катетометр имеет разрешение 0,05 мм. Образцы, подготовленные для исследования, измельчали в агатовой ступке до состояния порошка и после тщательного перемешивания взвешивали и поместили в чашку. Давление в системе стабилизируется путем вакуумирования в течение 6-8 часов. Бензол и воду, полученные в качестве адсорбата, очищали и сушили в вакуумных условиях перед использованием в адсорбции, давление его паров сначала замораживали, а затем нагревали для выделения из него растворенных газов до тех пор, пока оно не стало таким же, как данные о давлении паров, указанные в таблицах для чистого бензола и воды, и изучали его адсорбцию.

Результаты и их обсуждение. Из изотермы адсорбции в полученных системах можно увидеть, что величина адсорбции резко возросла с нулевого значения относительного удельного давления до Р/Рs≈0,4, затем последовало медленное увеличение адсорбции, приближающееся к состоянию насыщения. Изотерма адсорбции при таком низком относительном давлении (Р/Рs≈0,4) дает основание утверждать, что пары бензола адсорбируются на поверхностях с высоким потенциалом адсорбции при первоначальном заполнении. В некоторых образцах, полученных при температуре 400^оС и рН=9 более высокая величина адсорбции Р/Рs=0,2 при более низких относительных давлениях может рассматриваться как причина изотермического скачка.

Рисунок 1. Изотерма адсорбции паров бензола на основе кремнеземных адсорбентов 

Можно увидеть, что изотермы адсорбции всех адсорбентов относятся к IV типу классификации изотерм адсорбции, предложенной Брунауэром. Форма изотермы адсорбции зависит от свойств адсорбентов, поглощаемого вещества и силы взаимодействия между ними. Во-первых, чередующиеся катионы в образцах связаны с размером, природой и зарядом катионов, в то время как, с другой стороны, специфика взаимодействия неполярных молекул бензола с модифицированными адсорбентами обусловлена изменением гидрофильной и лиофильной природы адсорбентов. В образце полученного при температуре 650°С и рН=9 пары бензола характеризуются более высоким содержанием адсорбента по сравнению с другими адсорбентами за счет воздействия неполярных молекул бензола с их катионами на промежутки между слоями адсорбента. Видно, что в диапазоне относительного давления Р/Рs=0,6-1,0 изотерма адсорбции снова повышается. Поглощение молекул адсорбата в данном случае указывает на то, что адсорбция произошла в этих образцах в результате капиллярной конденсации паров бензола во вторичных порах. Структуру адсорбентов по показателям адсорбции - удельную поверхность определяли с использованием уравнения Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ), где по ординатам Р/Рs/a(1-Р/Рs) и оси абсцисс отложены значения Р/Рs характерные для прямолинейных координат.

Сравнительную поверхность адсорбентов рассчитывали по следующей формуле:

S = а _m  N  ω ₀

Где: s – удельная поверхность (м²/г);

a_m-мономолекулярный слой (моль/кг);

N_a- число Авагадро;

ω - это поверхность (нм²), занимаемая одной молекулой.

На основе изотермы адсорбции паров бензола в угольных адсорбентах была рассчитана монослойная емкость α_м, исходя из важных показателей адсорбентов, объема насыщения Vs (или адсорбции α_s) и их удельной поверхности S. Полученные результаты структурно-сорбционные показатели адсорбции паров бензола образцов адсорбентов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Структурно-сорбционные показатели адсорбции паров бензола кремнеземных адсорбентов

Основная часть поглощения молекул бензола в адсорбентах составляет: при 400^оС-24,1%, при 650°С-19,7%, при 400^оС-24,2%, при 650^оС-27,9%, при 400^оС-23,9%, при 650°С-21,6%, соответствующих величине монослойной емкости. Удельная поверхность адсорбентов при t=400-650°С, а также степень адсорбции насыщения увеличились. В образцах такое изменение удельной поверхности и насыщенности адсорбцией зависит от составов образцов. В образцах были определены изотермы адсорбции паров бензола микропор адсорбентов (W₀), основанные на уравнении теории объемного насыщения (ТОЗМ), и насыщенный адсорбционный объем (Vs) и объем мезопор по формуле W_me= V_s- W₀. Средний радиус пор был рассчитан по формуле  . Полученные результаты объемные показатели пор при адсорбции паров бензола приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Объемные показатели пористости кремнезёмных адсорбентов  

Из полученных результатов можно увидеть, что в образцах при t=400^оС t=650^оС объем микропор близок друг к другу, но в образце при t=400^оС (1) количество мезопор относительно велико, в то время как в образце 650^оС (200 кДа) насыщенный объем адсорбции относительно высок.

