Кеуекті көміртекті материалдарды алу әдістері

Жұмыс түрі: Диссертация
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 49 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТІРЛІГІ
ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
ХИМИЯ ФАКУЛЬТЕТІ
ЭКОЛОГИЯ МАМАНДЫҒЫ БОЙЫНША
ЖАЛПЫ УНИВЕРСИТЕТТІК МАГИСТРАТУРА

МАГИСТРЛІК ДИССЕРТАЦИЯ

АҒЫНДЫ СУЛАРДЫ КӨМІРТЕКТЕНГЕН СОРБЕНТТЕР КӨМЕГІМЕН ТАЗАРТУ

Орындаушы:
2-курс магистранты

Ғылыми жетекші:
х.ғ.д., профессор, ҚР мемлекеттік
сыйлығының Лауреаты

Норма бақылаушы:
а-ш.ғ.к., доцент

Қорғауға жіберілді:
Жалпы химия және химиялық
экология кафедрасының меңгерушісі
х.ғ.к., доцент

2010ж.

АЛМАТЫ, 2010ж
РЕФЕРАТ

Диссертацияның құрамы мен көлемі. Диссертациялық жұмыс кіріспеден,
әдеби шолудан, тәжірибелік бөлімнен, нәтижелер мен оларды талқылаудан,
қорытындыдан, пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Диссертация жұмыс
материалы 62 беттен, 20 суреттен, 10 кестеден және 73 пайдаланылған
әдебиеттер тізімінен тұрады.
Түйін сөздер: СОРБЕНТТЕР, МЕНШІКТІ БЕТТІК АУДАН, КӨМІРТЕКТЕНДІРУ,
КӨМІРТЕКТЕНДІРІЛГЕН СОРБЕНТТЕР, ТӨҢКЕРІС САЗЫ, ДИАТОМИТ САЗЫ, КӨМІРТЕК
МӨЛШЕРІ, СОРБЦИЯ.
Жұмыстың мақсаты мен міндеттері. Саз негізіндегі көміртектенген
сорбенттер алу және оны өндірістік ағынды суларды фенолдан, ауыр металл
иондарынан тазалауға қолдану.
Осыған байланысты төмендегідей міндеттер қойылды:
1. Саз негізіндегі көміртектенген сорбенттерді алу әдісін зерттеу;
2. Алынған көміртектенген сорбенттерді қазіргі кездегі физико-химиялық
әдістермен зерттеу;
3. Көміртектенген сорбенттердің сорбциялық қасиеттерін зерттеу.
Ғылыми жаңалығы. Саз негізіндегі экологиялық-экономикалық жағынан
тиімді арзан көміртектенген сорбенттер дайындау.
Зерттеу әдістері. Көміртектендіру методикасы, Алынған үлгідегі
көміртек мөлшерін анықтау әдісі, Көміртектенген үлгінің меншікті беттік
ауданын газохроматографиялық әдіспен анықтау, ИҚ-спектроскопия әдісі,
Электрондық микроскопия әдісі, Фенолды және ауыр металл иондарын сорбциялау
әдісі, Қызылша және сия пигментінің сорбциясы, Атомды-адсорбциялық әдіс.
Жұмыстың тәжірибелік құндылығы. Саз негізінде жоғары сорбциялық
сиымдылыққа ие көміртектенген сорбенттер алу. Алынған сорбенттерді
өндірістік ағынды суларды фенолдан және ауыр металл иондарынан тазалау
процесінде қолдану.
Публикациялар. Жұмыстың нәтижелері бойынша 2 мақала және 6 тезис
жарияланды.

РЕФЕРАТ

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзор
литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждений, выводов,
списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 62
страницы машинописного текста, включает 20 рисунка, 10 таблицы. Список
использованной литературы содержит 73 наименования.
Ключевые слова: СОРБЕНТЫ, УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, ЗАУГЛЕРОЖЕННЫЙ
СОРБЕНТЫ, ГЛИНА, СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА, СОРБЦИЯ.
Цель и задачи работы. Целью работы является получения зауглероженные
сорбентов и эти сорбенты применить для очистки сточных вод от ионов тяжелых
металлов и фенолов. .
В соответствии с этим, были поставлены следующие задачи:
1. Приготовить зауглероженные сорбенты ;
2. Полученные зауглероженные сорбенты изучены современными физико-
химическими методами исследования;
3. Установлены сорбционные свойства зауглероженные сорбентов.
Научная новизна.
Приготовить зауглероженные сорбенты выгодные с экологической-
экономической стороны.
Методы исследования. Зауглероженные, метод определения содержания
углерода, Газохроматографический метод определения удельной поверхности
зауглероженных образцов, Электронно-микроскопическое исследование, методика
ИК-спектроскопии, атомно-адсорбционный метод, Сорбция чернильного и
свекольного пигмента, Сорбция ионов метала, сорбция фенолов.
Практическая значимость работы. Разработан метод полученные
зауглероженные сорбенты, обладающего хорошими адсорбционными свойствами.
Изучены физико-химические характеристики полученных зауглероженных
сорбентов.
Публикации. По результатам работы опубликовано в 2 статьях и 6
тезисах.

