В бибилотеку

Замещение представляет собой взаимодействие тяжелых ионов металла с функциональными группами адсорбента, такими как, например, =COOH, =CO, =COH, =NOH, =NH. Эти составляющие адсорбента обладают слабокислотными и основными свойствами и имеют большее сродство к ионам водорода. Именно по этой причине они более прочно удерживаются в адсорбенте и не вытесняются обменными катионами.

Однако, взаимодействие ионов тяжелых металлов с адсорбентом может привести к вытеснению других ионов, таких как Н+, Na+, Ca+ и др. из структурных элементов адсорбента, что способствует образованию более прочных химических связей между адсорбентом и ионами металла. Такой механизм адсорбции, при котором количество активных центров,

осуществляющих взаимодействие с ионами тяжелых металлов на поверхности адсорбента, остается постоянным, независимо от концентрации ионов металла в растворе, может обеспечить высокую эффективность удаления ионов тяжелых металлов из водных растворов до 60 – 80% [37].

Образование поверхностных комплексов происходит за счет образования комплексов с различными функциональными группами органических соединений и OH-группами минералов. Для компенсации избытка заряда в системе, такие реакции сопровождаются дополнительным поглощением из раствора соответствующего количества анионных компонентов [38].

Образование малорастворимых соединений происходит, например, по схеме:

СО32- + Cu2+ → CuСО3 (осадок)

Необходимым условием протекания такой реакции является количество соответствующих катионов и анионов, достаточное для образования малорастворимого соединения [39].

21

В механизме адсорбции ионов тяжелых металлов электростатические силы играют важную роль. Электростатические силы возникают из-за взаимодействия между зарядами ионов тяжелых металлов и зарядами на поверхности углеродного адсорбента, которые зависят от pH среды

[40]. Изменение pH среды, например, за счет добавления кислоты или основания, может привести к изменению зарядов на поверхности углеродного адсорбента, что в свою очередь оказывает влияние на взаимодействие между адсорбентом и адсорбатом. Например, при нейтральных и слабощелочных условиях, где pH = 7-9 карбоксильные группы на поверхности углеродного материала могут депротонироваться, увеличивая отрицательный заряд поверхности и усиливая притяжение положительно заряженных адсорбатов,

таких как ионы тяжелых металлов. В то время как при более кислых условиях,

где pH = 2-5 поверхность углеродного адсорбента может стать более положительно заряженной из-за протонирования функциональных групп, что влияет на его способность удерживать отрицательно заряженные адсорбаты

[41].

Таким образом, изменения pH влияют на заряды поверхности углеродного адсорбента, изменяя его способность взаимодействовать с различными типами адсорбатов, что в свою очередь влияет на механизмы адсорбции в порах углеродного адсорбента.

Адсорбция в порах углеродного адсорбента обусловлена пористой структурой материала. Процесс адсорбции ионов тяжёлых металлов в порах углеродного адсорбента обычно представляет собой комбинацию физической и химической адсорбции. Благодаря пористой структуре углеродного адсорбента образуется большая площадь поверхности, обеспечивающая множество активных центров для взаимодействия с адсорбируемыми ионами тяжёлых металлов. При прохождении жидкостей через поры углеродного адсорбента молекулы адсорбата сталкиваются с внутренними поверхностями пор. Физическая адсорбция осуществляется посредством электростатических сил, притягивающих молекулы адсорбата к поверхностям пор. Параллельно с

22

физической адсорбцией может происходить химическая адсорбция,

заключающаяся в образовании химических связей между функциональными группами (карбоксильными, гидроксильными, аминогруппами) на поверхности углеродного материала и адсорбатами [42].

Таким образом, благодаря комбинации физической и химической адсорбции в порах углеродного адсорбента, происходит эффективное удержание ионов тяжелых металлов, что позволяет использовать углеродные сорбенты для очистки жидкостей от различных загрязнений.

1.4. Технический углерод и его строение

Технический углерод (ТУ) – это высокодисперсный продукт неполного сгорания или термического разложения при температуре 1100-1900ºС

углеродсодержащих соединений. Углеродсодержащие соединения могут содержаться в природных, промышленных газах, а также в продуктах нефтяной и каменноугольной промышленности [43].

