ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОРБЦИОННОЙ ЕМКОСТИ СИЛИКАГЕЛЯ КСК И ЦЕОЛИТ МАРКИ СaА ПО БЕНЗОЛУ И н-ГЕКСАНУ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования адсорбционной способности цеолитов и силикагелей, применяемых в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности для очистки и осушки технологических потоков, а также для улучшения качества сырья и эффективного разделения сложных смесей. Цель работы заключается в разработке новых высокоэффективных сорбентов для деароматизации и денормализации светлых нефтепродуктов, что особенно важно в условиях современного нефтяного сырья, обладающего высокой парафинистостью и связывающей способностью. Применение таких сорбентов позволяет не только улучшить качество продуктов, но и снизить содержание ароматических углеводородов, что критично для совместимости нефтепродуктов с трубопроводами. В рамках данного исследования был проведён выбор и анализ селективности и динамической ёмкости силикагеля КСК (как в исходном, так и в активированном соляной кислотой виде) и синтетического цеолита СаА. Использованный криоскопический метод позволяет более точно оценить адсорбционные свойства этих материалов, что способствует улучшению процессов очистки и фильтрации в различных отраслях промышленности.

ABSTRACT

The article presents the results of studying the adsorption capacity of zeolites and silica gels, which are used in the gas, chemical, and oil refining industries for cleaning and drying technological streams, as well as for improving the quality of raw materials and efficiently separating complex mixtures.

The aim of this work is to develop new highly effective sorbents for the dearomatization and denormalization of light petroleum products, which is particularly important given the current oil feedstock, which is highly paraffinic and has strong binding properties. The use of such sorbents not only improves the product quality but also reduces the content of aromatic hydrocarbons, which is critical for the compatibility of petroleum products with pipelines. In this study, the selection and analysis of selectivity and dynamic capacity of silica gel KSK (both in its original and acid-activated form) and synthetic zeolite CaA were carried out. The cryoscopic method used allows for a more accurate assessment of the adsorption properties of these materials, which contributes to the improvement of cleaning and filtration processes in various industries.

Ключевые слова: адсорбция, н-гексан, бензол, эталонный раствор, мольные проценты, ароматические углеводороды, деароматизация, денормализация, динамическая ёмкость.

Keywords: Adsorption, n-hexane, benzene, standard solution, mole percent, aromatic hydrocarbons, deodorization, denormalization, dynamic capacity.

Введение. В современном промышленном процессе, включая газовую, химическую и нефтеперерабатывающую отрасли, адсорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов очистки и осушки технологических потоков, улучшения качества сырья и разделения сложных смесей. В последние годы наблюдается рост интереса к разработке новых сорбентов с улучшенными характеристиками, что обуславливает необходимость тщательного выбора адсорбентов с высокой динамической ёмкостью и селективностью для специфических веществ, таких как ароматические и парафиновые углеводороды, используемые в химических и нефтехимических процессах [17; 19]. Цеолиты и силикагели, благодаря своей пористой структуре и уникальным адсорбционным свойствам, становятся основными материалами для таких процессов, но для достижения наилучших результатов важно учитывать множество факторов, таких как размер пор, химический состав и условия обработки. Однако, несмотря на их широкое использование, вопросы, касающиеся их эффективности в динамических условиях, остаются актуальными. Одним из самых перспективных методов для точной оценки сорбционной ёмкости и селективности этих адсорбентов является криоскопический метод, который позволяет объективно измерить изменение температуры кристаллизации раствора при его прохождении через слой сорбента, предоставляя информацию о реальных характеристиках сорбентов в сложных условиях [4; 12]. Цель данного исследования – это более детальное изучение сорбционной ёмкости и селективности силикагеля КСК (как в исходном, так и в активированном соляной кислотой виде) и синтетического цеолита СаА по отношению к ароматическим и парафиновым углеводородам, таким как бензол и гексан, в жидкой фазе при динамических условиях. Впервые применяется криоскопический метод для сравнительного анализа этих двух типов сорбентов в контексте деароматизации и денормализации нефтепродуктов, что позволяет значительно улучшить точность оценки их эффективности для реальных производственных процессов [1; 20].