ҚЫСҚАРТЫЛҒАН СӨЗДЕР ТІЗІМІ

АК – активті көмір
ККМ – кеуекті көміртекті материалдар
КТС – Көміртектенген Төңкеріс сазы
ИҚ – Инфрақызыл
ТС – Төңкеріс сазы
КДС – Көміртектенген диатомит сазы

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ 7
1 ӘДЕБИ ШОЛУ 10
1.1 Кеуекті көміртекті материалдарды алу әдістері 10
1.2 Көміртектенген материалдардың түзілу механизімі 13
1.3 Суды сорбенттермен тазартудың механизімі 17
1.4 Табиғи және ағынды сулардың ластану көздері 20
1.4.1Сулы ортаның негізгі ластағыштары 20
1.5 Ағынды суларды тазарту әдістері 26
1.5.1Ағынды суларды тазартуда сорбциялық әдістерді қолдану 26
1.6 Суды органикалық заттардан тазалауға арналған сорбенттер 29
1.6.1Суды ауыр металл иондарынан тазалау үшін қолданылатын 32
сорбенттер
1.6.2Сорбенттерді регенерациялау әдістері 33
1.7 Судың химиялық компоненттерінің санитарлы-токсикологиялық 34
сипаттамасы
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 38
2.1 Көміртектендіру әдістемесі 38
2.2 Алынған үлгідегі көміртек мөлшерін анықтау әдісі 38
2.3 Көміртектендіру процесіндегі үлгі массасының өзгерісін 39
анықтау
2.4 Элементтік анализдеу әдістері 39
2.5 Көміртектенген үлгінің меншікті беттік ауданын
газохромато-графиялық әдіспен анықтау 39
2.6 ИҚ-спектроцкопия әдісі 40
2.7 Рентгенофазалық талдау 40
2.8 Электронды микроскопия әдісі 40
2.9 Фенол сорбциясының стандартты әдісі 41
2.10 Суды ауыр металл иондарынан тазартуда алынған
көміртектенген сорбенттерды қолдану 41
3 АЛЫНҒАН НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ 42
3.1 Көміртектенген сорбенттерді алу 42
3.2 Көміртектендіру процесін анализдің физикалық зерттеу 44
әдісімен зерттеу
3.3 Қызылша және сия пигментінің сорбциясы 51
3.4 Алынған көміртектенген сорбенттердің сорбциялық қасиетін
зерттеу 53

3.4.1Алынған көміртектенген сорбенттердің сорбциялық қасиетін
зерттеу 54
ҚОРЫТЫНДЫ 57
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 58

