ИЗОТЕРМА И ТЕПЛОТА АДСОРБЦИИ ПАРОВ БЕНЗОЛА И ТОЛУОЛА МОДИФИЦИРОВАННЫХ КАОЛИНОВЫХ АДСОРБЕНТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной работе подчеркивается широкая применимость и эффективность модифицированных каолинов марки АКС-30 и АКС-70 Ангренского месторождения (Узбекистан). Описаны условия получения активированных каолиновых адсорбентов в кислой среде. Показано, что модели кинетики адсорбции играют важную роль в определении скорости диффузии в процессе адсорбции паров бензола и толуола и понимании механизма перемещения масс в жидкой фазе. Адсорбенты, полученные с использованием 15 и 25 % растворов Ангренского каолина с H2SO4 термически стабильны до 600–700^оС, и эти адсорбенты можно использовать вплоть до этих температур. Изучено влияние температуры на эффективность адсорбции бензола и толуола, и на основе изотерм адсорбции, выявлено, что максимальная эффективность наблюдается в диапазоне температур 293–313К. Влияние температуры на увеличение эффективности адсорбции обусловлено увеличением кинетической энергии молекул, что приводит к увеличению подвижности ионов бензола и толуола, повышается скорость диффузии их в активные центры и поры адсорбентов. Изучено влияние скорости перемешивания на эффективность адсорбции молекул бензола и толуола на кислотно-активированных каолинах АКС-30 и АКС-70 и установлено, что при скорости перемешивания 150–180об/мин. Эффективность адсорбции с АКС-30 составляет 93–95% и с АКС-70 80–82 % соответственно. Модифицированные в кислых средах каолиновые адсорбенты обладают хорошей сорбционной емкостью по отношению к ароматическим углеводородам и не уступают импортным аналогам.

ABSTRACT

This paper highlights the wide applicability and effectiveness of modified kaolins of the AKS-30 and AKS-70 grades from the Angren deposit (Uzbekistan). The conditions for producing activated kaolin adsorbents in an acidic environment are described. It is shown that adsorption kinetics models play an important role in determining the diffusion rate during the adsorption of benzene and toluene vapors and understanding the mechanism of mass movement in the liquid phase. Adsorbents obtained using 15 and 25% solutions of Angren kaolin with H₂SO₄ are thermally stable up to 600-700^oC and these adsorbents can be used up to these temperatures. The influence of temperature on the adsorption efficiency of benzene and toluene was studied and, based on adsorption isotherms, it was found that maximum efficiency is observed in the temperature range of 293–313K. The influence of temperature on the increase in adsorption efficiency is due to the increase in the kinetic energy of molecules, which increases the mobility of benzene and toluene ions, increasing the rate of their diffusion into the active centers and pores of adsorbents. The influence of stirring speed on the efficiency of adsorption of benzene and toluene molecules on acid-activated kaolins AKS-30 and AKS-70 was determined and it was found that at a stirring speed of 150-180 turn/min. Adsorption efficiency with AKS-30 is 93-95% and with AKS-70 80-82%, respectively. Kaolin adsorbents modified in acidic environments exhibit good sorption capacity for aromatic hydrocarbons and are comparable to imported analogues.

Ключевые слова: каолин, АКС-30, АКС-70, модификация, изотерма, скорость перемешивания, эффективность адсорбции, температура, количество адсорбента, кинетика адсорбции, теплота адсорбции, энтропия.

Keywords: kaolin, AKS-30, AKS-70, modification, isotherm, stirring rate, temperature, amount of adsorbent, adsorption kinetics, heat of adsorption, entropy.

