Оценка сорбционных свойств сорбента на основе диоксида кремния

Одним из перспективных способов очистки, используемых в пищевой промышленности, является сорбция. Для решения вопросов повышения безопасности продукции в настоящее время на рынке предлагаются эффективные сорбенты. Экономическая целесообразность сорбционной очистки повышается при использовании в этом качестве дешевых материалов, в том числе отходов пищевого производства.

Их можно использовать при технологической обработке, а также для выведения вредных веществ из организма человека. Таким продуктом является аморфный диоксид кремния (АДК), содержащий хелаты кремния. АДК – разновидность пирогенного кремнезёма, полученного из рисовой шелухи. Некоторые показатели качества сорбента АДК представлены в таблице 1. Влажность в продукте не превышает 1,5%. Массовая доля двуокиси кремния (SiО 2 ) в пересчете на прокаленное вещество составляет не менее 99,5%.

Таблица 1.

Показатели качества сорбента АДК

Table 1.

The quality indicators of the sorbent ADC

Показатель | Indicator	Характеристики | Characteristics
Внешний вид | Appearance	Частицы белого или кремового цвета Particles of white or cream color
Насыпная плотность, г/ л | Bulk density, g/ l: неуплотненного АДК | not compacted ADC уплотненного АДК | compacted ADC	120–150 180–230
Массовая доля влаги, не более, % | Mass fraction of moisture, not more than, %	1,5
рН водной вытяжки | pH of water extract	5,8–8,5
Массовая доля двуокиси кремния (SiО 2 ) в пересчете на прокаленное вещество, не менее, % | Mass fraction of silicon dioxide (SiO 2 ) in terms of calcined substance, not less than, %	99,5
Массовая доля железа, не более, % | Mass fraction of iron, not more than, %	0,05
Массовая доля окиси алюминия (Аl 2 О 3 ), не более, % | Mass fraction of aluminum oxide (AL 2 O 3 ), not more than, %	0,05
Массовая доля окиси кальция (СаО), не более, % | Mass fraction of calcium oxide (Cao), not more than, %	0,03
Массовая доля калия (K), не более, % | Mass fraction of potassium (K), not more than, %	0,30
Массовая доля натрия (Na), не более, % | Mass fraction of sodium (Na), max, %	0,005
Массовая доля хлора (Cl), не более, % | Mass fraction of chlorine (Cl), not more than, %	0,30

В ходе предварительных исследований с помощью современных методов оценки качества веществ были изучены химический состав и морфологические особенности поверхности сорбента. Кроме того, исследована статическая обменная емкость для различных загрязнителей.

Была изучена эффективность аморфного диоксида кремния АДК при очистке воды от солей металлов. Через колонки с сорбентом пропускали раствор солей металлов объёмом 1 л. Концентрация солей железа, марганца, алюминия в исходном растворе составляла 5 ПДК при расчёте по железу, марганцу, алюминию. После прохождения раствора через колонку с сорбентом оценивали остаточное количество неорганических соединений в растворе. Анализ образца водной вытяжки из сорбента осуществляли с помощью метода индуктивно связанной плазмы с масс-спектрометрическим окончанием. С целью активации пробы воды подкисляли азотной кислотой до рН = 1 и выдерживали перед анализом 10 ч .

Установлено, что сорбент АДК хорошо задерживает неорганические соединения, в состав которых входили железо, марганец и алюминий. Содержание металлов в растворе в ходе опыта уменьшилось соответственно в 54, 50 и 32 раза в сравнении с исходным содержанием (таблица 2) .

Таблица 2.

Содержание солей некоторых металлов в воде до и после пропуска через колонку с аморфным диоксидом кремния

Table 2.

The content of salts of some metals in water before and after passing through a column with amorphous silica

Соли металла Salts	Содержание, мг/л | Content, mg/l		ПДК в воде, мг/л The max perm. conc. in water, mg/l
	Исходный раствор Initial solution	Опытный раствор Experiment solution
Al	1,900	0,060	0,500
Mn	0,700	0,014	0,100
Fe	1,800	0,033	0,300

Анализ процессов десорбции в АДК необходим при его использовании в условиях длительной выдержки, что характерно для современных пищевых технологий. Для проверки возможной десорбции химических соединений из использованного сорбента проведен опыт, при котором изучалось изменение содержания тяжелых металлов в воде после выдержки в ней ранее использованного для очистки АДК

Таблица 3.

Содержание тяжелых металлов в водной вытяжке из сорбента АДК через 1 сутки выдержки

с определенным содержанием данных загрязнителей. Результаты анализа образцов воды исходной (контроль) и после выдержки в ней использованного в ходе очистки сорбента свидетельствовали о протекании двух противоположных процессов: сорбции определенных ионов из воды и вымывании в воду некоторых металлов (таблица 3) .

Table 3.

