Хемосорбція гідроген сульфіду модифікованими природними сорбентами

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

УДК 66.074.62; 66.074.37

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Хемосорбція гідроген сульфіду модифікованими природними сорбентами

05.17.08 - Процеси та обладнання хімічної технології

Степова Катерина Вікторівна

Львів 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України, м. Львів, на кафедрі екології та охорони навколишнього середовища.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Нагурський Олег Антонович Національний університет "Львівська політехніка", доцент кафедри екології та охорони навколишнього середовища.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пляцук Леонід Дмитрович Сумський державний університет, завідувач кафедри прикладної екології;

кандидат технічних наук, доцент Безносик Юрій Олександрович Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", доцент кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів.

Захист відбудеться "14" березня 2011 року о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 при Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів - 13, пл. Св. Юра, 9, корп. 9, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів - 13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 10 лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор В.М. Атаманюк.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи Процеси фізичної та хімічної адсорбції використовують у різних галузях промисловості з метою одержання технологічних продуктів та для очищення газових і рідинних середовищ перед скиданням їх у природне середовище. Зокрема, хемосорбцію застосовують з метою тонкого очищення газів за порівняно невеликої початкової концентрації домішок.

Гідроген сульфід (сірководень) - поширений побічний продукт багатьох виробництв (хімічна промисловість, текстильне, шкіряне виробництво), що виділяється в повітря з газовими викидами. Він не тільки ускладнює процес виробництва цільових продуктів, але й призводить до корозії апаратури та газопроводів, погіршує властивості каталізаторів: їх термічну стабільність, інтенсифікує процеси смолоутворення, відкладення шлаків, шламу, осадів, що викликає пасивацію поверхні каталізаторів.

Вилучення гідроген сульфіду із газових потоків за допомогою адсорбційних методів, дає змогу досягнути високого ступеня очищення (до 99,9 %). Основним для успішного застосування таких методів є вибір доступного і дешевого адсорбенту, вивчення механізму сорбційного поглинання, вибір ефективного апарата, а також технологічне оформлення процесів, яке б відповідало основам сорбції кислих газів. Виникає необхідність у створенні нових ефективних матеріалів із широким спектром властивостей на основі дешевої сировини, якою можуть бути природні мінерали, та вивчення їх сорбційної здатності і закономірностей процесу сорбції гідроген сульфіду. Серед природних сорбентів особливої уваги заслуговують глини - найбільш доступні, недорогі, безпечні та високоефективні матеріали. Проте вони поступаються за сорбційними характеристиками існуючим аналогам, тому з метою поліпшення сорбційних властивостей їх піддають хімічному модифікуванню. Отож, актуальним завданням є розроблення нових ефективних сорбційних матеріалів на основі модифікованих природних мінералів та дослідження їх щодо визначення закономірностей процесу хімічної адсорбції в системі газ - тверде тіло.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напряму кафедри "Екології та охорони навколишнього середовища" Національного університету "Львівська політехніка" "Масообмін в системах з твердою фазою".

Роботу виконували відповідно до науково-дослідної роботи "Процес знешкодження низькоконцентрованих сірководневих газових викидів сорбційними матеріалами на основі модифікованих сірих Язівських глин" на замовлення Міністерства освіти і науки України у 2008 р. (номер державної реєстрації 0108U004262), а також в рамках міжнародного проекту INTAS "Знешкодження сірководню у низькоконцентрованих газових викидах сорбентами на основі модифікованих бентонітових глин Язівського родовища сірки" (грант № 06-1000019-6358) протягом 2007-2008 років, у яких дисертант була відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - встановити закономірності процесу хемосорбційного вилучення (хімічної адсорбції) H₂S з технологічних і відхідних газів промислових виробництв із застосуванням поглиначів на основі природних глинистих мінералів, модифікованих розчинами солей важких металів (солей феруму(ІІІ) та купруму(ІІ)) .

Для досягнення зазначеної мети треба було виконати такі завдання:

- синтезувати нові сорбційні матеріали, сорбційна ємність яких може бути збільшена шляхом модифікування поверхні бентонітової глини солями важких металів, а саме феруму(ІІІ) та купруму(ІІ), та визначити їхній склад і структуру;

- встановити механізм і лімітуючі стадії процесу хемосорбційного поглинання гідроген сульфіду із газових потоків модифікованими природними сорбентами;

- визначити кінетичні коефіцієнти процесу хемосорбції H₂S на синтезованих сорбційних матеріалах;

- визначити сорбційні властивості сорбентів на основі модифікованих глинистих мінералів у динамічних умовах;

- розробити принципову схему процесу очищення газів від H₂S за допомогою модифікованих природних сорбентів.

Об'єкт дослідження - процес хемосорбції гідроген сульфіду з газових потоків промислових підприємств природними глинистими мінералами, модифікованими солями Fe³⁺ та Cu²⁺.

Предмет дослідження - структура синтезованих хемосорбентів, ефективність поглинання H₂S, лімітуючі стадії поглинання (зовнішня дифузія, внутрішня дифузія, хімічна кінетика) та кінетичні коефіцієнти.

Методи дослідження - структуру синтезованих сорбентів та вихідної сировини досліджували методами рентгенівської дифракції, ІЧ-спектроскопії, електронної мікроскопії, синхронної термогравіметрії. Питому поверхню, пористість і розподіл пор за діаметром визначали методом газової адсорбції. Для аналізу складу отриманих матеріалів і сировини використовували атомно-адсорбційний аналіз, метод рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та хімічні методи аналізу за методиками, що відповідають міжнародним стандартам. Обробку експериментальних даних виконували за допомогою пакетів програм Micrometrics ASAP 2020; OPUS; Microsoft Excel; Statistica 7.0; Origin 8.0.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено ймовірний механізм процесу хемосорбції H₂S хемосорбентами на основі глинистого мінералу з нанесеними на поверхню гідроксоформами металів (Fe³⁺ та Cu²⁺), що складається з зовнішньо- і внутрішньодифузійної областей та хімічної реакції, які залежно від концентрації та часу поглинання є лімітуючими стадіями процесу.