Сравнительный анализ силикагеля и цеолита СаА в рамках этого исследования позволит выявить их специфическую эффективность и оптимизировать выбор сорбентов для различных технологических процессов. Это даст возможность не только улучшить существующие методы очистки нефтепродуктов, но и предложить новые решения для повышения качества светлых нефтепродуктов в рамках современных экологических и экономических требований отрасли [2; 3].

Объект и методы исследования. В данном исследовании определялась сорбционная ёмкость подобранных адсорбентов – силикагеля КСК (исходного и активированного соляной кислотой) и синтетического цеолита СаА – по эталонам ароматических и парафиновых углеводородов, таких как бензол и гексан, в жидкой фазе при динамических условиях с использованием криоскопического метода, разработанного в ИОНХ АН РУз. Этот метод представляет собой новый подход в точной оценке сорбционной ёмкости и селективности адсорбентов, что позволяет получить более детализированные данные о реальной эффективности сорбителей при различных технологических процессах [6; 11].

Сущность определения селективности и динамической ёмкости адсорбентов с использованием криоскопического метода заключается в изменении концентрации эталонного раствора, который хроматографируется через адсорбент. Измерение депрессии температуры кристаллизации раствора позволяет не только точно определить сорбционную ёмкость, но и выявить влияние различных факторов, таких как размер пор и химический состав адсорбента, на его эффективность [10; 18].

Процесс анализа включает пропуск 2 %-ного эталонного раствора органического вещества в циклогексане через 10 г адсорбента (фракция 0,25–0,50 мм, предварительно дегидратированного) в стеклянной колонке до достижения полного насыщения адсорбента. Ключевым моментом является точное определение температуры кристаллизации фильтрата (t3), которая должна стать равной температуре кристаллизации исходного эталонного раствора (t2). Это позволяет, на основе заранее определённых температур кристаллизации циклогексана (t1) и эталонного раствора (t2), точно вычислить количество адсорбированного вещества в каждой порции фильтрата [9; 13; 14].

Такой подход позволяет более точно моделировать реальное поведение адсорбентов в динамических условиях, что открывает новые возможности для их применения в сложных технологических процессах, таких как очистка нефтепродуктов и химическая переработка углеводородных смесей [5]. Результаты данного исследования могут быть использованы для дальнейшей оптимизации процессов адсорбции и фильтрации в различных отраслях, где требуется высокая степень точности и эффективности в разделении и очистке [7; 15].

Мольные проценты адсорбированного вещества можно пересчитать в весовых процентах по формуле:   

где, М – молекулярная масса вещества;

84,16 – молекулярная масса циклогексана.

Полученные результаты и анализы. Количество адсорбированного вещества в весовых процентах для каждой порции фильтрата пересчитывается в граммы, суммируется и относится к 100 г адсорбента [8], [16].

Таблица 1.

Динамическая емкость адсорбентов

Выводы и предложения. Как видно из приведённых данных, бензол практически не адсорбируется цеолитом СаА, но адсорбируется силикагелем. Причём силикагель КСК, активированный соляной кислотой, имеет большую ёмкость, чем исходный (2,55 % против 1,45 %) и совершенно инертен к н-гексану. Следовательно, в процессах деароматизации следует применять активированный силикагель, а для денормализации – синтетический цеолит СаА.