КІРІСПЕ

Жұмыстың жалпы сипаттамасы. Ақаба сулардың қоршаған ортаға тигізетін
кері әсерін анықтау, ақаба суларды зиянды заттардан тазалау мәселесін
зерттеу және жетілдіру жұмыстары практикалық жұмыстар негізінде
сарапталған.
Ақаба су деп бұрын өндірісте, тұрмыста немесе ауылшаруашылығында
пайдаланылған, сондай-ақ қандай да бір лас аймақ, оның ішінде елді мекен
(өнеркәсіптік, ауылшаруашылықтық, коммуналдық-тұрмыстық, нөсер, тағы басқа
ағындар) арқылы өткен су. Былайша айтқанда адамның тұрмыста және өндірістік
іс-әрекетінде пайдаланылғаннан кейін шыққан су.
Ақаба су гетерогенды күрделы жүйе болып саналады, оның құрамында
болатын органикалық және минералды қоспалар ерімейтін, коллоидты және
еритін түрде кездеседі. Құрамы мен пайда болған түріне байланысты ақаба
сулар 3 категорияға: шаруашылық-тұрмыстық, өндірістік және атмосфералық
болып бөлінеді.
Табиғатты, қоршаған ортаны ластанудан қорғау мен табиғи ресурс ретінде
тиімді пайдалану мақсатында қайтарылып қолдану үшін ақаба су құрамындағы
ластағыш заттардың түрі мен мөлшеріне қарай әртүрлі әдіспен тазаланады.
Жұмыстың өзектілігі. Республикамыздың "Қазақстан 2030'' стратегиялық
дамуында негізгі орынды Қазақстандықтардың тұрмыс жағдайының жоғарлауына
және қоршаған ортаны экологиялық қауіпсіздікпен камтамасыз етуге көп көңіл
бөлінген.
Қазіргі экологиялық проблемалардың бірі үлкен қалалардан шыққан
тұрмыстық және өнеркәсіптік ластанған суларды тазалау мәселелері болып
отыр.
Қазақстанның су қорғау кодексі бойынша су обьектілерін экологиялық
талаптарға сәйкестендіріп ұстау үшін, жер бетіндегі суларды ластанудан,
былғанудан және азаюдан сақтап қалу мақсатында, сонымен қатар жануарлар мен
өсімдіктер әлемінің тіршілік ететін ортасын сақтау үшін су қорғау белдемі
белгіленеді.
Бүгінгі таңның ең басты мәселелерінің бірі су ресурстарын қорғау болып
табылады. Соның ішінде органикалық қосылыстар, ауыр металдармен ластанған
гидросфераны, қоршаған ортаны, табиғатты тағы басқаларды тазарту және оны
дұрыс пайдаланудың жолдарын іздестіру өзекті және күрделі мәселе болып
отыр.
Сорбция әдісімен тазарту кезінде сорбент ретінде көміртектенген саздар
пайдаланылды. Табиғи саздар арзан құны мен оңай алыну технологиясы,
қорының молдығы, жоғары дәрежелік сорбциялық қасиетінің болуына байланысты
ағынды және табиғи суларды тазарту үшін тиімді болып отыр.
Демек, сорбциялық тазарту ағынды және табиғи суларды органикалық
қосылыстардан тазартудың ең қолайлы әрі тиімді және ең жоғары тазалану
дәрежесіне ие әдістерінің бірі болып табылады.
Ағынды суларды органикалық қосылыстардан тазартудың мейлінше болашағы
үлкен әдістердің бірі сорбциялық әдіс болып табылады.
Суды тазартуда шығу тегі жасанды және табиғи материалдар қолданылады.
Дегенмен көптеген сорбенттердің эксплуатациялық қасиеттері төмен, су
фазасына улы қоспаларды бөліп шығарады және бағасы өте қымбат. Кремний
жыныстары негізіндегі жергілікті табиғи сорбенттерді қолданудың тиімділігі
жоғары болып табылады.
Қазіргі кезде ауыр металл иондарымен ластанған өндірістік ағынды
суларды тазалау шешілмей келе жатқан мәселелердің бірі. Судағы ауыр металл
иондарының шекті жіберілетін концентрациясы (ШЖК) мөлшерінен артуы қоршаған
ортаға елеулі зиян келтіреді.
Көміртектенген сорбенттерды газды және сұйық орталардан бағалы
заттарды бөліп алуда және зиянды қоспалардан тазарту процестерінде, мұнай
өңдеуде, химиялық процестерде, шарап жасауда, май өндірісінде, ағынды
өндірістік суларды тазалауда, өндірістен шығарылатын газдардан улы газдарды
бөліп алуда және өндірістің басқа салаларында да кеңінен қолданылады.
Жұмыстың негізгі идеясы. Өндірістерде пайдаланылатын ақаба сулардың
қоршаған ортаға әсерін экологиялық бағалау, оларды табиғи саз негізіндегі
көміртектенген сорбенттермен тазалаудың әдісін зерттеу.
Зерттеу нысаны мен әдістері. Модельді ерітінділерден органикалық заттарды
және ауыр метал иондарын саз негізіндегі көміртектенген сорбенттермен
тазалау. Көміртектендіру методикасы, Алынған үлгідегі көміртек мөлшерін
анықтау әдісі, Көміртектендіру процесіндегі үлгі шығымын анықтау,
Көміртектенген үлгінің меншікті беттік ауданын газохроматографиялық әдіспен
анықтау, ИҚ-спектроскопия әдісі, Электрондық микроскопия әдісі, Қызылша
және сия пигментінің сорбциясы, Атомды-адсорбциялық спектроскопия.
Жұмыстың ғылыми жаңалығы:
- өндірістік ақаба суларды тазалаудың экологиялық және экономикалық
жағдайлары зерттелініп, ең тиімді әдістер талдап алынды;
- ақаба суларды тазалаудан кейінгі көміртектенген сорбенттерді көп
қайтара қолдану мәселелері қарастырылды;
- өндірісте пайдаланылатын ақаба сулардан табиғи ортаға келетін
зияндылықтарды болдырмау, көміртектенген сорбенттерді қолданудың
экологиялық және экономикалық тиімділігі анықталды.
Қорғауға ұсынылатын негізгі тұжырымдар:
- органикалық қосылыстары және ауыр метал иондары бар өндірістік ақаба
суларды саз негізіндегі көміртектенген сорбенттермен тазалаудың
экологиялық және экономикалық тиімді әдістемесі ұсынылды;
- су тазалаудан кейінгі сорбенттерді шаруашылықта пайдалану тиімділігін
экологиялық және экономикалық тұрғыда негіздеу;
Жұмыстың тәжірибелік құндылығы. Өндірістерден шыққан ақаба суды тазалауға
негізделген экологиялық қауіпсіз технология жасауға ұсынуға болады, су
тазартудан кейінгі сорбенттерді шаруашылықта қолдану тиімділігі және
өндірістік ағынды сулардың адам денсаулығына және қоршаған ортаға тигізетін
зиянды әсерін азайту үрдістері анықталды.
Жұмыстың сынақтан өтуі. Жұмыстың нәтижелері бойынша 2 мақала және 6 тезис
жарияланды. 1) “Ағынды суларды органикалық заттардан көміртекті
сорбенттермен тазалау” тақырыбында жазылған тезисі Алматы қаласы -2008 ж.
“Ғылым әлемі” атты ІІ Халықаралық студенттер мен жас ғылыдар конгресі; 2)
“Ағынды суларды фенолдан көміртетктенген сорбенттермен тазалау” тақырыбында
жазылған тезисі Алматы қаласы - 2009 ж. әл-Фараби атындағы ҚазҰУ 75-
жылдығына арналған жас ғылыдар мен студенттердің “Ғылым әлемі” атты ІІІ
Халықаралық конгресі; 3) “ Ағынды суларды көміртектенген сорбенттер
көмегімен тазалау” және “ Қоғамды экологияландыру” тезистері Алматы қаласы
- 2009 ж. әл-Фараби атындағы ҚазҰУ 75-жылдығына арналған Экологиялық білім
беруді дамытудағы инновациялық үрдістер атты халықралық конференциясы 4)
“Prolongation of performance of carbon sorbents with respect to heavy metal
Ions by in situ ozonlysis ” FIRST ASIAN CARBON CONFERENCE 25th - 27th
November 2009. India Habitat Center, New Delhi, India. 5) “
Ластанған ағынды суларды көміртектенген сорбенттер көмегімен тазалау”
тақырыбында жазылған тезисі Алматы қаласы - 2010 ж. “Интеллектуалды қарқын
және инновация” ұраны атты “Ғылым әлемі”студенттер мен жас ғылыдардың
Халықаралық конференциясы; 6) “Суды органикалық қосылыстардан
көміртекті наноматериалдарды қолданып тазарту” тақырыбында жазылған мақала
Алматы қаласы - 2010 ж. ҚазҰУ ХАБАРШЫ журналының химиялық секциясында
баспаға шығарылды. 7) Ағынды суларды көміртектенген сорбенттер көмегімен
тазалау мақаласы Алматы қаласы- 2010ж. Тұрақты дамудың және
биотехнологияның, инженерлік экологияның қазіргі жағдайы және проблемалары
атты бірінші халықаралық ғылыми –практикалық конференцияға ұсынылды.
Автордың жеке үлесі. Қойылған зерттеу мәселесін шешуден, өндірістік ақаба
сулардың құрамын сараптаудан, тазалаудың тиімді әдістерін қолданудан,
теориялық және тәжірибелік зерттеулерді жүргізуден, бастапқы су құрамы мен
сорбциядан кейінгі су құрамын салыстыру нәтижелерді өңдеуден, өндірістің су
пайдалану айналымды жүйесінде жаңа технологиялық шешімді енгізуге ұсынудан
және тазалау үрдістерін бақылау мен басқарудың жүйесін жасаудан тұрады.
Жұмыстың жариялылығы. Диссертация тақырыбы бойынша 2 ғылыми мақала, 6
тезис материалы ретінде республикалық және халықаралық конференцияларға
ұсынылып, доклад жасалынды.
Диссертациялық жұмыстың құрылымы мен көлемі. Диссертация кіріспеден, 3
тараудан, қорытындыдан, 73 әдебиеттер тізімінен тұрады. Жалпы көлемі 62 бет
және 20сурет, 10 кесте қамтылған.