Вперше теоретично обґрунтовано закономірності процесу хімічної адсорбції гідроген сульфіду модифікованими глинистими сорбентами, що полягають у зміні швидкості та області протікання процесу у зв'язку зі зменшенням кількості наявних активних центрів поглинання. Отримані математичні залежності дають змогу прогнозувати та розрахувати процес хемосорбції, а також визначити його оптимальні умови.

Вперше визначено коефіцієнти масовіддачі та масопередачі процесу хемосорбції, що дають змогу прогнозувати процес поглинання гідроген сульфіду модифікованими природними сорбентами.

Вперше з'ясовано вплив природи модифікатора на властивості одержаних глинистих сорбентів та їхню сорбційну здатність, що дає змогу підвищити ефективність процесу поглинання H₂S.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано технологічні основи глибокого очищення газових потоків промислових виробництв і вентиляційних газів, що базуються на сумісному використанні синтезованих сорбентів різного якісного складу, що дає змогу забезпечувати 99,9 % видалення H₂S із газового потоку. Здатність синтезованого ферумвмісного сорбента до регенерації в присутності повітря та вологи дає змогу спростити технологічну схему за рахунок проведення регенерації відпрацьованого сорбенту безпосередньо в адсорбційній колоні. Одержані результати можуть бути використані під час проектування адсорберів та розроблення технологічної схеми вилучення гідроген сульфіду з технологічних і відхідних газів коксохімічних, целюлозо-паперових, металургійних, газовидобувних підприємств. Це допоможе зменшити вартість процесу очищення газів від гідроген сульфіду через заміну дорогих сорбційних матеріалів дешевшими аналогами, запобігти корозії апаратури і газопроводів, а також підвищити якість кінцевого продукту і знизити техногенний вплив на атмосферу. хемосорбція глинистий мінерал

Розроблена методика одержання синтетичних сорбентів на основі глинистої сировини нанесенням на поверхню глинистого мінералу нерозчинних гідроксоформ металів (Fe³⁺ та Cu²⁺) передана для впровадження на ДП "Орісіл-Калуш" з метою використання в процесах переробки відходів виробництва.

Лабораторні зразки сорбційних матеріалів, результати дослідження їхніх сорбційних властивостей і принципова технологічна схема сорбційного очищення передані для впровадження на ВАТ "Нафтохімік Прикарпаття" для проектування промислової установки з метою вилучення H₂S із нафтових газів.

Особистий внесок здобувача. Аналіз літератури, основний обсяг експериментальної роботи, опрацювання та аналіз отриманих даних, наукові дослідження, їх теоретичне пояснення та обґрунтування, а також розробка принципової схеми очищення газових потоків виконані автором особисто. Постановка завдання та формулювання висновків виконувались під керівництвом наукового керівника к.т.н., доцента Нагурського О.А.

В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: розробка методики синтезу ферум- та купрумвмісного сорбентів та дослідження їх сорбційних властивостей щодо гідроген сульфіду [5, 6]; проведення структурних і термогравіметричних досліджень, інтерпретація їх результатів та кількісний аналіз адсорбентів [2-5]; виявлення сорбційних властивостей та дослідження статики, кінетики і динаміки хемосорбції, побудова кривих виходу [1, 2, 6]; розрахунок констант швидкості реакції та масообмінних коефіцієнтів, а також перевірка адекватності моделей [1].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації обговорювали i одержали позитивні відгуки на конференціях: V Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів" - м. Донецьк, 2006 р.; Одинадцята наукова конференція "Львівські хімічні читання - 2007" - м. Львів, 2007 р.; Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених "Екологія. Людина. Суспільство" - м. Київ, 2007, 2008, 2009 рр.; ХХ Український семінар "Мембранні і сорбційні процеси і технології" - м. Київ, 2009 р., І Міжнародний конгрес: Захист навколишнього середовища, енергоощадність, збалансоване природокористування - м. Львів, 2009 р.; V Науково-технічна конференція "Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості" - м. Львів, 2009 р.; друга науково-практична конференція "Комп'ютерне моделювання в хімії і технологіях та сталий розвиток - КМХТ-2010" - м. Київ, 2010 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 наукових праць, з них 6 наукових статей у фахових наукових виданнях, рекомендованих ВАК України, та тези 9 доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури (143 найменування) і додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 205 сторінках машинописного тексту, з них 118 сторінок основного тексту. Дисертація налічує 27 рисунків, 17 таблиць і 8 додатків.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовано мету та завдання, які треба вирішити для досягнення поставленої мети, зазначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, перераховано основні положення і закономірності, отримані автором.

У першому розділі здійснено критичний огляд науково-технічної та патентної літератури з питань хемосорбції у системі газ-тверде тіло. Представлено сучасні уявлення про механізм гетерогенних процесів, його основні етапи, методи визначення лімітуючої стадії процесу, а також проведено критичний аналіз існуючих технологій адсорбційного вилучення H₂S із газових сумішей. Розглянуто можливості використання кожного з методів, показано їхні переваги та недоліки. Здійснено аналіз наукової інформації про вплив природи модифікатора на сорбційні властивості глинистих мінералів. Обґрунтовано вибір способу хемосорбційного вилучення гідроген сульфіду з газових потоків за допомогою сорбційних матеріалів на основі кислотно- та лужноактивованих або хімічно модифікованих природних мінералів. На підставі такого аналізу визначено мету та задачі досліджень.

У другому розділі охарактеризовано об'єкти та методики експериментальних досліджень.

Наведено методики синтезу сорбційних матеріалів модифікуванням карбонатовмісних бентонітових глин Язівського родовища солями феруму(ІІІ) та купруму(ІІ). З'ясовано, що взаємодія карбонатовмісної глини з розчином ферум(ІІІ) хлориду відбувається за нормальних умов, тоді як оптимальна температура для синтезу Cu-вмісних сорбентів складає 60-70єС. Експериментально визначено співвідношення між глинистим мінералом і модифікаторами, що складає: та . Одержані після модифікування продукти відмивали від хлоридів, центрифугували, сушили до постійної маси за температури 80-100^оС. Потім продукт подрібнювали та фракціонували.