The content of heavy metals in the aqueous extract of the adsorbent ADC after 1 day of exposure

Металл Metal	Контроль, (мг/л) Control, (mg / l)	Водная вытяжка из сорбента (мг/л) Water extraction from the sorbent (mg/l)	ПДК в воде (мг/л) по [14] The max perm. conc. in water, mg/l
Cd	0,0006	0,0008	0,0010
Hg	0,0003	0,0004	0,0005
Pb	0,0220	0,0250	0,0300

Результаты, представленные в таблице 3, свидетельствуют о том, что превышение норм для питьевой воды по содержанию тяжелых металлов после выдержки не установлено. Концентрация тяжелых металлов соответствовала требованиям СанПиН 2.1.4.1074–01 и ГОСТ Р 51232–98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества». Таким образом, десорбция не оказывала существенного влияния на содержание тяжелых металлов в воде.

Вопросы утилизации сорбента важны в условиях переработки отходов в технологиях очистки. Для более эффективного ведения такого процесса необходимо знать характер связи влаги в сорбенте с определением температурных интервалов, при которых происходит дегидратация. Для этого применили метод синхронного термического анализа, который позволяет выявить данные о механизме влаго-удаления, установить температурные интервалы, а также количество влаги, удаляемой из материала [1-3]. Исследования проводились на приборе синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter (NETZSCH, Германия) (рисунок 1) с держателем образца типа S в алюминиевом тигле с проколотой крышкой. Измерения осуществлялись в среде азота класса 5,0 (расход активного газа 40 мл/мин, защитного – 20 мл/мин).

Принцип работы термического анализатора основан на непрерывной регистрации зависимости изменения массы материала от времени или температуры при его нагревании в соответствии с выбранной температурной программой в заданной газовой атмосфере [4-11].

Одновременно регистрировалось выделение или поглощение теплоты образцом АДК, обусловленное фазовыми переходами или химическими реакциями [3]. Исследования проводили при следующих режимах: давление – атмосферное, максимальная температура – 588 K, скорость изменения температуры – 5 K/мин. Опыты проводились в алюминиевых тиглях с общей массой навески 12 мг.

Рисунок 1. Прибор синхронного термического анализа модели STA 449 F3 Jupiter

Figure 1. Simultaneous thermal analysis device STA 449 F3 model Jupiter

На рисунке 2 показаны результаты, полученные в ходе выполнения синхронного термического анализа: кривая изменения массы материала ТГ, кривая скорости изменения массы ДТГ, кривая изменения теплового потока ДСК, кривая изменения скорости теплового потока dДСК. Как видно на кривой ТГ, в процессе нагрева материала наблюдается монотонное уменьшение массы образца, что связано с потерей влаги. С целью получения графической зависимости, отражающей зависимость изменения массы материала от температуры, была использована часть кривой изменения массы ТГ, соответствующей процессу дегидратации.

Рисунок 2. Экспериментальные зависимости изменения массы образца: кривая изменения массы материала ТГ; кривая скорости изменения массы ДТГ; кривая изменения теплового потока ДСК; кривая изменения скорости теплового потока dДСК

Figure 2. Experimental dependences of the sample mass change: the mass curve of the TG; material, the mass change rate curve of the DTG; the DSC heat flux change curve; the heat flow rate change curve dDSС

Степень изменения массы α рассчитывали как отношение изменения массы материала Δ m к общему количеству влаги, которая находится в материале Δ m общ :

Δ m α =       .

^{Δ m} общ

Полученная зависимость (рисунок 3) отражает сложный характер взаимодействия влаги и сухих веществ в материале и предполагает на разных участках полученной кривой различие в скорости дегидратации.

Для определения более четких интервалов температур и получения более подробного механизма удаления влаги, а также количества влаги, удаляемой из материала, использовалась кривая зависимости (-lg α ) от величины 1000/ T (рисунок 4) , где T = 273 + t .

Рисунок 3. Зависимость степени изменения массы α от температуры t материала при нагревании со скоростью 5 °C/мин

Figure 3. The dependence of mass α change degree on the temperature t of the material being heated with at 5 °C/min speed

1000/Т

Рисунок 4. Зависимость (-lg α ) от величины 1000 / T при нагревании со скоростью подъёма температуры 5 °К/мин

Figure 4. The dependence of (-lg α ) on the value of 1000 / T being heated with a rate of temperature rise of 5 °К/min

Заключение

В ходе исследований с помощью современных методов был изучен химический состав и свойства сорбента. Детально исследованы сорбционные свойства тяжелых металлов. Проведенный термический анализ позволил определить температурные зоны удаления влаги из материала с различной формой и энергией связи при повышении температуры, что позволит в дальнейшем прогнозировать режимные параметры процесса удаления влаги из сорбента и выбирать наиболее эффективные способы его