Технический углерод является многотоннажным продуктом за счет своих эффективных свойств и доступной стоимости, его годовое производство достигает 280 тысяч тонн в год. В настоящее время он широко используется в шинной промышленности в качестве усиливающего компонента при изготовлении шин [44]. Технический углерод является продуктом процесса,

основанного на современных технологиях. Благодаря инновационным подходам и средствам контроля, этот материал состоит преимущественно из углерода и обладает строго определёнными химическими и физическими свойствами. Высокая степень чистоты технического углерода исключает его сходство с сажей, которая является побочным продуктом сжигания угля и мазута. В зависимости от используемого исходного сырья и условий синтеза,

можно получить различные марки технического углерода, отличающиеся структурой и свойствами [45].

23

Структура технического углерода схожа с кристаллической структурой графита, но в отличие от графита с трехмерной упорядоченностью, ТУ имеет двухмерную. Для описания морфологии технического углерода используются такие понятия, как первичная частица, агрегат и агломерат. Частицы технического углерода имеют размеры от 13 до 300 нм и состоят из кристаллитов, которые в свою очередь содержат 3–5 графеновых плоскостей.

Эти плоскости располагаются концентрически вокруг аморфного углеродного ядра [46].

В процессе синтеза технического углерода возникают химические связи между первичными частицами, способствующие их срастанию. В результате формируются первичные агрегаты. Эти агрегаты могут иметь разную степень разветвлённости (линейные и разветвлённые формы) и анизометрию

(сферические и эллипсоидальные структуры) [47]. Изучено, что частницы ТУ всегда связаны в агрегаты размером от 85 до 500 нм, исключением является термический углерод, он имеет отдельные, не связанные в агрегаты, частицы

[48]. Агрегаты могут объединяться друг с другом посредством химических и физических связей, таких как электростатические силы, силы Ван-дер-Ваальса др., это приводит к образованию агломератов, представляющих собой вторичные структуры размером от 1 до 100 мкм [49].

Поверхность технического углерода обладает шероховатостью, так как состоит из пор различных размеров. Поры, в зависимости от размеров подразделяют на три основные группы [50]:

-Микропоры: менее 2 нм;

-Мезопоры: от 2 до 50 нм;

-Макропоры: более 50 нм.

Размер и распределение пор в техническом углероде играют важную роль в его свойствах и способности к адсорбции, поскольку влияют на доступность поверхности для взаимодействия с адсорбатами.

24

Также важными факторами, влияющими на поверхность технического углерода, являются наличие различных химических функциональных групп и активных центров [51].

Существует пять основных видов синтеза технического углерода [52]: - Канальный или диффузионный технический углерод;

Данный вид ТУ синтезируется путем сжигания газа или его смесей в камерах с высокой температурой (1500-1700ºС) с последующим осаждением.

Структура технического углерода пористая.

- Печной или пламенный технический углерод;

Данный вид ТУ синтезируется при сжигании газа или его смесей в турбулентном потоке, а далее охлаждается водой. Частицы такого технического углерода имеют гладкую поверхность. Является наиболее распространённым способом получения ТУ, более 90% [53].

- Термический технический углерод;

Данный вид ТУ получают путем разложения газа при высоких температурах (1100-1500ºС) без доступа кислорода.

- Ацетиленовый технический углерод;

Данный вид ТУ получают путем сжигания ацетилена при высоких температурах (2800-3200ºС).

- Ламповый или масляный технический углерод.

Данный вид ТУ получают путем сжигания масел или нефтяных остатков

вспециализированных лампах.

Внастоящее время маркировка технического углерода осуществляется по следующим признакам: способ производства, среднеарифметическому значению диаметра частиц, удельной адсорбционной поверхности,

структурности и специфическим свойствам.

По способу производства технический углерод подразделяют: П – печная, Т – термическая, К – канальная, А – ацетиленовая, С - специальная.