У цьому розділі описано методики вивчення структури одержаних зразків сорбційних матеріалів за допомогою рентгенофазового, спектрального (ІЧ спектроскопія), термічного, порозиметричного аналізів та електронної мікроскопії. Наведено методики визначення кількісного складу отриманих матеріалів і сировини за допомогою атомно-адсорбційної спектрофотометрії, електрохімічного газоаналізатора, методу рентгенівської фотоелектронної спектроскопії, йодометричного та гравіметричного аналізів.

Детально описано методику та подано експериментальну установку для дослідження сорбції гідроген сульфіду у динамічних умовах. Наведено методику дослідження кінетики процесу сорбції H₂S синтезованими матеріалами.

У третьому розділі наведено результати фізико-хімічних досліджень глинистої сировини та одержаних сорбентів.

Рентгенофазовий аналіз природної глини підтвердив, що основними її складовими є монтморилоніт і каолініт, а також кальцит та доломіт у значних кількостях. Особливо показовою є відсутність окремих рефлексів, характерних для карбонатів, на модифікованих зразках, та поява натомість нових, що свідчать про наявність гетиту (б-FeOOH) в структурі зразка, модифікованого ферум(ІІІ) хлоридом, та купрум гідроксихлориду (CuOHCl) - в зразку, модифікованому купрум(ІІ) хлоридом. Це підтверджує факт руйнування карбонатів і осадження натомість гідроксоформ відповідних металів.

Наявні на ІЧ спектрі природної глини три чіткі смуги 1428, 710 та 874 см^-1 свідчать про наявність у складі вихідної глини карбонатів кальцію та магнію та руйнування їх внаслідок модифікування.

За допомогою елементного аналізу на атомно-абсорбційному спектрофотометрі вдалося з'ясувати, що процес модифікування супроводжується значним зниженням вмісту кальцію та магнію, а кількість нанесеного на глинисту матрицю феруму(ІІІ) (4,54 %) або купруму(ІІ) (4,28%) еквівалентна кількості зруйнованих карбонатів, що підтверджує дані попередніх досліджень хімізму процесу. У цьому разі вміст металу-модифікатора суттєво більший, ніж у випадку простого катіонного обміну.

Дослідження питомої поверхні показали, що хімічне модифікування природної глини приводить до збільшення питомої поверхні з 26 до 69 тис. м²/кг внаслідок обробки солями феруму і до 38 тис. м²/кг - солями купруму. У відпрацьованих ферум і купрумвмісних зразках питома поверхня зменшується на 86,4 і 52,7 %, відповідно. Зменшення питомої поверхні після насичення зразків гідроген сульфідом є значною в обох випадках. Це пояснюється утворенням відповідних поверхневих сульфідів, а у випадку ферумвмісного зразка - елементної сірки, що акумулюються у порах, спричиняючи значне зменшення питомої поверхні.

З ізотерм адсорбції - десорбції азоту (рис. 1) зроблено висновок, що природна глина є мікромезопористим матеріалом. Після модифікування пористість вихідного зразка помітно зростає, оскільки внаслідок модифікування купрум(ІІ) хлоридом збільшується переважно об'єм мезопор, а після обробки ферум(ІІІ) хлоридом - мезо- та мікропор (рис. 1 (криві а - в)). На рис. 1 (криві г, д) зображено ізотерми сорбції - десорбції азоту на відпрацьованих зразках. Очевидним є значне зменшення об'єму мікропор у ферумвмісному зразку, натомість об'єм мезопор змінюється менш суттєво. Це пояснюється утворенням кристалічного сульфуру на поверхні сорбенту, який і спричиняє блокування мікропор та зменшення об'єму мезопор. Проте це не заважає повторному використанню Fe-вмісного зразка після його регенерації. Наявність сульфуру на поверхні відпрацьованого Fe-вмісного зразка підтверджена результатами рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (S⁰:S^2- = 2:1).

Рис. 1. Ізотерми адсорбції-десорбції природної глини та свіжих і відпрацьованих модифікованих зразків: а - природна глина, б - Fe-вмісна глина, в - Cu-вмісна глина, г - відпрацьована Fe-вмісна глина, д - відпрацьована Cu-вмісна глина

Пористість купрумвмісного зразка також зменшується, зокрема завдяки мезопорам, але його повторне використання неможливе через утворення купрум(ІІ) сульфіду.

За допомогою термогравіметричних досліджень визначили інтервали температур, де відбуваються зміни у структурі вихідної глини та модифікованих зразків, а саме: до температури 300^оС руйнування структури зразків не відбувається, а зменшення маси пояснюється втратою адсорбованої води. За вищих температур зразки починають втрачати координаційну воду, і лише за температури понад 600^оС відбувається руйнування структури зразків і спікання. Одержані дані свідчать про можливість використання таких матеріалів для очищення гарячих газових потоків, температура яких не перевищує зазначене критичне значення.

У четвертому розділі подано результати експериментального дослідження хемосорбції, на основі яких запропоновано ймовірний механізм процесу та розроблено його математичну модель.

З метою виявлення статичної активності адсорбенту на основі експериментальних даних та за допомогою відомих теоретичних моделей була зроблена спроба визначити типи ізотерм, які найточніше описують процес поглинання H₂S модифікованими глинистими мінералами. Існуючі теоретичні моделі придатні лише для опису сорбції гідроген сульфіду, що відбувається на природній глині. Найкраще такий процес описує ізотерма Ленгмюра - Фрейндліха. Відповідність даних трипараметричній моделі свідчить про утворення мономолекулярного шару внаслідок сорбції. У випадку сорбції на модифікованих зразках ні одна з теоретичних моделей не в змозі достовірно описати цей процес, оскільки під час поглинання H₂S ферум- або купрумвмісною глиною має місце і хімічна взаємодія.

На основі експериментальних досліджень визначено максимальну ємність зразків щодо H₂S, яка становить 0,0112 кг/кг природної, 0,0419 кг/кг Fe- та 0,0138 кг/кг Cu-вмісної глини.

Для визначення основних закономірностей процесу хемосорбційного поглинання H₂S синтезованими матеріалами проводили спостереження за зміною швидкості поглинання за низьких концентрацій адсорбтиву (0,5 - 2 % об.) в газовому потоці у короткому шарі адсорбенту. На підставі отриманих результатів будували графіки залежності швидкості поглинання від часу (рис.2).

