Мінеральні сорбенти.

Адсорбція із розчинів на поверхні твердих тіл є основою багатьох фізико-хімічних процесів. Поряд з активним вугіллям в останній час як адсорбенти широко застосовуються природні дисперсні мінерали, які ще називають глинистими мінералами.

Завдяки пористій структурі та високорозвиненій поверхні такі мінеральні сорбенти здатні селективно вилучати з водних розчинів різні речовини, а їхня нетоксичність робить можливим використання цих реагентів для потреб різних галузей харчової промисловості.

Природні дисперсні мінерали проявляють високі адсорбційні, каталітичні та іонообмінні властивості. Економічна доцільність використання цих реагентів в різних технологічних процесах зумовлюється також існуванням ефективних методів регулювання їхньої геометричної структури та хімічної природи поверхні, наявністю в Україні великих промислових родовищ і невисокою вартістю глинистих мінералів.

На Україні виявлено більше 100 проявів бентонітових глин з сумарним запасом понад 100 млн. тон, які знаходять застосування в нафтопереробній галузі як адсорбенти і каталізатори, як пластифікатори при виробництві вогнетривких матеріалів, в оліє-жировій, виноробній та безалкогольній промисловості для освітлення масел, олій, вин, соків, для очистки напівпродуктів цукрового виробництва.

Великі родовища сапонітів знаходяться у Хмельницькій області, де їх поклади перевищують 90 млн. тон. Ці природні дисперсні мінерали можуть бути використані для адсорбційної очистки рідин, видалення радіонуклідів, підкормки домашньої птиці та худоби, що сприятиме кращому засвоєнню кормів і підвищенню ваги тварин.

Значні поклади глауконітів знайдено в районах Дніпровсько-Донецької западини, Придністров’я. Високі іонообмінні властивості роблять ці мінерали корисними для пом’якшення води та технологічних розчинів у харчовій промисловості, для очистки та декальцинації соків та сиропів цукрового виробництва, для очистки мінеральних масел і водних розчинів від органічних речовин та радіонуклідного забруднення.

Цеоліти, клиноптилоліт і морденіт у великих кількостях знайдені і промислово розробляються на Сокирницькому родовищі Закарпатської області. Вони використовуються як високоефективні сорбенти різних сполук з газових сумішей та розчинів; як молекулярні сита, оскільки кожний вид цеоліту сорбує молекули тільки певного розміру; як катіонообмінники та каталізатори. В харчовій промисловості ці реагенти можуть бути використані для зниження твердості води, для проведення водопідготовки, очистки стічних вод, осушки газів і парів, в тому числі спиртових, для вилучення радіонуклідів.

Монтморилоніт та палигорськіт зосереджені в Черкаському родовищі. Завдяки високим адсорбційним властивостям вони можуть бути використаними в харчовій промисловості для очистки та освітлення вин, соків, олій, напівпродуктів цукрового виробництва.

Були проведені дослідження адсорбційних властивостей деяких природних дисперсних мінералів України по відношенню до барвних речовин цукрового виробництва, які зумовлюють основну забарвленість цукрових соків, сиропів та кристалічного цукру.

Адсорбція барвних речовин на природних дисперсних мінералах може бути зумовлена кількома механізмами взаємодії: вандерваальсовим, водневими зв’язками та внаслідок іонного обміну барвників та мінералів. Водневі зв’язки виникають при сорбції молекул барвника на активних (зовнішніх) гідроксильних групах мінералів. Отримані значення є характерним для перших двох взаємодій.

При збільшенні температури для всіх досліджених систем властиве зменшення кількості адсорбованої речовини, що вказує на переважно фізичний характер адсорбції.

Встановлено, що в присутності сахарози та гідроксиду кальцію (рН> 10) мінеральні сорбенти незначно впливають на лужність середовища, знижуючи її на 0, 05-0, 2 одиниці. Цей факт є позитивним для технології цукру, яка вимагає підтримання високих значень рН середовища на рівні 9–11, 5 одиниць. Вміст цукру в осаді мінералів, промитих водою в кількості 100 % до маси осаду, складав менше 1 %, що не перевищує відповідні показники промислового осаду.

На основі проведених досліджень визначені оптимальні параметри проведення процесу адсорбційного видалення барвних речовин природними дисперсними мінералами, зокрема палигорськітом та глауконітом: місце введення адсорбентів – сік ІІ сатурації, температура – 70 ⁰С, тривалість контакту – 30 хвилин.

5. Сорбуючі матеріали на силікатній основі.

Очищення води за допомогою перліту.

Перліт, особливо спучений, володіє унікальними сорбуючими властивостями. Це обумовлено значною поверхнею поглинання і високими адгезійними властивостями матеріалу. Досить сказати, що цей сорбент в змозі поглинути кількість матеріалу, що перевершує його за обсягом від 4 до 20 разів. При цьому високий показник пористості (від 70 до 80%) обумовлює рекордну швидкість поглинання, а відносно малий діаметр пір дозволяє затримувати найдрібніші частинки суспензій.