25

По среднему арифметическому значению диаметра частиц ТУ подразделяют в зависимости от установленных для каждого из 10 классов пределов значений диаметра частиц (нм):

0 – до 10;

1 – свыше 10 до 19;

2 – 19 до 25;

3 – 25 до 30;

4 – 30 до 39;

5 – 39 до 48;

6 – 48 до 60;

7 – свыше 60 до 100;

8 – 100 до 200;

9 – свыше 200.

Аналогично подразделяется технический углерод по удельной адсорбционной поверхности. В зависимости от установленных пределов значений удельной адсорбционной поверхности (м2/г) технический углерод обозначают соответствующим индексом:

0 – до 35;

1 – свыше 35 до 70;

2– 70 до 90;

3– 90 до 110;

4– 110 до 130;

5– 130 до 160;

6– 160 до 250;

7– 250 до 400;

8– 400 до 700;

9– свыше 700.

По структурности технический углерод подразделяется в зависимости от установленных для каждого класса пределов значений показателя

26

абсорбции дибутилфталата (см3/100 г) технический углерод обозначают

27

Обозначение технического углерода по специфическим свойствам,

отражающим дополнительную обработку (окисление, модификация), область его применения (для электротехнической и твердосплавной промышленности и т. д.) осуществляется буквенными индексами:

Окисленный – О;

Окисленный длиннотекучий – ОД;

Окисленный среднетекучий – ОС;

Высокой частоты – Э;

Очень высокой частоты – Т;

Улучшенный – У.

Таким образом, условное обозначение марки технического углерода состоит из одной или нескольких буквенных и трех цифровых индексов [54].

Таким образом, показано, что технический углерод обладает рядом уникальных свойств, крупнотоннажность, воспроизводимой технологией, регулируемым размером частиц. Можно сделать вывод, что технический углерод может быть рассмотрен как объект исследования для синтеза пористого углеродного материала.

28

ВЫВОДЫ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ

1. Показано, что уровень загрязнения водных ресурсов тяжелыми металлами, в частности ионами меди (II), постоянно растет. Одним из эффективных способов очистки сточных вод от тяжелых металлов является адсорбция с использованием микропористого активированного угля,

обладающего развитой удельной поверхностью.

2. Показано, что крупнотоннажный технический углерод является одним из широко распространённых графитоподоных материалов используемый преимущественно в производстве резин и пигментов.

29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Синтезирован пористый углеродный материал путем газофазного окисления технического углерода при температуре 900°С. Пористый углеродный материал был охарактеризован физико-химическими методами:

рентгенофазовым анализом, инфракрасной спектроскопии и низкотемпературной адсорбции азота.

Методом рентгенофазового анализа установлено, что пористый углеродный материал однофазный объект, состоящий из гексагональной модификации графита. Наличие широкого асимметричного пика в области углов 2Θ°=40-55 указывает на рузупорядоченность графитоподобных доменов с толщиной Lc 1.3 нм и протяженностью Lа 3.4 нм. Показано, что в результате газофазного окисления межслоевое расстояние d002 снижается с 0.372 до 0.369.

Показано, что в результате газофазного окисления технического углерода происходит формирование пористого углеродного материала с удельной поверхностью 948 м2/г. Методом низкотемпературной адсорбции азота установлено, что газофазное окисление способствует деструкции первичных частиц за счет выгорания углерода и это приводит к увеличению объемов микропор < 2нм, мезопор от 2 до 7 нм с 0.00 (исходный технический углерод)

до 0.27 см3/г и 0.09 (исходный технический углерод) до 0.93 см3/г

соответственно. Методом инфракрасной спектроскопии и кислотно-основного титрования показано, что в процессе газофазного окисления не происходит формирование кислородсодержащих групп.

Изучен процесс адсорбции ионов меди (II) из водного раствора при использовании в качестве адсорбентов пористого углеродного материала с использованием метода спектрофотомерии. В качестве сравнения были использованы углеродные адсорбенты: технический углерод и активный кокосовый уголь. Показано, что адсорбция ионов меди (II) при рН 4,28 на пористом углеродном материале является наиболее эффективной, так как снижается конкурентоспособность ионов водорода за активные центры, что не

30