Із рис.2 видно, що зміна швидкості поглинання відбувається у три етапи, які відрізняються за тривалістю. Перша стадія процесу характеризується переважанням фактора зовнішньої дифузії над швидкістю реакції, тобто відбувається у зовнішньодифузійній області. Більша тривалість цього етапу поглинання на графіках ферумвмісного зразка порівняно з купрумвмісним пояснюється розвинутішою поверхнею першого.

На другому етапі швидкість поглинання дещо стабілізується. Це свідчить про те, що швидкість зовнішньої дифузії стає співрозмірною зі швидкістю хімічної реакції через зменшення числа активних центрів на зовнішній поверхні адсорбента, тобто процес поглинання переходить у змішану область. Крім того, на цьому етапі деяка кількість адсорбтиву починає проникати у пористий простір, а отже, відбувається внутрішня дифузія адсорбтиву до активних центрів, які є всередині пор поглинача.

На третьому етапі процес повністю переміщається у внутрішній простір матеріалу і лімітується внутрішньомолекулярною дифузією, чим і зумовлене стрімке зменшення швидкості поглинання аж до повного припинення процесу.

Стала швидкість процесу на початкових стадіях поряд із скороченням їхньої тривалості, що спостерігається зі збільшенням концентрації адсорбтиву у потоці, спричинена інтенсифікацією зовнішньої дифузії і наближенням значення коефіцієнта масовіддачі до константи швидкості реакції.

Коефіцієнт масопередачі K між газовою фазою та зовнішньою поверхнею твердого поглинача можна представити у вигляді: . Оскільки в нашому випадку процес масопередачі складається з двох одночасних процесів, а саме дифузії через шар газу до поверхні сорбенту та хімічної реакції на поверхні, то коефіцієнт масопередачі має вигляд .

Щоб отримати необхідні дані для обчислення константи швидкості реакції з метою виключення фактора зовнішньої дифузії, проводили спостереження за зміною швидкості поглинання сорбентами за високих концентрацій H₂S в газі (90 % об.). У цьому випадку процес поглинання можна поділити на два етапи (рис.3).

Спочатку швидкість поглинання велика, оскільки процес лімітується тільки швидкістю хімічної реакції. З часом на поверхні сорбенту кількість активних центрів зменшується і реакція переміщається у пори, тому процес сповільнюється. Отже, на другому етапі швидкість поглинання лімітується внутрішньою дифузією адсорбату у порах адсорбенту.

Рис. 2. Залежність швидкості поглинання H₂S від часу а - Fe-вмісним зразком за концентрації H₂S у газі 0,006 кг/м³; б - Fe-вмісним зразком за концентрації H₂S у газі 0,011 кг/м³; в - Fe-вмісним зразком за концентрації H₂S у газі 0,024 кг/м³; г - Cu-вмісним зразком за концентрації H₂S у газі 0,006 кг/м³; д - Cu-вмісним зразком за концентрації H₂S у газі 0,011 кг/м³; е - Cu-вмісним зразком за концентрації H₂S у газі 0,024 кг/м³; І - зовнішньодифузійна область; ІІ - змішана область; ІІІ - внутрішньодифузійна область

На початковій стадії поглинання відбувається у кінетичній області і може бути описане рівнянням швидкості реакції: .

Умовно зовнішня поверхня зерна визначається кількістю наявних активних центрів, а отже, є пропорційною до маси нанесеного металу. Масу феруму на зовнішній поверхні поглинача визначали за кількістю гідроген сульфіду, що поглинається. В результаті одержані такі значення константи швидкості реакції за нормальних умов: для ферумвмісного зразка k = 1,8•10^-5 м/с; для купрумвмісного зразка k = 4,7•10^-5 м/с.

Рис. 3. Зміна швидкості поглинання H₂S у часі: а - Fe-вмісним, б - Cu-вмісним сорбентом

Надалі поглинання H₂S з його концентрованого потоку переміщається у внутрішньодифузійну область, у якій швидкість внутрішньої дифузії, як видно з рис. 3, є значно меншою від швидкості хімічної реакції. Математично цей процес можна представити у вигляді диференціального рівняння молекулярної дифузії у сферичній системі координат з граничною умовою першого роду (1), оскільки в цьому випадку концентрація на поверхні частинки відповідає концентрації в об'ємі газової фази :

.(1)

Розв'язок системи рівнянь (1) має вигляд:

.(2)

За високих значень ф членами n ? 2 можна знехтувати, залишивши лише перший член (область регулярного режиму). Після логарифмування виразу (2) для n = 1, отримаємо:

.(3)

Для визначення коефіцієнта внутрішньої дифузії D* експериментальні дані представляли у вигляді графічної залежності . Коефіцієнт дифузії визначали за тангенсом кута нахилу прямої до осі абсцис: для ферумвмісного зразка D* = 9,4•10^-10 м²/с, для купрумвмісного зразка D* = 6,6•10^-9 м²/с.

Визначивши константу швидкості реакції та обчисливши коефіцієнт масопередачі, можемо розрахувати коефіцієнт масовіддачі в для випадків, наведених на рис.2 (область І): . Розрахункові значення коефіцієнтів масовіддачі для ферум- та купрумвмісних зразків подано у табл. 1.

Таблиця 1 Порівняльна таблиця основних кінетичних коефіцієнтів процесу хемосорбції гідроген сульфіду ферум- та купрумвмісним сорбентами

Вид зразка	Початкова концентрація H2S в потоці, кг/м3	Коефіцієнт масопередачі, K•108, м/с	Коефіцієнт масовіддачі, в•108, м/с	Константа швидкості реакції, k•105, м/с	Коефіцієнт внутрішньомолекулярної дифузії, D*•1011, м2/с	Максимальна сорбційна ємність, кг/кг
Fe-вмісний глинистий сорбент	0,006	0,22	0,22	1,8	1,50	0,054
	0,011	1,54	1,54	1,8	1,70	0,045
	0,024	2,09	2,10	1,8	1,74	0,043
Cu-вмісний глинистий сорбент	0,006	3,20	3,20	4,5	1,47	0,014
	0,011	3,52	3,53	4,5	2,00	0,014
	0,024	4,31	4,32	4,5	2,23	0,014

Розрахувавши значення коефіцієнта масовіддачі, маємо змогу визначити значення коефіцієнта внутрішньої дифузії для реальних потоків з врахуванням фактора зовнішньої дифузії компонента, що поглинається. Математично це можна представити у вигляді диференціального рівняння молекулярної дифузії у сферичній системі координат з граничною умовою третього роду (4):

(4)

Розв'язок системи рівнянь (4) має вигляд:

.(5)

де . Для уточненого розрахунку коефіцієнта внутрішньої дифузії прологарифмуємо розв'язок системи рівнянь (5) й одержимо:

.(6)

Аналогічно, як у першому випадку будуємо графік залежності =f(ф), з якого за тангенсом кута нахилу прямої до осі х розраховуємо уточнений коефіцієнт дифузії D* (табл.1.).

