Адсорбционные свойства глиняных минералов Омского региона

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Омский государственный  педагогический университет»

Факультет естественнонаучного  образования

Кафедра химии и методики преподавания химии

 

 

 

Курсовая работа

«Адсорбционные свойства глиняных минералов омского региона»

Направление естественнонаучное образование

Профиль химия

 

 

 

 

                                                                     Выполнила: студентка

                                                                     34 группы                      

                                                                     ФИО

                                                                     (подпись) 

 

                                                                    Научный руководитель

                                                                    МЮА

                                                                    к.х.н доцент

 

                                               Оценка_{——————————}

 

 

Омск 2012

Аннотация

 

Аужанова Диана Дюсембаевна. Адсорбционные свойства глинистых  минералов омского региона.

Ключевые слова: глинистые  минералы, питьевая вода, очистка, адсорбция, адсорбент, адсорбат

Целью курсовой работы является изучить способы очистки воды с использованием адсорбционных  свойств глинистых минералов  Омского региона.

В данной работе: перечислены  наиболее распространенные виды загрязнений  поверхностных водоисточников, а  также приведены примеры способов очистки питьевой воды. Описаны глинистые  минералы, на основе которых возможно производить очистку воды от известных  загрязнителей. На основе анализа теоретического материала установлено, что поверхностные воды можно очищать от загрязнителей с использованием глинистых минералов местного региона. Работа может найти применение при дальнейшем исследование характеристик адсорбционных методов очистки воды глинистыми минералами и относится к области коллоидной, физической и органической химии.

 

THE SUMMARY

 

Auzhanova Diana Djusembaevna. Adsorption properties of clay minerals of the Omsk region. 
Key words: clay minerals, drinking water, cleaning, adsorption and adsorbent and adsorbate 
The purpose of course work is to study methods of water treatment with the use of adsorptive properties of clay minerals of the Omsk region. 
In this work: lists the most common types of pollution of surface water sources, and also provides examples of the ways to clean drinking water. Describes clay minerals, on the basis of which it is possible to clean up the water from well-known pollutants. On the basis of the analysis of the theoretical material found that surface water can be cleaned from pollutants with the use of clay minerals of the local region. Work can be of use in further research of characteristics of adsorption methods of water purification clay minerals and refers to the field of colloid, physical and organic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Аннотация……………………………………………………………….….……..2

Введение……………………………………………………………….…………..4

1. Литературный обзор…………………………………………….………….6
1. Глинистые минералы и их классификация………………………...6
2. Адсорбционные свойства глинистых минералов………….………8
3. Питьевая вода. Какой она должна быть…………………..………14
4. Основные виды загрязнений поверхностных водоисточников…17
5. Способы очистки (опреснение водоёмов)………………..………25
1. Окислительный метод очистки воды……………………………..26

1.5.2 Очистка воды с использованием  сорбционного метода………...33

Заключение……………………………………………………………………….36

Литература………..……………………………………………………………...37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Среди различных видов загрязнения  окружающей среды, химическое загрязнение  природных вод имеет особое значение. Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней  средой. На него оказывают влияние  условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные  природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний  является привнесение в водную среду  новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды. Кардинальное решение проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и  внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов  и производств. Рациональное использование  природных ресурсов и охрана окружающей среды в настоящее время решаются в двух направлениях. Одно из них - разработка и внедрение малоотходных и безотходных  технологий и процессов, другое - модернизация действующих предприятий, замена устаревших процессов новыми, повышение качества очистки сточных вод, внедрение  замкнутых производственных циклов. Очистки и опреснение пресных водоёмов является одной из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке сточных вод, но проблема очистки малых и средних объемов до сих пор явно не решена. Существенное влияние на повышение качества водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод. Недооценивать важность охраны и очистки водных ресурсов сегодня, значит получить в скором времени целый букет экологических проблем, преодолевать которые будет уже гораздо сложнее.

Цель: изучить способы очистки воды с использованием адсорбционных свойств глинистых минералов Омского региона.

Задачи:

- провести анализ литературы по описанию свойств глинистых минералов;

- выявить основные загрязнители пресных водоёмов и негативное влияние на организм человека;

- изучить основные методы очистки  воды;

- предложить наиболее эффективный  и экономичный метод очистки,  который можно реализовать на  территории Омской области с  использованием ресурсов региона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Глинистые минералы и их классификация

 

Глина - это природные отложения осадочных пород или мелкозернистая осадочная горная порода. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (от названия Китайской местности Каолин), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы). В глине так же могут содержаться песчаные и карбонатные частицы. Породообразующий минерал в глине - каолинит. 
Al₂O₃ и SiO₂ — это значительная часть химического состава глин [5].

Глины классифицируют по составу, происхождению, окраске, по их практичному использованию. Если один из минералов преобладает, глины  называют по этому минералу - каолинитовая, галлуазитовая и т.д.

По  характеру технических требований промышленности среди глин выделяют четыре наиболее важные группы: легкоплавкие, огнеупорные и тугоплавкие; каолины; адсорбционные (высокодисперсные монтмориллонитовые).

Легкоплавкие  глины - полиминеральные, обычно железисто- монтмориллонитовые и гидрослюдистые (часто с примесью песка и органических веществ), показатель огнеупорности менее 1350⁰С.