1 ӘДЕБИ ШОЛУ

1.1 Кеуекті көміртекті материалдарды алу әдістері
Адсорбент ретінде қолданылатын кеуекті көміртекті материалдары негізіне
кеңістікте белгілі бір ретпен орналасқан және созылмалы торлар немесе
микрокристаллиттер түзетін sp2-гибридтелген көміртек атомдарынан тұратын
көміртек-графитті материалдар класына жатқызады. Осы кластың өкілдері
активті көмірлер (АК) болып табылады 1.
Активті көмірлер алу үшін әртүрлі көміртекті заттар қолданылады: ағаш
сүрегі, үгіні, жоңқасы, кокос жаңғағының қабығы, шайырлар, шымтезек,
лигнин, қазба, тас көмірлер, гидролиз өндірісінің қалдықтары және т.б.
Бастапқы компоненттерді араластыру, алынған қоспаны гранула түрінде
пішіндеу, өнімді активациялау және карбонизациялау сатылары арқылы өтетін
сфералық көміртекті адсорбенттерді алу жолы басқалардан жоғары молекулалы
органикалық заттарға қатысты сорбциялық сыйымдылығын, сонымен қатар,
механикалық беріктілігін арттыру мақсатында құрамында көміртек бар
термоактивті мономер және оны қатайту үшін қышқыл араластыруымен
ерекшеленеді; пішіндеуді араласпайтын ортада 75-155˚С дейін қыздырылған
қоспаны диспергирлеу арқылы жүргізеді, ал карбонизация алдында алынған
гранулаларды қатайтады. Термоактивті шикізат ретінде фурфурол, ал қатайту
үшін қышқыл ретінде күкірт қышқылын қолданады, ал араластыруды бастапқы
компоненттердің массалық қатынасы 4:9-ға тең болғанда жүргізеді.
Араласпайтын орта ретінде полиметилсилоксанды сұйықтықтар немесе қайнау
температурасы 160˚С жоғары мұнайды айдау өнімдері қолданылады 2.
Әдетте көміртекті адсорбенттерді табиғи (көмір, ағаш сүрегі, шымтезек)
немесе синтетикалық (полимерлер) органикалық шикізатты карбонизациялау және
активтеу арқылы алады. Карбонизация процесінде гетероатомдарды (оттек,
сутек, азот, кремний, металдар) газ тәрізді өнімдер түрінде жойылады,
көміртектің мөлшері артады, және де негізгі құрылымдық бірліктерге немесе
элементарлы графитті кристаллиттерге бірігетін жазық ароматты сақиналар
құрылымы дамиды. Карбонизацияланған өнімде кристаллиттер ретсіз орналасқан,
олардың арасындағы кеңістіктер шайырлы заттардың ыдырауы нәтижесінде
түзілетін аморфты көміртекпен толтырылған болып табылады.
Карбонизация – алдын-ала дайындалған шикізатты ауа қатысынсыз термиялық
өңдеу. Дайындау процесі шикізатты 1-6 мм-ге дейін ұсатудан және іріктеуден
тұрады. Бөлшектердің мұндай өлшемдері дайын өнімнің өлшемдеріне сәйкес
келеді. Әрбір шикізат түрі өзіне тән карбонизациялау жағдайын талап етеді.
Әдетте процесті 400-800˚С температурада көлемі үлкен реакторларда немесе
көп сөрелі пештерде жүргізеді 3-5.
Карбонизация барысында бастапқы шикізат құрамынан жеңіл ұшқыш заттар
мен органикалық қосылыстар (ылғал мен ішінара шайырлар) бөлінеді.
Нәтижесінде бастапқы ағаш сүрегінің кеуектерінің пішінін ішінара сақталатын
біріншілік макрокеуектер құрылымы түзіледі, және де карбонизациядан кейін
жіңішке кеуектері бар ағаштың қатты түрлері (үйеңкі, шамшат) қатты
көмірлер, ал жұмсақ түрлері (шырша, қарағай, қайың) механикалық беріктілігі
төмен көмірлер береді. Карбонизациялау температурасы жоғары болған сайын,
соғұрлым материал тығыздалып, карбонизация процесін өткізу жағдайына
байланысты көміртек мөлшерінің артуы нәтижесінде активті көмірдің
беріктілігі жоғарлайды.
Беріктілігі төмен жоғары кеуекті өнім түзуін болдырмас үшін жұмсаруға
және бірігуге қабілетті шикізатты белгілі бір жылдамдықпен қыздырады.
Бірқатар авторлардың көзқарасы бойынша шикізатты қыздыру жылдамдығы 5
градмин айтарлықтай жоғары болу қажет. Тез карбонизациялау адсорбциялық
кеуектердің (микро- және супермикрокеуектер) орнына тасымалдаушы
кеуектердің (макрокеуектер) түзілуінің артуы нәтижесінде алынатын
сорбенттің сапасын төмендететіндігі тәжірибелермен дәлелденген. Процесті
идентификациялау үшін шикізатты алдын-ала ауа қатысында төмен температурада
(180˚С) өңдеу ұсынылады 6-7.
Жоғары адсорбциялық сыйымдылыққа ие көміртекті адсорбенттерді тек
карбонизацияланған өнімді активациялау арқылы ғана алуға болады. 850-900˚С
температурада өткізілетін булы-газды активациялау процесінде көміртектің
бір бөлігі жанып кетеді. Жанып кеткен көміртек мөлшері жану дәрежесімен
сипатталады. Булы-газды активациялаудың бастапқы сатыларында, яғни, жану
дәрежесі 10%-дан аспаған кезде кристаллиттер арасындағы кеуектерді босата
отырып, алдымен ретсіз көміртек жанады. Ары қарай активациялау нәтижесінде
кристаллиттер көміртектері жанады. Бұл кезде жану дәрежесі мен көміртекті
сорбенттің (КС) кеуекті құрылымының дамуы арасында тікелей байланыс пайда
болады. Кейде мұндай әдісті физикалық активация деп те атайды. Көміртекті
адсорбенттер карбонизациялау алдында көміртекті материалдарға шайырлардың
пайда болуын тежейтін немесе мүлде болдырмайтын химиялық қосылысты қоса
отырып активациялауға негізделген басқа әдістермен де бар. Химиялық
активация деп аталатын мұндай әдіс көміртекті сорбенттерді бір сатыда
алуға мүмкіндік береді. Бұл процесс 450-1000˚С температура аралығында
жүргізіледі. Көміртекті адсорбенттерді шайыр түзбей ыдырайтын көміртекті
шикізаттан (мысалы, поливинилиденхлоридтен) активтеуші агент қоспай
карбонизациялау процесінде де алуға болады. Кейде активациялаудың
комбинацияланған әдістері де қолданылады.
Көміртекті материалдардың құрылымын реттеудің жаңа әдістерін іздестіру
көміртекті байланыстырғыштармен (шайырлар, пиролитикалық көміртек)
біріктірілген дисперсті көміртекті толтырғыштардан (кокс, графит,
техникалық көміртек - күйе және т.б.) көміртек-көміртекті композициялық
материалдарды алуға болады.
Көміртек-көміртекті композициялық материалдарды жасанды жолмен алу
кезінде белгілі бір дисперстілігі мен құрылымы бар толтырғыш пен қажетті
қасиеттерге ие байланыстырғышты, және де толтырғыш пен байланыстырғыш
мөлшерлерінің қатынастарын таңдау арқылы кеуекті құрылымды реттеу үшін жаңа
мүмкіндік пайда болды. Бірақ та активті көмірлер тәрізді олардың
адсорбциялық қасиеттерін жақсарту үшін жіңішке кеуектер көлемін арттыра
отырып қосымша тотықтырғыштармен активациялау қажет.
Гидрофильді минералды (механикалық беріктілігі жоғары) және гидрофобты
көміртекті (беттің көміртекті құрамы) адсорбенттердің пайдалы қасиеттерін
біріктіретін көміртек-минералды композициялық материалдарды алудың
рационалды әдістерін іздестіру туралы әдебиеттер көлемі кең. Алайда
ингридиенттерді механикалық араластыру да, көмірсутектердің: бензолдың,
спирттердің пиролизі арқылы кремнезем бетін көміртекпен модификациялау да
жақсы адсорбциялық қасиеттер мен минералды толтырғышқа көміртектің
жеткілікті адгезиялануы болатын көміртек-минералды адсорбенттер алуға
мүмкіндік бермейді 8-11.
Құрамында көміртекті заттарды ыдырату үшін каталитикалық активті
орталықтары бар заттарды минералды толтырғыштар ретінде қолдану арқылы
көміртекті қабаттың минералды толтырғышқа ынтықтығын жоғарылатуға, сонымен
қатар, мақсатты өнімді алу үшін жұмсалынатын энергия шығынын азайтуға
болады. Осыған байланысты көміртек-минералды композициялық материалдарды
алу мақсатында перспективті минералды толтырғыш қышқыл типті қатты кеуекті
катализаторлар болып табылады.
Әдетте мұндай катализаторлар микро- немесе жіңішке мезокеуектер
текстураға ие болып келеді. Осыған байланысты көмірсутектердің термиялық
крекингі кезінде олардың бетінде көміртектің жинақталуы ішкі диффузиялық
тежелумен күрделенеді. Диффузиялық аймақта көміртектендіруден кейін
алынатын материалда көміртектің массасы негізінен кеңірек кеуектерде
орналасады.
Кеуекті көміртекті материалдар минералды аналогтарымен салыстырғанда
бірқатар спецификалық қасиеттерге ие болғандықтан ерекше қызығушылық
туғызады, осыған байланысты адсорбциялық және каталитикалық процестерде
кеңінен колданылады.
Мақсатына, жүргізу жағдайына, кинетикалық заңдылықтары мен сорбенттің
меншікті каталитикалық активтілігіне байланысты әрбір адсорбциялық процесс
үшін процестің ең жоғары жылдамдығын қамтамасыз ететін сорбенттің оптималды
кеуекті құрылымы анықталынуы мүмкін.
Активтелген көмірлер меншікті беті үлкен (1500 м2г дейін) қатты
көміртекті материалдар болып табылады. Олар өлшемдері бойынша әртүрлі
кеуектерге ие. 1-кестеде кеуекті материалдардың қасиеттері берілген.