Рис. 4. Криві виходу сорбційних матеріалів: 1 - природної; 2 - Сu-вмісної; 3 - Fe-вмісної глини

На підставі проведених досліджень і визначених закономірностей можна зробити висновок, що Fe-вмісний сорбент має більшу сорбційну ємність, проте швидкість поглинання H₂S на всіх стадіях процесу є значно вищою на Cu-вмісному матеріалі (табл.1). Дослідження динаміки сорбції H₂S модифікованими сорбентами показали (рис.4), що проскок адсорбтиву на Cu-вмісному зразку спостерігається в момент проходження процесу у змішаній (за низьких концентрацій) або внутрішньодифузійній (за концентрацій понад 2 % об.) області. На Fe-вмісному матеріалі проскок помітний ще під час проходження стадії зовнішньої дифузії, і тільки за концентрацій вищих за 2 % об. він переміщується у кінетичну область.

Однак вдвічі менша швидкість хімічної реакції між Fe-вмісним сорбентом та H₂S порівняно з швидкістю взаємодії з Cu-вмісним не свідчить про непридатність першого для використання у процесах вилучення гідроген сульфіду з газів. Його значною перевагою є більша сорбційна ємність і здатність до регенерації в присутності вологи та кисню повітря.

Враховуючи вищенаведене, можна зробити висновок про доцільність комплексного використання сорбентів у процесах вилучення гідроген сульфіду з газових середовищ, а саме Fe-вмісний матеріал застосовувати для вилучення основної кількості H₂S із потоків, де концентрація становить 2 % об. і вище, а купрумвмісний - для їх доочищення.

З метою визначення динамічних характеристик хемосорбції H₂S синтезованими поглиначами газовий потік з концентрацією H₂S 0,024 кг/м³ та витратою 1,67•10^-6 м³/с по черзі пропускали через шар природної та модифікованих глин висотою 0,03 м. Сорбційну ємність кожного з матеріалів (у кг H₂S/кг сорбента) розраховували інтегруванням площ під кривими виходу (рис. 4.) та враховуючи концентрації H₂S на вході у колонку, витрати, часу до повного насичення та маси сорбенту. Результати експериментів та обчислень зведено у табл. 2.

Таблиця 2 Вміст сульфуру у відпрацьованих зразках сорбційних матеріалів

Зразок	Час до проскоку, с	Час до повного насичення, с	Сорбційна ємність за H2S визначена експериментально, Смакс•103 кг/кг сорбенту
Природна глина	570	1860	11,2 ± 1,4
Fe-вмісна глина	1020	8400	41,86 ± 1,22
Cu-вмісна глина	1530	2100	13,84 ± 1,34

Як видно з рис. 4 і табл. 2, сорбційна ємність матеріалу після модифікування помітно зростає. Незважаючи на низький відсоток фізичної адсорбції, ферумвмісний сорбент має кращу сорбційну ємність порівняно з купрумвмісним і немодифікованим.

Характер кривої виходу ферумвмісного сорбенту пояснюється його вищою, порівняно з двома іншими зразками, мікропористістю. Проте час до проскоку у купрумвмісного зразка найдовший. Враховуючи це, доцільно використовувати купрумвмісний сорбент для доочищення газів, які вже пройшли шар ферумвмісного матеріалу.

Дослідження впливу концентрації H₂S у повітряному потоці на ефективність поглинання Fe- і Cu-вмісним сорбентами проводили на гранулах розміром 1-2 мм за постійної швидкості потоку. Концентрацію H₂S у газовій суміші змінювали від 0,4 до 1,6 % об.

Як видно з результатів, наведених у табл. 3, зміна концентрації гідроген сульфіду у газовому потоці не впливає на сорбційну ємність купрумвмісної глини. Натомість для Fe-вмісного зразка зменшення концентрації гідроген сульфіду у потоці приводить до поліпшення сорбції. Це пояснюється меншою швидкістю реакції між хемосорбентом і гідроген сульфідом, а також явищем регенерації зразка за наявності вологи та кисню повітря.

Таблиця 3 Сорбційна ємність сорбентів за різних концентрацій H₂S у потоці

Концент-рація H2S, кг/м3	Fe-вмісна глина	Cu-вмісна глина
	Кількість поглинутого H2S, моль	Сорбційна ємність сорбента,	Кількість поглинутого H2S, моль	Сорбційна ємність сорбента,
		моль/кг	кг/кг		моль/кг	кг/кг
0,006	7,540	1600	0,0544	1,985	408	0,0139
0,011	6,172	1325	0,0451	1,998	407	0,0138
0,024	5,769	1261	0,0429	1,978	407	0,0138

У п'ятому розділі запропоновано раціональні параметри для реалізації процесу хемосорбції Н₂S модифікованими глинистими мінералами та розроблено його технологічну схему.

Експериментально визначили гранулометричний склад сорбентів, що дає змогу максимально раціонально організувати даний процес. Найкращі результати отримано під час використання адсорбентів із розміром фракцій 1-2 мм, вміст сульфуру у відпрацьованому Fe-вмісному зразку сягає 5,6 %, а у відпрацьованому Cu-вмісному - 3,5 %.