Введение. В настоящее время во всем мире большое значение имеет получение модифицированных адсорбентов на основе местного сырья (бентониты, минералы, каолины) и их широкое использование при очистке водных ресурсов от вредных и нежелательных ионов, содержащихся в органических углеводородах [1–3]. На этой основе достигаются положительные научные и практические результаты в процессе получения активированных в кислой среде адсорбентов из Ангренского каолина – местного минерального сырья, и адсорбции из них паров бензола, содержащих органические углеводороды [4–5]. Однако для определения термодинамических свойств и кинетики адсорбции паров бензола из углеводородов с помощью адсорбентов необходимо уделять достаточное внимание. Поэтому целью данной научно-исследовательской работы являлось изучение физико-химических свойств активации Ангренских каолинов марок АКС-30 и АКС-70 в кислой среде (в присутствии H₂SO₄), а также адсорбции ароматических углеводородов, таких как бензол и толуол.

Методика исследования.

В работе использовали растворы, содержащие ароматические углеводороды — бензол и толуол. Элементный состав модифицированных адсорбентов определяли методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии на приборе UV-2600 SHIMADZU (Япония). Для постоянного сохранения стабильности гомогенных свойств адсорбентов в их состав добавляли до 1,0 % парафина и госсиполовой смолы. Масса модифицированных каолиновых адсорбентов АКС-30 и АКС-70 составляла от 1,0 до 2,5 г; температуру экспериментов изменяли в интервале 293–393 К; продолжительность контакта фаз в процессе адсорбции — от 5 до 100 мин; скорость перемешивания составлял 50–300 об/мин.

Результаты и их обсуждение.

На рисунке 1 показано влияние скорости перемешивания на эффективность адсорбции паров бензола на каолиновых адсорбентах АКС-30 и АКС-70, активированных в кислой среде. На основании полученных результатов установлено, что эффективность адсорбции бензола в присутствии активированного в кислой среде каолина АКС-30 достигает 92–95 %, а в присутствии каолина АКС-70 80–82 %. Эти показатели на 32–35 % выше у АКС-30 и на 20–22 % выше при применении АКС-70.

Влияние скорости перемешивания является важным параметром в процессе адсорбции, поскольку оно значительно увеличивает переход адсорбтива из раствора на внешнюю поверхность адсорбента. Эксперименты проводились при скоростях перемешивания 100–300 об/мин; было замечено, что эффективность адсорбции достигала максимального значения, после чего начинала снижаться. Это явление (снижение эффективности при высоких скоростях перемешивания) может быть обусловлено возникновением десорбции из-за турбулентного течения.

Кинетика адсорбции ионов бензола на каолиновых адсорбентах АКС-30 и АКС-70, активированных в кислой среде, представлена на рисунке 3. Как известно, время взаимодействия адсорбент–адсорбат является одним из важнейших факторов для практического применения активированных адсорбентов в промышленности. Адсорбцию бензола исследовали в диапазоне времени экспозиции от 5 до 100 минут. Согласно полученным результатам, эффективность адсорбции быстро возрастает от 5 до 50 мин. При 60-минутной адсорбции эффективность уже не изменялась, после чего наступало адсорбционное равновесие.

Рисунок 3. Кинетика адсорбции ионов бензола на активированных каолинах АКС-30 (2) и АКС-70 (3) и неактивном АКС-30 (1)

Получены и проанализированы изотермы сорбции бензола (а; а¹) и толуола (б, б¹) модифицированными каолинами АКС-30 и АКС-70 в интервале температур 293, 298 и 313К (рисунки 4–7).

Из представленных изотерм видно, что с ростом температуры (293–313 К) наблюдается увеличение величины адсорбции ионов бензола и толуола. Однако установлено, что степень адсорбции толуола на каолиновом адсорбенте АКС-70 несколько ниже, чем адсорбции ионов бензола.

Эти явления связаны с изменением подвижности молекул бензола и толуола с ростом температуры. Установлено, что при температурах 293–313К сорбент АКС-30 адсорбирует бензол до С = 0,3 моль/л и толуола до С = 0,5 моль/л, а адсорбент АКС-70 до 0,45–0,55 моль/л при тех же температурах.