1-кесте. Кеуектердің өлшемдері бойынша жіктеу
Кеуектердің Кеуектердің орташа Кеуектер Меншікті беттік
құрылымдық түрлері эквиваленттік радиусы,көлемі, см3гауданы, м2г
нм
Микрокеуектер 4-6 0.25-0.6 350-850
Супермикрокеуектер 6-13 0.1-0.8 200-500
Мезокеуектер 13-1600 0.02-0.2 20-100
Макрокеуектер 1600 артық 0.2-0.8 0.5-2

Активті көмірлерде кеуектердің барлық түрлері кездеседі, бірақ олардың
жалпы сорбциялау процесіндегі рөлі әр түрлі болып келеді. Сирек ерекше
жағдайлардан басқасында адсорбция іс жүзінде микро- және
супермикрокеуектерде жүреді, олар адсорбциялаушы кеуектер болып табылады.
Сондықтан көптеген маңызды жағдайларда мезо- және макрокеуектердегі
адсорбция есепке алынбайды. Бұл кеуектер адсорбцияланатын молеулалар үшін
транспорттық каналдар болып табылады. Мезокеуектер тек үлкен молекулалар
мен коллоидты бөлшектерді сорбциялау процесінде ғана айтарлықтай рөл
атқарады.
Құрылымында қандай кеуектің сәйкес келуіне байланысты микро-, мезо-,
макрокеуекті адсорбенттер деп бөлінеді. Микрокеуекті активті көмірлердің
екі түрі болады: Өлшемдеріне байланысты микрокеуектердің жіңішке
(құрылысында супермикрокеуектер болмайды) және кең (микро- және
супермикрокеуектер бірге болады) таралуы байқалады 12-16.
2-кестеде кейбір өндірістік сорбенттердің меншікті беті туралы
мәліметтер келтірілген.