Дослідження сорбційної здатності Fe-вмісного сорбенту щодо гідроген сульфіду залежно від кількості циклів поглинання - регенерації показали, що під час однократного пропускання сорбційна ємність становить приблизно 0,0544 кг/кг модифікованої глини. Зі збільшенням кратності пропускання сорбційна активність зразків монотонно спадає і досягає повного насичення під час 21-кратного пропускання. У цьому разі вміст сульфуру в зразках досягає 34 % мас. Згідно з одержаними результатами найбільш раціональне використання глинистого сорбенту, що містить феруму(ІІІ) гідроксид - шестикратне.

Як засвідчили проведені дослідження, у випадку невеликих об'ємних концентрацій H₂S у потоці газу, що підлягає очищенню, процеси сорбції та регенерації Fe-вмісного сорбенту відбуваються одночасно. Такі сорбційні матеріали доцільно виробляти у вигляді сотових конструкцій і застосовувати у каталітичних блоках газоконвекторів.

Для очищення промислових газових викидів від H₂S пропонуємо принципову технологічну схему, яка зображена на рис. 5.

Оскільки Fe-вмісний сорбент має здатність до регенерації в присутності кисню повітря та водяної пари, то стадія його регенерації може відбуватися безпосередньо в адсорбційній колоні. Безперервність процесу можна забезпечити встановленням додаткової лінії з адсорбційною колоною. Проте більш раціонально реалізувати процес з використанням двосекційної адсорбційної колони. В цьому випадку поки в одній секції колони поглинатиметься H₂S, в іншій відбуватиметься регенерація відпрацьованого матеріалу.

На відміну від Fe-вмісного Cu-вмісний сорбент регенерації на повітрі не підлягає. Як засвідчили дослідження, час його захисної дії значно довший, тому в технологічній схемі запропоновано встановити дві послідовно з'єднані двосекційні адсорбційні колони: одну з шаром ферумвмісного та другу - купрумвмісного сорбенту (рис. 5).

Рис. 5. Принципова технологічна схема очищення газових викидів промислових виробництв від H₂S; ТП - технологічний процес; Г1-2 - газодувка; ТУП - теплоутилізуючий пристрій; КТ1-3 - клапан триходовий; К1-2 - адсорбційна колона; ШТ1-2 - шнековий транспортер; Б1-2 - бункер

У другій колоні висота шарів засипки різна, оскільки шар І (більший) використовують для доочищення газу, а шар ІІ (менший) - для вловлювання слідів гідроген сульфіду з потоку повітря, що забезпечує регенерацію Fe-вмісного сорбенту. Це дає змогу досягти найвищого ступеня очищення та зекономити на вартості сорбційних матеріалів.

Пропонується декілька шляхів утилізації відпрацьованого Fe-вмісного сорбційного матеріалу: рекуперація S із відпрацьованого поглинача шляхом його обпалу; оброблення поглинача розчинниками з подальшим екстрагуванням S та його виділенням кристалізацією при охолодженні або відгонці розчинника; використання як поглинача у процесах знешкодження випарів ртуті; використання як добавки у дорожньому покритті. Регенерація відпрацьованого Cu-вмісного сорбента також є можливою. Купрум сульфід окиснюють оксигеном за температури 500 - 550^оС. Зважаючи на низьку розчинність купрум сульфіду (ДР = 6,310^-36) та порівняно незначні об'єми відпрацьованого Cu-вмісного сорбційного матеріалу, найраціональнішим є його захоронення в сховищах твердих відходів.

Розраховано собівартість природних сорбентів на основі модифікованих глинистих мінералів, яка становить 6767,6 та 20598,4 грн за 1 т Fe- та Cu-вмісного матеріалу відповідно. Очікуваний економічний ефект від впровадження таких поглиначів становить понад 90 тис. грн/рік.

Висновки

У результаті виконання дисертаційної роботи вирішено важливе науково-технічне завдання, що полягає у встановленні закономірностей процесу хемосорбційного вилучення гідроген сульфіду з технологічних і відхідних газів промислових виробництв природними глинистими мінералами, модифікованими солями важких металів (солей Fe³⁺ та Cu²⁺).

1. Ефективним і недорогим способом збільшення ступеня вилучення гідроген сульфіду з газових сумішей є метод хімічної адсорбції природними сорбентами на основі глинистих мінералів, низьку сорбційну ємність яких збільшено введенням до їхнього складу гідроксидів і гідроксосолей металів (Fe³⁺ та Cu²⁺) хімічним модифікуванням. При цьому максимальну сорбційну ємність поглиначів на основі модифікованої бентонітової глини щодо H₂S збільшено з 0,0112 кг/кг природної до 0,0419 кг/кг Fe- та 0,0138 кг/кг Cu-вмісної глини.

2. Синтез нових сорбційних матеріалів на основі бентонітових глин Язівського родовища полягав у їхньому модифікуванні солями важких металів шляхом нанесення на поверхню нерозчинних гідроксоформ Fe³⁺ та Cu²⁺, які виявляють сорбційну активність щодо H₂S.

3. Структурні дослідження сорбентів засвідчили, що внаслідок модифікування природної глини розчинами ферум(ІІІ) та купрум(ІІ) хлоридів відбувається руйнування карбонатної складової з одночасним введенням еквівалентної кількості відповідних нерозчинних гідролізованих металоформ.

4. Природа модифікатора впливає на структурно-сорбційні властивості одержаних глинистих сорбентів і приводить до збільшення питомої поверхні з 26 до 69 тис. м²/кг внаслідок оброблення розчином FeCl₃ і до 38 тис. м²/кг - розчином CuCl₂.

5. За допомогою інтерпретації експериментальних даних у рамках теоретичних моделей виявлено, що існуючі теоретичні моделі придатні лише для опису сорбції гідроген сульфіду, яка відбувається на природній глині. Рівновага сорбції H₂S описується трипараметричною моделлю - ізотермою Ленгмюра - Фрейндліха.

6. Ймовірний механізм процесу хемосорбції гідроген сульфіду ферум- та купрумвмісними глинистими сорбентами передбачає існування трьох дифузійних областей поглинання: зовнішньодифузійної, змішаної та внутрішньодифузійної, а також хімічної реакції, яка не є лімітуючою стадією, тому процес хемосорбційного поглинання належить до дифузійнолімітованих.

