АННОТАЦИЯ диссертации на соискание ученой степени

АННОТАЦИЯ
диссертации на соискание ученой степени
доктора философии (PhD) 6D072000 – Химическая технология неорганических
веществ
Кусаинова Маржан Жанболатовна
Разработка технологии очистки фосфорной кислоты от свинца и его солей
с помощью цеолита
Современное
состояние
решаемой
научной
или
научнотехнологической проблемы и их актуальность.
Фосфорная кислота находит широкое применение в различных отраслях
промышленности РК. Вовлечение в производство низкосортного фосфатного
сырья приводит к получению фосфорных кислот загрязненных солями тяжелых
металлов, которые переходят в фосфорные удобрения и далее мигрируют в
почву и водоемы. В связи с этим возникает необходимость в очистке
фосфорных кислот. Сорбционный метод
с использованием дешевых и
кислотоустойчивых природных цеолитов является наиболее эффективным. К
тому же повышение сорбционных свойств природных цеолитов возможно
путем их модификации. К перспективным модификаторам относится хитозан недорогой биополимер природного происхождения с функциональными
гидроксильными и аминогруппами, способными участвовать в процессах
сорбции катионов. Модификация цеолита хитозаном позволит получить новый
сорбент с сорбционными свойствами цеолита и модификатора.
Обоснование необходимости проведения научно-исследовательской
работы.
В настоящее время стоит проблема разработки эффективного способа
очистки фосфорных кислоты с использованием дешевых и кислотоустойчивых
природных сорбентов с высокими сорбционными свойствами по отношению к
тяжелым металлам, в частности к свинцу. Большинство способов очистки
концентрированных кислот основаны на применении дорогостоящих
неорганических и органических
реагентов, связаны с расходом
электроэнергии, созданием особых условии (00С), либо с длительностью и
многостадийностью процесса. В связи с этим возникает необходимость в
получении новых сорбентов на основе природных цеолитов и разработке
экологически и экономически выгодных сорбционных методов очистки
фосфорных кислот с использованием кислотоустойчивых сорбентов,
способных снизить в них концентрацию тяжелых металлов. Получение
модифицированного хитозаном цеолита и сорбционный способ очистки
фосфорных кислот от тяжелых металлов не требуют дорогостоящих реагентов,
больших материальных и экономических затрат и может осуществляться на
действующем производственном оборудовании фосфорных предприятий без
существенной их модернизации.
Целью работы является изучение процесса сорбции солей свинца (II),
влияния анионов NO3-, СО32- и СН3СОО- и катионов Cu2+, Cd2+ на сорбцию
ионов Pb2+ природным и модифицированным цеолитом из фосфорной кислоты,
установление химизма процесса взаимодействия солей тяжелых металлов с
сорбентами и определение оптимальных условий их сорбции на цеолитах с
последующей разработкой сорбционных технологических схем процессов
очистки фосфорной кислоты.
Задачи исследования:
- изучение влияния ряда факторов процесса (τ, мин.; C, СН3РО4, Т:Ж),
природы аниона и сопутствующего катиона на сорбционные свойства
природного цеолита по отношению к катионам свинца (II) на модельных
системах «Н3РО4 - Pb(NO3)2 (Pb(СН3СОО)2; PbCO3) – природный цеолит»;
«Н3РО4 - Рb2+- Cu2+ - природный цеолит», «Н3РО4 - Рb2+- Cd2+ - природный
цеолит», «Н3РО4 - Рb2+- Cd2+ Cu2+- природный цеолит»;
- определение оптимальных параметров процесса сорбции солей свинца
(II) цеолитом, модифицированным хитозаном, из разбавленной и
концентрированной фосфорной кислоты;
- исследование процесса сорбции катионов Pb (II) в присутствии катионов
Cu (II) и Cd (II) модифицированным цеолитом в зависимости от времени,
концентрации металла и кислоты;
- изучение общих закономерностей и особенностей структурных
изменений сорбентов до и после сорбции физико-химическими методами;
- разработка способов и технологических схем сорбционного процесса
очистки фосфорной кислоты от тяжелых металлов природным и
модифицированным цеолитом.
Объекты исследования.
В качестве объектов исследования взяты термическая фосфорная кислота
квалификации «о.с.ч.», цеолит Шанканайского месторождения (Алматинская
обл.), модификатор для цеолита - хитозан, а также использованы соли тяжелых
металлов: нитрат, карбонат и ацетат свинца (II); нитрат кадмия (II) 4-водный;
нитрат меди (II).