Саме ці властивості зумовили широке застосування спученого перліту як сорбуючого матеріалу при зборі різних рідин і як фільтра.

Як сорбент, перліт застосовується, в основному, при зборі з поверхні води різних плівок, таких як нафта, бензини, масла та інші. Слід зазначити, що застосування перлітових сорбентів володіє рядом незаперечних переваг, порівняно з іншими сорбуючими речовинами:

§ простота і зручність використання та збору;

§ низький коефіцієнт змочуваності водою і легкість охороняє сорбент від затоплення;

§ простота регенерації використаного перлітового сорбенту;

§ можливість використання відпрацьованого сорбенту в будівництві;

§ унікальна екологічна безпека матеріалу (не виділяє в зовнішнє середовище шкідливих речовин);

§ використання перліту у фільтрах очищення.

Ці ж властивості перліту широко використовуються при створенні на його основі портативних і стаціонарних фільтрів для очищення стічних вод від механічних домішок і олій, а також для попередньої очистки води перед вживанням.

Однак унікальні екологічні властивості матеріалу дозволяють застосовувати його не тільки в системах промислового очищення води. Не меншу популярність придбали фільтри на основі перліту у харчової, хімічної та фармацевтичної промисловості. За допомогою перлітових фільтрів проводиться очищення харчових продуктів - рослинних олій, пива, вина, соків, цукрових сиропів та ін., різних продуктів для фармацевтики - антибіотиків, масел, суспензій і розчинів від сторонніх домішок, продуктів для хімічної промисловості, що вимагають високого ступеня хімічного очищення і низького вмісту механічних домішок.

Задля чистоти води дедалі більше застосовують сорбенти природного і штучного походження (глинисті породи, цеоліти та інші матеріали).

Використання таких сорбентів зумовлено досить високою їх ємністю, вибірковістю, катіонообмінними властивостями декого з тих, порівняно низькою вартістю і доступністю (іноді як місцевого матеріалу).

Глинисті породи — найпоширеніші неорганічні сорбенти очищення води. Вони мають розвинену структуру з мікропорами, мають різні розміри залежно від виду мінералу. Більша частина з них має шарувату, жорстку чи розширену структуру.

Механізм сорбції забруднень на глинистих матеріалах досить складний і включає Ван-дер-вальсові взаємодії вуглеводневих ланцюжків з розвиненою поверхнею мікрокристалів, силікатів і кулонівську взаємодія заряджених і поляризованих молекул сорбата з позитивно зарядженими ділянками поверхні сорбенту, що містять іони М⁺ іAl³⁺.

Найбільшого поширення набули глинисті матеріали для знебарвлення води, видалення неорганічних домішок і особливо токсичних хлорорганічних сполук і гербіцидів, різних ПАР.

Природні сорбенти здобувають у безпосередній близькості до місця споживання, що постійно розширює масштаб їх застосування для очищення води.

Цеоліти — різновид алюмосилікатних каркасних матеріалів. Вони мають негативний тривимірний алюмосилікатний каркас із суворо регулярною тетраедричною структурою.

Відомо понад 34 видів природних цеолітів, та тільки частина їх утворює великі родовища (80% концентратів) зручні для промислової переробки.

Обробка поверхні цеолітів кремнійорганічними сполуками робить її гідрофобною, що покращує сорбцію нафти із води.

Природні цеоліти використовують у вигляді порошків і фільтруючих матеріалів очищення води від ПАР, ароматичних і канцерогенних органічних сполук, барвників, пестицидів, колоїдних і бактеріальних забруднень.

Також інтенсивно використовують іонний обмін, що дозволяє застосовувати широкий, спектр іонообмінних матеріалів, наприклад природні бентонітові глини. Зазвичай, глибина залягання бентонітових глин досить невеличка, що уможливлює цей показник відкритим способом, завдяки чого вони мають невисоку вартість. У складі бентоніту переважним мінералом є монтморилоніт із яскраво вираженими іонообмінними властивостями. Монтморилоніт містить катіони металів, які у ролі обмінних катіонів. Найпоширенішим обмінним катіоном в бентонітах є Са²⁺, але значно більшу активність має катіон Na⁺.

Відомі сорбційно-іонообмінні матеріали, створені з урахуванням бентонітових глин шляхом їх нанесення на поверхню базальтових волокон. Такі комплекси можна використовувати для очищення стоків, які містять важкі метали. Проте конкретні труднощі пов'язані і з самим процесом нанесення бентонітових глин на базальтові волокна, і з невисокою механічною міцністю отриманого сорбенту.

У багатьох підприємствах, у ролі відходів допоміжного виробництва утворюються деревна тирса, які можна використовувати як фільтрувальних завантажень, але найчастіше їх спалюють в котельнях. У зв'язку з цим економічно доцільно використовувати деревну тирсу як матеріал для очищення стічної води й отримання нових сорбційних матеріалів шляхом нанесення ними активного комплексу, наприклад бентонітів.