Выводы. Было обнаружено, что оставшиеся два адсорбента имеют и малый объем микропор, и насыщенный объем адсорбции. Все адсорбенты с точки зрения их среднего радиуса пористости относятся к классу (2<r <50 нм) мезопор адсорбентам, предложенный М.М.Дубининым. Степень адсорбции паров бензола существенно не отличается из-за того, что состав, структура, природа образующихся адсорбентов практически близки к единице. В образце полученного при 650^оС (200кДа) пары бензола характеризуются более высокими уровнями адсорбции по сравнению с другими адсорбентами, активными центрами между слоями адсорбента и более высокими объемами пористости по сравнению с другими адсорбентами. Согласно результатам адсорбции паров бензола полученные адсорбенты могут быть использованы в качестве адсорбентов с целью очистки производственных продуктов в различных отраслях промышленности от неполярных соединений.

Список литературы:

1. Eshmetov I., Salihanova D., Agzamhodjaev A. Examination of the influence of the grinding degree and stabilizing agent on the rheological properties of aqua-coal fuel suspensions. Journal of Chemical Technology and Metallurgythis link is disabled, 2015, 50(2), pp. 157–162.
2. Жумаева Д.Ж., Эшметов И.Д., Агзамходжаев А.А. Очистка производственных сточных вод угольными адсорбентами, полученных на основе Ангренского угля// Узбекский химический журнал. – Ташкент, 2014. - № 5. С.38-41.
3. Пайгамов Р.А., Абдурахимов А.Х., Жумаева Д.Ж.,  Кулдашева Ш.А., Эшметов И.Д. Obtaining import-substituting adsorbents based on charcoal // Journal Chemical technology monitoring and control. - 2018. № 1-2 - P. 56-60.
4. Paygamov R. Comparison of physical-chemical and adsorbation properties of activated plant tree coal adsorbent with import-analogical coal adsorbents// Central asian journal of theoretical and applied sciences, Volume: 02 Issue: 05 (2021) ISSN: 2660-5317.
5. Paygamov R.A., Eshmetov I.D., Salikhanova D.S., Jumaeva D.J., Production of carbon adsorbents from wood of local varieties // Uzbekistan Chemical Journal 2018. №2 Tashkent., P. 28-32.
6. Juraevna, D. J., Yunusjonovich, U. R., & Karimovich, O. E. Studying on the activated absorbents derived from waste of a grape seed. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 57(5), (2022).  998-1005.
7. Рахимов У.Ю., Жумаева Д.Ж. Obtaining and research of par-gas-activated adsorbents based on waste pressure of grape seeds // The scientific heritage. Vol. 2, No 78 (78) (2021) P-17-19.
8. Jumaeva D.J., Raximov U.Y., Ergashev O.K. Studying on the activated absorbents derived from waste of a grape seed studying on the activated absorbents derived from waste of a grape seed// Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 57, 5, 2022, 998-1005.
9. Рахматуллаева Н.Т., Абдурахимов А.Х., Жумаева Д.Ж., Бабаева Г.О., Хамракулова К.Х. Изучение и получение адсорбентов из отходов древесины// UNIVERSUM: Химия и биология: Электронный научный журнал. Выпуск №3(105) Март,2023 г. Часть 1. DOI- 10.32743/UniChem.2023.105.3.15101.
10. Rakhmatkariev G.U., Villieras F., Choriev V.K., Jumaeva D.J. Hydration mechanism of muscovite// 5^th International Symposium Surface Heterogeneity Effects in Adsorption and Catalyses on Solids “ISSHAC-5” Gdansk, Poland. 2004. P.15.
11. Kh.Bakhronov, O.Ergashev, Kh.Kholmedov, A.Ganiev, M.Kokhkharov, N.Akhmedova, Adsorption of Carbon Dioxide in Zeolite LiZSM-5, International Conference on Problems and Perspectives of Modern Science (ICPPMS-2021), Tashkent, (AIP Conference Proceedings 2432, 2022), https://doi.org/10.1063/5.0090037.
12. Жумаева Д.Ж. Дифференциальные теплоты адсорбции бензола на К-слюде// Узбекский химический журнал. Ташкент. 2008. № 3. С.10-13.
13. Usmanov R.M., Abdikamalova, A.B., Eshmetov I.D., Kuldasheva S., Eshmetov R.J., Sharipova A.I. Obtaining coal adsorbents based on local wood waste, research of their physico-chemical and adsorption properties. Journal of Critical Reviews, 2020, 7(12), pp. 128–135
14. Karabayeva M.I., Mirsalimova S.R., Salixanova D.S., Mamadaliyeva S.V., Ortikova S.S. Main directions of use of waste of plant raw materials (Peanut shell) as adsorbents (Review). Khimiya Rastitel'nogo Syr'yathis link is disabled, 2022, (1), pp. 53–69.
15. 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.
16. 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.
17. Makarevich N.A., Bogdanovich N.I. Theoretical foundations of adsorption// Arkhangelsk NArFU 2015, 362.