Для определения факторов, от которых зависит энергия взаимодействия молекул бензола и толуола с активными центрами активированных адсорбентов АКС-30 и АКС-70 на границе раздела адсорбент–адсорбат, были определены дифференциальная изостерическая теплота адсорбции и энтропия (рис. 8).

Установлено, что теплота адсорбции бензола в активированном адсорбенте АКС-30 имеет волнообразную форму: в начальный период насыщения, то есть при a=0,15–0,2 моль/л, её значение составляет Q=53,4кДж/моль; в активированном АКС-70 при a=0,4–0,5 моль/л оно равно Q=60,3кДж/моль для бензола и Q=52,3кДж/моль для толуола.

Рисунок 8. Теплота изостерической адсорбции бензола на активированном каолине АКС-30 (1) и АКС-70 (2)

Процесс адсорбции при этих значениях объясняется наличием активных центров в составе адсорбента и взаимодействием адсорбент–сорбат. Значение дифференциальной энтропии процесса характеризует поведение молекул в адсорбенте при поглощении определённого количества адсорбата. Установлено, что дифференциальная энтропия в начальный период адсорбции бензола активированным АКС-30 составляет ΔS = –13,4 Дж/(К·моль) при a = 0,25 моль/л, для толуола ΔS=–20,3Дж/(К·моль); энтропия адсорбции бензола активированным АКС-70 составляет ΔS=–6,8 Дж/(К·моль) при a= 0,3–0,5 моль/л, толуола ΔS=–3,48 Дж/(К·моль).

Заключение. В адсорбентах, полученных на основе активированных каолинов АКС-30 и АКС-70, вследствие наличия петель гистерезиса адсорбции процесс абсорбции происходит одновременно с капиллярной конденсацией в волнообразных порах, начиная со средней степени насыщения. При этом адсорбенты характеризуются базовой пористостью 12–18 нм по радиусу пор.

В результате активации в кислой среде (с H₂SO₄) установлено, что удаётся повысить адсорбцию ионов бензола каолиновыми адсорбентами: для АКС-30 до 92–95 %, а для АКС-70 до 80–82 %. При таких условиях температура процесса составляет 298–300 К, время взаимодействия реагентов 5–60 минут, скорость перемешивания 150–180 об/мин. Установлено, что масса адсорбента должна составлять 1,5–2,5 г.

Список литературы:

1. Исмаилов А.А., Маматов А.М., Нуруллаев Ш.П., Атауллаев Ш.Н., Алихонова З.С. Ингибирование процесса  коррозии сталей и образование отложений минеральных солей // Научный журнал Universum: технические науки. — 2024.— 2024. — № 3 (120).  — Ч. 5. — С. 37–43.
2. Исмаилов А.А., Маматов А.М., Рузметов И., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С., Саидмирзаева Д.Б. Композиционный сорбент с магнитными свойствами на основе отходов роторного шлака и древесных волокон // Научный журнал Universum: технические науки. — 2024. — № 3 (120). — Ч. 5. — С. 31–36.
3. Усаров О.Б., Бобоев О.О., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С., Ишметов Р.Ж. Применение модифицированных адсорбентов для извлечения органи-ческих веществ // Интеграция современных физико-химических методов исследования в науку и производство : науч.-практ. конф. (с участием иностранных ученых). — Национальный университет Узбекистана, 2025. — С. 212–214.
4. Усаров О.Б., Хандамова Д.К., Бобоев О.О., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С. Анализ термической стабильности модифицированных адсорбентов // Интеграция современных физико-химических методов исследования в науку и производство: науч.-практ. конф. (с участием иностранных ученых). — Национальный университет Узбекистана, 2025. — С. 214–216.
5. Хандамова Д.К., Бобоев О.О., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С. Анализ термической стабильности модифицированных адсорбентов // Материалы Республиканской науч.-практ. конф. «Химия SMART-материалов и их перспективы для развития экономики Узбекистана». — Самарканд, 2025. — С. 115–118.