Предмет исследования – заключается в изучении закономерностей и
особенностей сорбции солей свинца, ионов Рb2+ в присутствии Cd2+ и Cu2+
природным и модифицированным цеолитом из фосфорной кислоты и
разработке сорбционной технологической схемы ее очистки.
Научная новизна работы состоит в установлении общих закономерностей
процесса сорбции солей свинца (II) из фосфорной кислоты природным и
модифицированным хитозаном цеолитом на основании которых:
- впервые выявлено влияние аниона соли свинца на сорбцию катиона Pb2+
цеолитами и показано, что по эффективности его поглощения сорбентом они
располагаются в следующем порядке: Pb(NO3)2 ≥ Pb(СН3СОО)2>PbCO3;
- установлено, что природный и модифицированный цеолит проявляет
одновременно сорбционную способность к катионам Pb2+, Cu2+, Cd2+, а также
молекулярно-ситовые свойства. Сорбция тяжелых металлов природным
цеолитом протекает с опережающим извлечением большего по размеру катиона
Pb (1,26Å), а в модифицированном цеолите повышается сорбционная
способность по отношению к катионам с меньшим ионным радиусом (0,8Å Cu,
0.97Å Сd) за счет присутствия в модификаторе функциональных
гидроксильных и аминогрупп (C6H11O4N)n.
- выявлено, что сорбция катионов тяжелых металлов модифицированным
цеолитом в кислой среде протекает за счет взаимодействия аминной группы и
гидроксильной ОН-группы, а также по ионному типу путем замещения
внекаркасных катионов в структуре цеолита через процесс их
гидроксилирования, что обусловливает высокую степень очистки фосфорной
кислоты.
Метрологическая обеспеченность. Для выполнения работы имеются
современные приборы и аппаратура, основное и вспомогательное
оборудование, а также ряд установок, необходимых для проведения
технологических работ. Весь приборно-аппаратурный и технологический парк
соответствует требуемым стандартам. Имеются ГОСТы, реактивы и
сертифицированные методы анализа и методики. Используемая для проведения
экспериментов аппаратура сертифицирована органами метрологического
контроля.
Методологическая база. В исследовании были использованы
современные физико-химические методы анализа: ИК-спектрофотометр «Perkin
Elmer Spectrum 100» и «Specord M-80», сканирующий электронный микроскоп
«JXA-8230» и «QUANTA 250 FEG», дериватограф «Shimadzu DTG-60»,
атомно-абсорбционный спектрофотометр «Perkin Elmer AAnalyst 400», (БЕТ)
для определения удельной поверхности и размеров пор Quadrasorb SI-KR/MP,
Quantachrome Instruments (США).
Связь данной работы с другими научно-исследовательскими
работами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темами
научно-исследовательских работ (НИР) лаборатории химии удобрений и солей
АО «Институт химических наук им. А.Б. Бектурова»: «Общие закономерности
получения, физико-химические свойства и дизайн Р-, Si-содержащих
соединений из природного и вторичного фосфатного сырья» (№
гос.регистрации 0112РК002212); «Исследование взаимовлияния фосфатов,
гуматов, неорганических соединений ряда переходных металлов и сорбентов на
состав и свойства образующихся продуктов и сорбционные процессы в водносолевых системах» (№ гос.регистрации 0112РК00221).
Личный вклад докторанта состоит в анализе и обобщении литературных
данных, в выборе направления и организации, постановке и проведении
экспериментальных исследований, проведении расчетов, анализов и обобщении
полученных результатов, подготовке научных публикаций.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и
обсуждены на научно-практических и международных конференциях,
семинарах: Зарубежная конференция «XVIII International conference, Mechanics
of Composite Materials» (Рига, 2014); Международная научно-техническая
конференция
«Технология-2014»
(Северодонецк,
2014);
Зарубежная
конференция «Zeolite 2014 - 9th International Conference of the Occurrence,
Properties, and Utilization of Natural Zeolites» (Белград, 2014); Международная
научно-техническая конференция «Химия и Современность» (Чебоксары,
2015); «VII Международная научно-техническая конференция «Проблемы
инновационного развития нефтегазовой индустрии» (Алматы, 2015);
Публикации. Результаты выполненной работы отражены в 13 научных
публикациях, в том числе:
- в 4 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных Комитетом
по контролю в сфере образования и науки Министерства образования и науки
Республики Казахстан;
-в 4 статье, опубликованной в международных научных изданиях,
входящих в базу данных Scopus, ненулевой импакт-фактор;
-в 5 тезисах, опубликованных в международных, зарубежных и
республиканских научных конференциях, семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5
разделов, заключения, списка использованных источников. Общий объем
диссертации составляет 149 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 51
рисунков, списка использованных источников из 163 наименований.