7. За отриманими розрахунковими залежностями визначено масообмінні коефіцієнти процесу поглинання: для Fe-вмісного зразка: коефіцієнт масовіддачі в = 2,22?10^-9 - 2,10•10^-8 м/с; константа швидкості реакції k = 1,8•10^-5 м/с; коефіцієнт внутрішньої дифузії D* = 1,50•10^-11 - 1,74•10^-11 м²/с; для Cu-вмісного зразка: коефіцієнт масовіддачі в = 3,20?10^-8 - 4,32•10^-8 м/с; константа швидкості реакції k = 4,5•10^-5 м/с; коефіцієнт внутрішньої дифузії D* = 1,47•10^-11 - 2,23•10^-11 м²/с. Отримані дані підтверджують дифузійний механізм сорбції.

8. У динамічних умовах Fe-вмісний сорбент володіє втричі більшою сорбційною ємністю порівняно з Сu-вмісним і немодифікованим; час до проскоку у Cu-вмісного зразка найдовший із досліджених матеріалів і становить понад 1500 с; зменшення концентрації H₂S у газовому потоці приводить до поліпшення сорбційної ємності Fe-вмісного та не впливає на сорбційну ємність Cu-вмісного зразка.

9. За наявності кисню у газовому потоці та невеликих концентрацій H₂S можливе спрощення технологічної схеми очищення за рахунок проведення регенерації Fe-вмісного сорбента безпосередньо в адсорбційній колоні. Раціональні параметри для реалізації процесу хемосорбції: розмір фракцій 1-2 мм; кратність використання глинистого сорбента, що містить ферум(ІІІ) гідроксид - шість, вміст сульфуру в поглиначі - 21,7% мас.

Умовні позначення

Ві - критерій Біо; С - концентрація гідроген сульфіду у порах в будь-який момент часу на будь-якій відстані від зовнішньої поверхні частинки, кг/м³; - середня концентрація гідроген сульфіду у порах, кг/м³; С_а - концентрація поглинутого гідроген сульфіду в одиниці об'єму сорбента, кг/м³; - середня концентрація адсорбтиву в газі, кг/м³; С_макс - максимальна сорбційна ємність, кг/кг сорбенту; С_нас. - концентрація гідроген сульфіду в адсорбенті у момент його насичення, кг/м³; - концентрація H₂S в потоці, кг/м³; D* - коефіцієнт внутрішньої дифузії, м²/с; - швидкість поглинання H₂S, кг/с; - швидкість поглинання H₂S у початковий момент сорбції, кг/с; F - наявна зовнішня площа поверхні, м²; F_0зов. - площа умовно зовнішньої поверхні адсорбенту, яка складається з зовнішньої поверхні зерна та легкодоступних для H₂S поверхневих макропор, до початку сорбції, м²; j - порядок реакції; k - константа швидкості хімічної реакції, м/с; r - радіус частинки в момент часу ф, м; R - радіус частинки, що в нашому випадку становить 0,75•10^-3 м; в - коефіцієнт масовіддачі, м/с; м - корінь характеристичного рівняння; ф - час, с.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Stepova K. Mechanism And Mathematical Model Of Н₂S Chemisorption On Modified Bentonite / Kateryna V. Stepova, Yaroslav M. Gumnitskyy, Duncan J. Maquarrie // Chemistry and Chemical Technology. - 2009. - № 3. - Р.169 - 172. (Особистий внесок здобувача - одержання експериментальних даних необхідних для розробки моделі, розрахунок констант швидкості реакції та масообмінних коефіцієнтів, а також перевірка адекватності кінетичної моделі).

2. Stepova K.V. Modified bentonites as adsorbents of hydrogen sulfide gases / Kateryna V. Stepova, Duncan J. Maquarrie, Ihor M. Krip // Applied Clay Science. - 2009. - № 42. - P. 625 - 628. (Особистий внесок здобувача - ідентифікація дифрактограм та ІЧ спектрів, проведення порозиметрії, дослідження статики, кінетики хемосорбції та побудова кривих виходу).

3. Степова К.В. Термогравіметрія бентонітових глин Язівського родовища сірки, модифікованих солями перехідних металів / К.В. Степова, О.А. Нагурський, І.М. Кріп // Вопросы химии и химической технологии. - 2008. - № 2. - С. 205 - 208. (Особистий внесок здобувача - проведення термогравіметричного аналізу та визначення основних температурних інтервалів, де відбуваються зміни структури сорбентів).

4. Степова К.В. Cтруктурні дослідження модифікованих карбонатовмісних бентонітових глин методом інфрачервоної спектроскопії / К.В. Степова, О.А. Нагурський, І.М. Кріп // Вопросы химии и химической технологии. - 2008. - № 3. - С. 121 - 123. (Особистий внесок здобувача - отримання ІЧ спектрів зразків та їхня ідентифікація).

5. Степова К.В. Методологічні засади синтезу сорбентів на основі модифікованих бентонітових глин для знешкодження сірководневих газових викидів / К.В. Степова, О.А. Нагурський // Наук. вісник НЛТУ України: Зб. наук.-техн. праць. - 2007. - № 17.8. - С.111 - 116. (Особистий внесок здобувача - розроблення методики синтезу сорбентів та їхній кількісний аналіз ).

6. Кріп І.М. Модифікування сірих язівських глин кислими розчинами хлориду заліза (ІІІ) з метою одержання залізовмісних глинистих сорбентів / І.М. Кріп, К.В. Степова // Вісник НУ "Львівська політехніка" - 2005. - № 536. - C.163 - 165. (Особистий внесок здобувача - розроблення методики синтезу сорбента та дослідження його сорбційних властивостей щодо H₂S).

7. Степова К.В. Сорбція сірководню залізовмісними глинистими сорбентами на основі модифікованих сірих язівських глин / К.В. Степова, О.А. Нагурський // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: V міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів, 11 - 13 квітня 2006 року: збірка доповідей. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - Т. 1. - С. 36 - 37. (Особистий внесок здобувача - синтез експериментальних зразків, встановлення їхньої сорбційної ємності).

8. Степова К.В. Порівняння природної глини і матеріалів, одержаних шляхом її модифікування солями заліза (ІІІ) і міді (ІІ) / К.В. Степова // Екологія. Людина. Суспільство: Х Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 16 - 20 травня 2007р.: збірка тез доповідей. - К.: НТУУ "КПІ", 2007. - С. 166. (Особистий внесок здобувача - синтез зразків, встановлення експериментального співвідношення глинистий мінерал:модифікатор).