Список литературы:

1. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел: научное издание / Ч. Джайлс, Б. Инграм, Дж. Клюни и др.; ред. Г. Парфит, К. Рочестер, пер. с англ. Б. Н. Тарасевича, под ред. В. И. Лыгина. – М. : Мир, 1986. – 488 с. 
2. Адсорбция, адсорбенты и адсорбционные процессы в нанопористых материалах : [коллектив. моногр.] / Российская академия наук, Отделение химии наук о материалах (М.), Науч. совет по физ. химии, Российская академия наук (М.), Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина. – М.: Граница, 2011. – 489 с.
3. Баркова Л.А., Исаева Н.Р. Адсорбция органических веществ на цеолитах. – Ташкент: УзГТУ, 2002. – 214 с.
4. Воробьёв П.Д., Крутько Н.П., Чередниченко Д.В., Воробьёва Е.В.,  Буча С.В., Липай Ю.В. Адсорбционные процессы и их использование в экологических технологиях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/737 (дата обращения: 12.04.2025).
5. Гафарова Э.Б., Мельников В.Б., Федорова Е.Б., Макарова Н.П. Сравнительные исследования динамической адсорбционной активности отечественных и зарубежных цеолитов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2024. – № 5 (165). – С. 65–73.
6. Голубева Н.Г., Лавров А.А. Исследование сорбционных свойств силикагелей // Журнал прикладной химии. – 2000. – Т. 73. – С. 1121–1126.
7. Ещенко Л.С. Технология катализаторов и адсорбентов: Лабораторный практикум. – Минск: БГТУ, 2015. – 76 с.
8. Ковалёв И.И., Ковалёва Т.И. Физико-химические особенности адсорбционных процессов в нанотехнологии. – Минск: Издательский дом НАН Беларуси, 2018. – 200 с.
9. Ломовцева Е.Е., Ульянова М.А., Андреев В.П. Сопоставление сорбционной эффективности сорбентов трех типов по бензолу и н-гексану // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. – 2012. – Т. 20. – № 6. – С. 112–117.
10. Мартыненко В.И., Харламова Л.И. Процессы очистки и осушки газов и жидкостей. – М.: Химия, 2001. – 180 с.
11. Николаев В.М. Теория и практика процесса адсорбции в химической технологии. – М.: Издательство Академия, 1999. – 352 с.
12. Оксидная керамика: спекание и ползучесть. : учебное пособие по курсу "Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов" / В. С. Бакунов [и др.]. – М. : РХТУ, 2007. – 583 с.
13. Подвязников М.Л., Самонин В.В., Спиридонова Е.А. Сорбционные свойства силикагеля и цеолита СаА по бензолу и н-гексану // Химия и химическая технология. – 2018. – Т. 61. – № 3. – С. 23–29.
14. Спиридонова Е.А., Подвязников М.Л. Композиционные сорбирующие изделия на основе силикагеля для осушки газовых сред // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. – 2019. – Т. 27. –№ 1. – С. 105–111.
15. Сравнительная характеристика сорбционной ёмкости силикагеля КСК и цеолита СаА по различным сорбатам // Научный аспект. – 2017. – Т. 1. – № 4. – С. 148–152.
16. Стрыженок А.А. Адсорбционная рафинация растительных масел: совершенствование технологии. – Краснодар: КубГТУ, 2015. – 120 с.
17. Хайитов Р.Р. Селективные адсорбенты для процессов деароматизации и денормализации светлых нефтепродуктов // Ўз.Рес.ФА. “Умумий ва ноорганик кимё” институти, Ёш олимларнинг “Юқори технологик ишланмалар ишлаб чиқариш” мавзусидаги илмий-амалий анжумани тезислар тўплами. – Тошкент 2010. – 74-76 б.
18. Шарипов К.К., Аслонов Ш.К. Сравнительная характеристика сорбционной емкости силикагеля КСК и цеолита СаА по различным сорбатам // Научный аспект. – № 4. – 2017. – Т. 1. – С. 148–152.
19. Adsorption Technology: A Step-by-Step Design Guide (chemical industries series, vol. 19) / Edited by Frank L. Slejko, Marcel Dekker. – 1985. – 240 pp.
20. Mehrorang Ghaedi. Handbook of Adsorption: Fundamentals and Applications. – Elsevier Science, 2021.  – 728 p.