Бентонитовые глины как сорбенты поверхностно-активных веществ из водных растворов

Очистка водных растворов от поверхностно-активных веществ является ключевой проблемой в современном мире, учитывая их широкое применение в различных отраслях промышленности, бытовом использовании и сельском хозяйстве. Вода часто бывает загрязнённая поверхностно-активными веществами, такая вода имеет негативное влияние на жизнедеятельность человека. Так как здоровье человека зависит от качества потребляемой воды.

Бентонитовая глина имеет полностью природное происхождение. Основной компонент – монтмориллонит. Он придает бентонитовой глине ряд свойств, очищать воду, защищать ее от загрязнения, препятствование распространению токсинов. Бентониты имеют слоистую структуру, благодаря своей структуре, бентонитовая глина характеризуются большой удельной поверхностью, это придает им высокие адсорбционные свойства.

Адсорбция — самопроизвольный энергетически выгодный процесс. При адсорбции происходит уменьшение поверхностной энергии адсорбента за счет изменения химического состава (химического потенциала) поверхности.

Процесс адсорбции поверхностно-активных веществ имеет широкое технологическое применение во многих областях. Особенности адсорбции зависят от природы поверхностно активных веществ, свойств твердой поверхности, состава и концентрации раствора, природы растворителя и др. факторов [1].

В соответствии с вышесказанным представляется целесообразным изучить возможность адсорбционных способностей бентонитовых глин к поверхностно активным веществам из водных растворов.

Цель исследования: Изучение бентонитовой глины для адсорбции поверхностно-активных веществ из водных растворов.

Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

1. Изучить научную литературу по теме исследования;
2. На модельных системах бентонитовая глина-растворы поверхностно-активных веществ изучить:

2.1 Адсорбцию анионактивного поверхностно-активного вещества природной глиной и активированной глиной;

2.2 Адсорбцию катионактивного поверхностно-активного вещества природной глиной и активированной глиной.

Объект исследования: Адсорбционные свойства бентонитовой глины;

Предмет исследования: Адсорбционная способность бентонитовой глины по отношению к поверхностно-активным веществам.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Бентонитовая глина

Бентонитовые глины или монтмориллонитовые представляют собой тонкодисперсные глины, высоко пластичные горные породы смектитового состава и обладающие высокой связывающей способностью, адсорбционной и каталитической активностью

Присущие бентонитам специфические свойства обусловливают­ся строением кристаллической решетки слагающих эти глины ми­нералов, (монтмориллонит, сапонит, нонтронит) главнейшими из которых являются: монтмориллонит — имеющего формулу Si₈A_l4O₂₀(ОН)₄ × nH₂O, где кремний может замещаться различными катионами (алюминием, железом, цинком, магнием, кальцием, натрием, калием и др.). [2].

Следует упомянуть, что по данным ряда авторов к истинным бентонитам, относятся монтмориллонитовая глина, в которой содержание монтмориллонита более 70%. Если глина на 80-90% состоит из смешаннослойных минералов, в которых содержание монтмориллонитовых слоев превышает 70%, то ее также можно относить к бентонитам, но с несколько другим названием: гидрослюдистый или калиевый бентонит. Все глины, в которых содержание монтмориллонита менее 70% или вместо монтмориллонита присутствует нонтронит или какой-либо другой минерал из группы смектитов, следует относить к бетонитоподобным глинам или бентоноидам [3].

Монтмориллонит обладает слоистой кристаллической структурой, высокой дисперсностью и ярко выраженной способностью к адсорбции, обмену катионов и гидрофильностью. Его кристаллическая структура (трехслойный пакет) характеризуется способностью к изоморфным замещениям в пределах кристаллической решетки в октаэдрическомслое: Аl³⁺→Mg²⁺→Fe²⁺→ Zn²⁺→Li⁺ [2].

Промежутки между слоями элементных пакетов и межпакетные промежутки структуры монтмориллонита рассматриваются как пластинчатые микропоры. По особенностям пористой структуры монтмориллонит относится к слоистым силикатам с расширяющейся структурной ячейкой. Следовательно, величина межпакетного расстояния, промежутки между слоями элементных пакетов не постоянны и меняются в зависимости от количества и вида поглощаемого вещества. Это обусловливает способность монтмориллонитовых глин к набуханию [3].

Различаются два вида бентонитовых глин − кальциевые и натриевые, имеющие сложную структуру, причем для обоих видов она различна. Кальциевые бентониты обладают большими значениями порового пространства по сравнению с натриевыми образцами, поэтому для последних, характерна менее выраженная способность к набуханию, а сам процесс замедлен. Кроме того, если бентониты содержат больше двухвалентных обменных катионов Са²⁺, Mg²⁺, они имеют большее количество активных центров на поверхности частиц, по которым осуществляется водородная связь дисперсной фазы с дисперсной средой. Если же в составе обменных катионов преобладают одновалентные металлы, главным образом Na-ионы, то у них проявляется в меньшей степени сорбционная активность поверхности. В связи с этим природные кальциевые бентониты являются лучшими сорбентами по сравнению натриевыми, и отличаются малой каталитической активностью и термической устойчивостью [2].

Бентонитовая глина – природный материал, широко используемый в сельском хозяйстве и промышленности. Он обладает рядом полезных свойств, которые делают его незаменимым компонентом многих технологических процессов. Одним из основных преимуществ бентонитовой глины является ее способность удерживать воду. Благодаря этому свойству глина широко используется в оросительных системах, где служит основным фильтрующим элементом. Кроме того, бентонитовая глина обладает высокой сорбционной способностью, что позволяет эффективно удалять из растворов и газов различные примеси и загрязнения. Важным свойством бентонитовой глины является ее экологическая безопасность. Глина не содержит опасных химических соединений и не представляет угрозы для здоровья человека [4].

Основные мировые запасы бентонита сосредоточены в Китае, около 15% в США, 7% в Турции. Другие страны с запасами бентонита включают Грецию, Россию, Францию, Индию, Турцию, Азербайджан, Грузию и Армению[5].

Запасы бентонитовой глины в РФ составляют 189 млн тонн по категории А+В+С1 и 146 млн тонн по категории С2 [5].

Месторождение 10-й Хутор находится на юге Красноярского края в 8 км югозападнее города Черногорска Усть-Абаканского района Республики Хакасия и является основной сырьевой базой бентонитовых глин России [6].

Бентониты данного месторождения имеют вулканогенно-осадочный генезис и связаны с разложением вулканических стекол, главным образом вулканических туфов. В структурном плане район месторождения входит в состав Минусинского каменноугольного бассейна. Для данного месторождения характерна парагенетическая связь между угленосными толщами, туфогенным материалом и бентонитовыми глинами, на основании чего оно может быть отнесено к особому формационно-генетическому типу месторождений, залегающих среди угленосных пород.