2-кесте. Кейбір өндірістік сорбенттердің меншікті беттік ауданы
Сорбент Меншікті беттік аудан, мг
Кремнезем (SiO2) 15-750
Алюмогельдер (А12Оз-Н2О) 170-220
Қара көмір 85-350
Ағаш көмірі 125-800
Цеолиттер 200-1000

Сонымен, адсорбциялық процестің эффективтілігі мен жағдайлары
адсорбенттің құрылымдық және химиялық қасиеттерімен анықталады.
Келтірілген көміртекті материалдарды алу әдістеріне шолу жасай отырып
минералды толтырғыштар бетін ретті көміртектендіру, соның ішінде қатпарлы
көміртекті бетке ие көміртекті материалдарды алу әдістері қазіргі уақытқа
дейін толық шешілмеген мәселе деп қорытындылауға болады.

1.2 Көміртектенген материалдардың түзілу механизмі
Р.А.Буянов процесті зерттеу барысында көмірсутекті қайта өңдеу кезінде
катализаторды кокстеу арқылы көміртекті жинағыштардың түзілуінің екі жолын
ұсынған. Олар консекутивті схема және карбидті цикл механизмі бойынша
жүреді деп болжанылды 17-20.
Консекутивті схема. 70-жылдар аяғына дейін әдебиеттерде тек
консекутивті реакция схемасы бойынша кокс түзілу жолын қарастырған. Бұл
схема бойынша сутекті бөлуде немесе дегидрлеу нәтижесінде түзілген
қанықпаған аралық қосылыстарды тізбекті реакция бойынша полимерлеп және
конденсациялап коксты алған. Консекутивті механизм сызбасы келесі түрде
беріледі:

Бұл реакция катализатор бетінде жүреді, өйткені оның полифункционалды
қасиеті бар. Үздіксіз циклдеу әдісі де ұсынылған, бұл сутексіздендіру
арқылы циклдерді бір-бірімен байланыстыруға негізделген әдіс.
Кокстың түзілу реакцияларының консекутивті сызбанұсқасы бойынша
каталитикалық түзілуі туралы пікір басымдылыққа ие болды. Ол конденсация
және полимерлену, дегидроциклдену, ароматты сақиналарды байланыстыру және
сутексіздендіру негізінде графитті құрылымға дейін нығыздау мономерлері
мен нығыздаудың аралық өнімдерінің түзілуінің бірқатар реакциялары болып
табылады.
Көміртекминералды өнімді консекутивті реакциялар бойынша алу қиындық
тудырмайды. Реакциялардың консекутивті механизмі олардың негізінде жатқан
механизмді ашпайды. Онымен қоса консекутивті сызбанұсқа реакцияларын
жалғыз механизм негізінде түсіндіру олардың механизмдерінің еркшелігін
анықтайтын алуан түрлілігі есебінен негізсіз болып табылады және шартты
түрде екі топқа бөлінеді.
Бірінші топқа полимерлену және поликонденсация реакциялары, яғни нақты
нығыздау реакциялары жатады. Мұндай реакциялардың механизмдеріне, соның
ішінде карбоний ионды, радикалды, координациялық-анионды, поликонденсациялы
механизмдерге көптеген жұмыстар арналған.
Екінші топқа полимерлену мен конденсацияға ілеспелі екіншілік
реакциялар жатады: дегидрлеу, алкилдеу және диалкилдеу, қайтатопталу,
деструкция, дегидроциклдеу және т.б.
Катализдеуші металды бөлшек қасиеттері мен процесті жүргізу
жағдайларына байланысты графитті жіптердің үш негізгі “базалық” құрылымды
типтерін синтездеуге болады.
Жіп тәріздес көміртектің карбидті цикл механизмі бойынша өсуі 4
периодқа бөлінеді: индукциялық, үдеулер, стационарлы және дезактивациялар.
Өсудің индукциялық периодында аралық карбид тәріздес қосылық арқылы
көмірсутек ыдырауы нәтижесінде бетте түзілетін көміртек атомдары металл
бөлшегіне терең еніп, аса қанық ерітінді түзеді. Сосын көміртектің
критикалық қанығуына жеткенде металды бөлшекте графит ұрығы түзіледі.
Графиттің кристалдану орталықтары пайда болған соң металды бөлшектер
құрылымының реконструкциясымен бір мезгілде графитті жіптердің өсуі
басталады. Жіптің өсуі металды бөлшектің дезактивациясы немесе блоктарға
монокристалдардың бөлінуі кезінде тоқтайды.
Мұндай көміртекті түзілулердің морфологиясын, микроқұрылымын бақылауға
электронды-микроскопиялық зерттеулер мүмкіндік береді олардың негізінде
жұмыста байқалатын барлық макроқұрылымдар екі негізгі класқа бөлінген.
Жіп тәріздес түзілулерді алудың оптималды температуралар интервалы 400-
575˚С. 400-446˚С температуралар диапазонында жіп тәріздес түзілулер
диаметрі шамамен 100Å және ішкі қуыс каналы бар диаметрі 400-900 Å қуыс
түтіктер ғана байқалады. Осы микротүтіктер, түтіктер және жіптердің бір
ұшында диаметрі көміртекті жіпке ұқсас металл бөлшектері болады. Шамамен
400˚С температурада үлгілердегі негізгі өнім жалпы екі конусты металды
фрагменттен қарсы бағытта өсетін қос жіптер мен түтіктер болып табылады.
Қабыршақты металл-көміртекті түзілулер 500˚С-тан жоғары температурада
байқалады. Бұл жағдайда сфералық формадағы металл бөлшектері (диаметрі 900-
2000 Å) барлық жағынан көміртек қабаттарымен қоршалады.
Карбидті цикл механизмі. Карбидті механизм әртүрлі адсорбциялық,
механикалық, каталитикалық және басқа да қасиеттерге ие көміртектің
графиттәрізді морфологиялық түрлерінің жиынтығын алуға мүмкіндік береді.
Материалды алу жиынтығын комплексті түрде қарастыру карбидті цикл механизмі
бойынша көміртек-графиттің түзілуін жалпы түрде көміртек материалдарын
дайындауға және көмірсутектердің ыдырауынан алынатын бірқатар жаңа
процестерді түрлендіруге мүмкіндік береді. Металдың дисперсті бөлшектерінде
көміртектің түзілуінің карбидті механизмін Р.А. Буянов келесі түрде жазды:

Бұл сызба бойынша оксидтермен көмірсутектердің әрекеттесуінен металдар
тотықсызданады, олар қайта көмірсутектермен әрекеттесіп карбидтер түзеді.
Ыдырау металл мен бос көміртектің түзілуіне әкеледі. Бұл әртүрлі
морфологиялы көміртекті береді.
Карбидті цикл механизмінде екі негізгі сатыны атап өтуге болады:
химиялық және физикалық. Химиялық саты кезінде көмірсутектің каталитикалық
ыдырауы концентрацияның белгілі бір шекті мәндеріне дейін көміртек
атомдарының түзілуі арқылы металды бөлшектің беткі жағында жүзеге асады.
Физикалық сатыда графит фазасының кристалдануы орталықтарының түзілуі
металды бөлшектің артқы жағында болады және графитті фазаның кристалдану
орталығына қарай көміртек атомдарының миграциясы, белгілі бір морфологиялық
және кристаллографиялық түрлерінің түзілуі арқылы оның өсуі жузеге асады.
Бұл модельден процесс барысын анықтайтын факторлар, көміртекті қалдықтардың
морфологиялық және кристаллографиялық ерекшеліктері туралы маңызды
қорытындылар туындайды. Бұл факторларға катализатордың металды
бөлшектерінің қасиеттері мен сипаттамалары, ыдырайтын көмірсутек табиғаты,
графиттің кристалдану орталықтары мен көміртек атомдарының масса берілу
ерекшеліктері жатады 21-26.
Сондықтан көміртекқұрамды композициялық материалдарды алу үшін
көміртектендіру әдістерін қолдану катализатор-тасымалдағыш бетіне әртүрлі
көмірсутектерді термиялық ыдырату арқылы жүргізіледі.
1-cуретте көміртектендіру қондырғысында, пропан-бутан газы ағынында
ұсталып көміртектендірлген саз негізіндегі сорбенттер.