Огнеупорные и тугоплавкие глины характеризуются высоким содержанием глинозема (20-42%), высокой связующей способностью; имеют мономинеральный состав (каолинитовый или монотермитовый) и огнеупорность не ниже 1580⁰С. Огнеупорные каолиновые глины представляют собой продукты естественного перемыва и переотложения вещества древний коры выветривания. Малый подъём давал каолиново-песчанистые отложения, в которых имеются богатые каолином линзы («вторичные каолины»). Больший подъём приводил к образованию в каолино-песчанистых толщах  каолинитовых малопластичных огнеупорных глин. С ним обычно ассоциируются угольные прослои; причина этого не вполне ясна. Видимо, растительные остатки сносились в те же водоёмы, что и каолин. Можно предположить, что большое количество гниющего органического материала, накапливавшегося в озёрах, где шло осадкообразование, определяло кислую реакцию среды, а это благоприятно сказывалось на чистоте осаждавшегося каолина.

Каолин - разновидность глин, сложенная преимущественно каолинитом; не имеет пластичности, высокой дисперсности и значительной связующей способности. Каолиновые глины. Первичный каолин геологически представляет собой продукт древнего выветривания гранитоидных пород (древняя кора выветривания или продукт их гидротермального изменения). Наиболее мощными и ценными являются месторождения коры выветривания. Каолин гидротермального генезиса очень редок.

Адсорбционные глины. По минералогическому составу в основном монтмориллонитовые, отличаются повышенной связующей способностью. К этой группе относят бентониты. Среди монтмориллонитовых глин можно различать ряд генетических разновидностей. Наиболее чистые монтмориллонитовые глины образовались в результате перерождения вулканического пепла, которое может быть следствием воздействия гидротермальных растворов на вулканическое стекло или воздействие морской воды на стекло пепла, попавшего в морской бассейн. Выветривание богатых щелочами стекловатых пород также может дать монтмориллонитовые глины; ближе к поверхности монтмориллонит таких глин переходит в каолинит.

Наибольшую практическую ценность имеют чистые монтмориллониты, обладающие наибольшей диспергируемостью, пластичностью и связностью. На связывающую  способность монтмориллонита огромное влияние оказывают обменные основания; особенно важно благоприятное соотношение  содержаний натрия  и кальция. Натровые монтмориллониты более всего  пригодны для изготовления буровых  растворов [10].

По  окраске различают белые, желтые, голубые, красные или бурые, зеленые, черные глины. Цвет глины определяется большим количеством присутствующих в ней солей:

белая глина (каолин)–  чистый, белый безвредный материал.

красный цвет - большое  количество калия, железа;

зеленоватый - медь, двухвалентное железо;

голубая - кобальт, кадмий;

темно-коричневая и  черная - углерод, железо [1].

 

2. Адсорбционные свойства глинистых минералов

 

Адсорбция – самопроизвольный процесс концентрирования вещества на границе раздела двух фаз. Обратный процесс перехода вещества из поверхностного слоя в объёмную фазу называется десорбцией.

Адсорбент – твёрдое или жидкое вещество, на поверхности которого происходит адсорбция. Адсорбат – адсорбирующееся вещество, обычно находящееся в газообразной или жидкой фазе. Растворённых веществ на границах твёрдое тело-жидкость и жидкость-жидкость.

Необходимо особо подчеркнуть, что способность вещества адсорбироваться  на межфазной поверхности – это  не индивидуальное свойство вещества, а его свойство в определённо  гетерогенной системе.

В зависимости от агрегатного  состояния смежных фаз различают  адсорбция: а) газов на твёрдых адсорбентах; б) газов на границе жидкость-газ; в) растворённых веществ на границах твёрдое тело-жидкость и жидкость-жидкость.

По физико-химической классификации  различают физическую (молекулярную) адсорбцию, химическую адсорбцию (хемосорбцию), ионный обмен.

Физическая адсорбция осуществляется за счёт сил Ван-дер-Ваальса (индукционное, ориентационное, дисперсионное взаимодействия) и водородных связей. Энтальпия физической адсорбции близка к энтальпиям сжижения или испарения (-(10-20) кДж/моль). Вследствие экзотермичности физической адсорбции, нагревание, согласно принципу Ле Шателье, приводит к десорбции адсорбата.

При хемосорбции возникает  химическое взаимодействие между адсорбентом  и адсорбатом. Энтальпия и энергия  активации хемосорбции лежат  в характерных для химических реакций пределах: -(40-200) кДж/моль и 20-150 кДж/моль. Физическая адсорбции преобладает  над хемосорбцией обычно при низких температурах. С повышением температуры  скорость хемосорбции значительно  повышается в соответствии с уравнением Аррениуса.

Ионный обмен  – это вид адсорбции с участием ионов. Ионный обмен из растворов наблюдается на поверхностях с достаточно выраженным двойным электрическим слоем (ДЭС), подвижные ионы которого способны обмениваться на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе. Вещества, проявляющие способность к ионном обмену и используемые для адсорбции ионов, получили название ионообменников или ионитов

Количество адсорбируемого вещества i на единицу площади поверхности называется адсорбцией А_i, моль/м². Связь между Г_i  и A_i , имеет вид

Г_I = (A_iS –C_iV)/S = A_i – Ci hs   (1)

Г_i – химический потенциал и поверхностный избыток компонента i в поверхностном слое по сравнению с его равновесным содержанием в объёмной фазе, приходящийся на единицу площади поверхности, моль/м², V – объём, S – межфазовая поверхность, C_i – равновесная концентрация i-го компонента.[4]

При адсорбции из растворов, растворённое вещество и растворитель конкурируют за место на поверхности. Чем лучше вещество растворимо в  данном растворителе, тем хуже оно  адсорбируется. Согласно правилу уравнения  полярности (П. А. Ребиндер, 1936) лучше  адсорбируется вещество, обладающее полярностью, промежуточной между полярностями фаз на границе раздела. Силикаты, глины (полярные адсорбенты), напротив, адсорбируют вещества из неполярных растворителей, например, бензола [4].