9. Степова К.В. Модифіковані бентонітові глини як сорбенти для нейтралізації низькоконцентрованих сірководневих газових викидів / К.В. Степова // Екологія. Людина. Суспільство: ХІ Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 13-18 травня 2008 р.: збірка тез доповідей. - К.: НТУУ "КПІ", 2008. - С. 223. (Особистий внесок здобувача - структурні дослідження, встановлення сорбційної здатності зразків).

10. Степова К.В. Динаміка сорбції сірководню сорбентом на основі природної бентонітової глини модифікованої кислими солями заліза (ІІІ) / Катерина Степова // Збірник наукових праць: Одинадцята наукова конференція "Львівські хімічні читання - 2007". Львів, 30 травня - 1 червня 2007 р. - Львів: Видавничий центр Львівського національного університету імені Івана Франка, 2007. - С. У20. (Особистий внесок здобувача - дослідження динаміки сорбції гідроген сульфіду модифікованими природними сорбентами).

11. Степова К.В. Модифіковані бентонітові глини - сорбенти для нейтралізації низькоконцентрованих викидів сірководню / К.В. Степова, І.М. Кріп, Т.В. Шимчук, Д.Дж. Маквайєрі // Тези доповідей ХХ Український семінар "Мембранні і сорбційні процеси і технології", 24-25 лютого 2009 р.. - К.: НУ "Києво-Могилянська академія", 2009. - С. 74. (Особистий внесок здобувача - математичний опис механізму хемосорбції).

12. Степова К.В. Адсорбція H₂S природними сорбентами, модифікованими відходами важких металів/ К.В. Степова, І.М. Кріп // Збірка тез доповідей ХІІ Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених "Екологія. Людина. Суспільство" (13 - 17 травня 2009 р. м.Київ). - К.: НТУУ "КПІ", 2009. - С. 122. (Особистий внесок здобувача - структурні дослідження зразків, встановлення властивостей синтезованих глинистих сорбентів щодо сірководню в динамічних умовах).

13. Степова К.В. Хемосорбція H₂S на бентоніті, модифікованому хлоридом міді (ІІ) / К.В.Степова, Я.М. Гумницький, Д.Дж. Маквайєрі // Збірник тез доповідей V Науково-технічна конференція "Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості", м.Львів, 9 - 12 червня 2009 р. - Львів: Видавництво НУ "Львівська політехніка", 2009. - С. 252. (Особистий внесок здобувача - розроблення математичної моделі процесу та розрахунок відповідних коефіцієнтів).

14. Степова К.В. Ефективні сорбенти H₂S на основі модифікованого бентоніту / К.В.Степова, Я.М. Гумницький, Д.Дж. Макквайєрі // І Міжнародний конгрес: Захист навколишнього середовища, енергоощадність, збалансоване природокористування, м. Львів 28-29 травня 2009 р. - Львів: Видавництво НУ "Львівська політехніка", 2009. - С. 50. (Особистий внесок здобувача -проведення фізико-хімічних досліджень, з'ясування сорбційної здатності поглиначів).

15. Гумницький Я.М. Модель хемосорбційного поглинання сірководню модифікованими природними сорбентами / Я.М. Гумницький, І.М. Кріп, К.В. Степова // Друга міжнародна науково-практична конференція "Комп'ютерне моделювання в хімії та технологіях і сталий розвиток", м. Київ, 12-15 травня 2010 р. - Київ: НТУУ "КПІ", 2010. - С. 117 - 118. (Особистий внесок здобувача - розроблення математичної моделі процесу, розрахунок відповідних коефіцієнтів із врахуванням впливу фактору зовнішньої дифузії).

Анотація

Степова К.В. Хемосорбція гідроген сульфіду модифікованими природними сорбентами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси й обладнання хімічної технології. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2010.

Дисертаційна робота присвячена теоретичним та експериментальним дослідженням процесу хемосорбції гідроген сульфіду природними глинистими мінералами, модифікованими солями важких металів (солей Fe³⁺ та Cu²⁺). Вперше обґрунтовано та доведено можливість одержання ефективних і недорогих сорбентів на основі глинистої сировини, модифікованої відходами важких металів. Встановлено закономірності процесу хемосорбції H₂S твердими поглиначами, запропоновано ймовірний механізм поглинання у системі газ-тверде тіло. Отримано основні константи та коефіцієнти хімічної адсорбції для визначення швидкості і тривалості поглинання. Запропоновано модель процесу хемосорбції H₂S сорбентами на основі глинистого мінералу з нанесеними на поверхню гідроксоформами металів (Fe³⁺ та Cu²⁺). Вперше визначено основні сорбційні властивості синтезованих глинистих матеріалів щодо гідроген сульфіду в динамічних умовах.

Ключові слова: хемосорбція, природні сорбенти, гідроген сульфід, важкі метали.

Аннотация

Степовая Е.В. Хемосорбция гидроген сульфида модифицированными природными сорбентами. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и оборудование химической технологии. - Национальный университет "Львивська политехника", Львов, 2010.

Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса хемосорбции гидроген сульфида природными глинистыми минералами, модифицированными солями тяжёлых металлов (солей Fe³⁺ и Cu²⁺). Впервые обоснована и доказана возможность получения эффективных и недорогих сорбентов на основе глинистого сырья, модифицированного отходами тяжёлых металлов. Установлены закономерности процесса хемосорбции H₂S твердыми поглотителями, предложен вероятный механизм поглощения в системе газ - твёрдое тело. Получены основные константы и коэффициенты химической адсорбции гидроген сульфида для определения скорости и продолжительности поглощения. Предложена модель процесса хемосорбции H₂S сорбентами на основе глинистого минерала с нанесёнными на поверхность гидроксоформами металлов (Fe³⁺ и Cu²⁺). Впервые определены основные сорбционные свойства синтезированных глинистых материалов относительно гидроген сульфида в динамических условиях.

Ключевые слова: хемосорбция, природные сорбенты, гидроген сульфид, тяжёлые металлы.