1-сурет. Саз негізіндегі көміртетендірілген сорбенттер

1.3 Суды сорбенттермен тазартудың механизмі
1850 ж алғаш ион алмасудың жүйелі зерттеу жұмысын табиғи бейорганикалық
материалдармен, көбіне саз балшықпен жүргізген. ХХғ басынан бері жасанды
бейорганикалық ион алмастырғыштарды қазіргі уақытқа дейін өнеркәсіптерде
ауқымды пайдалануда, сондықтанда табиғи сорбенттердің зерттеу жұмыстары мен
практикалық қолданысы еленбей қалды. Қоршаған ортаны қорғау үшін тек алу
жолы оңай, арзан әрі сапалы сорбент қолдану тиімді, мұндай талаптарға
көбіне табиғи бейорганикалық сорбенттер сай келеді. Сорбенттер табылған
жерінде миллион тоннадай кездеседі, олар синтетикалық сорбенттерге
қарағанда әлде қайда арзан және олар ион алмастырғыш шайырларға қарағанда
жоғары температура мен радиацияға тұрақтылық қасиеті бар.
Суды тазартуда көбіне табиғи және жасанды көміртексіз сорбенттерді (саз
балшықтар, цеолиттер және т.б. материалдар) қолданады. Жоғары сорбциялық
сыйымдылығымен, талғампаздығымен, катионалмастырғыш қасиетімен және
салыстырмалы арзандығымен байланысты сорбенттер кең қолданылады.
Суды тазартуда қолданатын ең көп таралған бейорганикалық сорбенттер –
саз балшық, оларды құрылымы және физико-химиялық қасиеттері бойынша бірнеше
топқа бөледі:
1. 68-99% аморфты кремний диоксидінен тұратын, тұнбадан түзілген
дисперсті кремниземдер. Олардың ішінде опоктар жоғары Fе2O3 мен
MgO құрамымен, ал трепел Al2O3 15,7% дейін болуымен
ерекшеленеді, бұл диатомиттер макрокеуекті құрлымға ие. Трепел –
минералдан туындаған сорбент. Опока мезокеуекті құрылымымен және
жоғары механикалық тұрақтылығымен ерекшеленеді.
2. Қабатты және ленталы-қабатты алюмотемірмагнитті силикаттар
тармақталған және тұрақты құрылымды минералдарға бөлінеді.
Біріншісі (вермикулит және монтмориллонит) бентонитті саз
балшықтың негізін құрайды. Олардың силикатты
микрокристалиттерінен тұратын микрокеуекті құрылымы және
микрокеуекті пластикалы құрылымы, сонымен қатар
микрокристалдардың арасында кеңістік орныққан макрокеуекті
құрылымдары белгілі. Сорбциялық процесте микротүтікшелердің
размерлерінің ұлғаюына байланысты екіншілік кеуекті құрылым
тармақталады, бұл сорбенттер полярлы заттарға байланысты (су,
спирт, аминдер) жоғары сыйымдылыққа ие, яғни хемосорбция және
молекулалық механизімі бойынша олардың катион алмастырғыш көлемі
екі еселенеді. Суды әр түрлі органикалық қосылыстардан
тазартудың ең эффективтісі саз балшықты минерал монтмориллонит
болып табылады. Монтмориллониттың беттік ауданы 766-833 м2г.
Тұрақты құрылымды, қабатты сорбенттерде (каолинит, тальк және
гидрослюда) беттік активтілік тек екіншілік құрылымдарда ғана байқалады,
сонымен қатар олар ауыспалы және силикатты микракристалдар арасындағы
кеңістікке байланысты макрокеуекті. Каолиниттің беттік ауданы – 60м2г.
Лента қабатты минералдар (полыгорскит және сепиолит) 0,37-1,1 нм,
микротүтікшелері екіншілік кеуекті құрылымға ие; олар жоғарымолекулалы
қосылыстарды сорбциялауда өте тиімді.
Лайланған суды саз балшық минералмен сорбциялау механизмі өте күрделі,
мұнда көмірсутек тізбегі силикаттық микрокристалиттермен вандервалитті
әрекеттеседі және Н+, Al3+ иондардан тұратын оң зарядталған және
поляризацияланған сорбент молекуласымен кулонды әрекеттеседі.
Монтмориллонит және әсіресе вермикулит құрамында теріс зарядталған
алмастырғыш катион – компенсатор саны артығырақ, бұл активті центр
тармақталған ұяшықты құрылымы бар қабатты силикаттардың гидрофильділігін
және полярлы заттарды адсорбциялау қабілетін анықтауда үлкен рол атқарады.
Бірақ коллоидты-химиялық процеске монтмориллонит және вермикулиттің
кристалиттерінің тек сыртқы беттік қабаты қатысқанымен, қышқылды және
негізді гидроксилді топтары, сонымен қатар Al3+ , Fе3+ , Mg2+ қанықпаған
катиондары да үлкен әсерін тигізеді, қабатты силикат бөлшегінің бүйір
ұшында оң зарядтың пайда болуы сулы ортада магний, алюминий және темір
негіздік топтар диссоциациясымен түсіндіріледі. Қабатты және қабатты
ленталы сликаттардың бетінде оң зарядтардың болуы теріс зарядталған жоғары
дисперісті целлюлозалы талшықтар, гуминдер және жоғары молекулалы
ақуыздарды коагуляциялау үшін қолайлы.
Қабатты және қабатты-ленталы табиғи силикаттардың бетінде жоғары активті
сорбциялық және каталитикалық центрдің болуы ароматты және т.б. қосылыстар
қоспасын бөлуде хроматографияны қолдануын қиындатады.
Энергиялық ретсіздіктің төмендетуді және тимді адсорбционды – бөлу
центрлерінің болуын қамтамасыз ететін ең тиімді әдіс – бұл бейорганикалық
алмастырғыш катиондарды органикалық ұзын тізбектерге ауыстыру болып
табылады.
Ф.Д.Овчаренко саз балшықты минералдың беттік активті орталығының сумен
әрекеттесу механизімін ашты. Оның біріншілік сорбциялық орталығы оттек ионы
болып табылады, ол алмастырғыш катиондармен гексоганалды координата бойынша
орналасқан. Қабатты силикаттың анионын тартады, ал оттегіден
компенсирленген қарсы зарядталған атом локализацияланады. Соңғыларының
теріс электрлігі артық болуының салдарынан су молекуласына сорбцияланып,
катионның айналасына гидратты сфера түзілуіне жағдай жасайды. Басқада
гидротты сфераның түзілуі су молекуласының қарсы зарядталған анион торымен
әрекеттесуіндегі энергия қатынасына байланысты. күшті гидраттанатын бір
валентті катиондар (натрий, калий, литий т.б.) үшін бұл энергия
салыстырмалы. Бұл минералдар суда жақсы ісінетіндіктен және диффузиялық
қабаты болғандықтан екі не онан да жоғары зарядталған катиондар үшін
қарастырылмайды. Бұл саз су жүйесінің құрылым түзілуінің коагулияциялық
механизімін түсіндіруге маңызды. Судың адсорбциялық молекулалары және
алмастырғыш иондары беттік қабатта үздіксіз қозғалыста болады, бірақ олар
бағытталып отырып локализациялану орнын таңдайды. Судың беттік қабатынан
басқа, астында оданда қалың қабат (30-300 нм) орналасқан. Егер қабаттың
қалыңдығы 10-7 болса онда тұрақты коагуляциялық құрылымның бұрыш-бұрыш,
бұрыш-бүйір, бүйір-бүйір әрекеттесуін туғызады.
Каолениттің гемоионды формасының ылғалдану жылуы жоғары емес, ал бұл
саз балшықты минералдың гидрофильдігі төмен екендігін көрсетеді. Олар 0,6-
2,4 кДжкг дейін өзгереді. Сорбенттің гидрофильдік қасиеті кристалдық
құрылымына байланысты.
Кейбір саз балшықтар өзінің табиғи қалпында өте активті, бірақ көбінесе
олардың кеуектік құрылымы үлкейту немесе өңдеу, сонымен қатар беттік
ауданының химиялық табиғатын өзгерту үшін химиялық және термиялық
активтейді. Опон немесе трепельді натрийдің карбоксидімен немесе хлоридімен
1000˚С температурада күйдіреді. Ал күйдірілген минералдар суда сіңбейді.
Бентониттерді магний, кальций, алюминий, темір оксидтерінен тазарту үшін
20% күкірт немесе тұз қышқылымен өңдейді. Бұл жолмен өңдеу беттік ауданының
активтілігін 2-10 есе ал сорбент түтікшелерінің өлшемін 2-4 есе арттырады.
Бентонитті саздың беттік активтелген қышқыл қасиеті оған азот, оттек және
күкірт құрамды қосылыстардың хемосорбциялануына әкеледі. Сондықтанда егер
минералдың катион алмастырғыш көлемі неғұрлым жоғары болса, суды мөлдіретіп
тазарту мүмкіндігі солғұрлым жоғары болады. ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.