Badanie chłonności sorbentów - Katedra Technologii Chemicznej

Politechnika Gdańska
Wydział Chemiczny
Katedra Technologii Chemicznej
Bezpieczeństwo Środowiskowe:
Badanie chłonności sorbentów
Przygotował:
Dr inż. Andrzej P. Nowak
Część teoretyczna
Sorbenty są to rozdrobnione ciała stałe, których cząstki charakteryzują się dużą powierzchnią i chłonnością. Skutkuje to wykorzystaniem ich przy usuwaniu zanieczyszczeń
powstałych na skutek działalności człowieka. Działanie sorbentu polega na wykorzystaniu
procesów fizycznych takich jak absorpcja i adsorpcja. Absorpcja polega na zatrzymaniu
szkodliwego medium we wnętrzu por substancji wiążącej. Adsorpcja to proces, w którym
medium zatrzymywane jest na powierzchni materiału chłonącego.
W zależności od źródła pochodzenia sorbenty dzielimy na:
1) mineralne
2) organiczne naturalne
3) polimerowe
Sorbenty mineralne należą do grupy sorbentów „sypkich”. Mają one postać małych granulek
o różnej wielkości ziarna. W zależności od wielkości granulatu sorbenty są stosowane do
użytku wewnętrznego (małe ziarna) lub zewnętrznego (duże ziarna). Materiał o gruboziarnisty jest cięższy i bardziej odporny na zjawiska atmosferyczne (np. wiatr). Za małe ziarna
uważa się granule o średnicy od 0,1 do 1 mm. Sorbent o średnicy 1 – 3 mm traktowany jest
jako gruboziarnisty.
Sorbenty mineralne otrzymuje się na drodze rozdrobnienia materiału skalnego i jego
obróbce termicznej. Obróbka termiczna ma na celu zwiększenie powierzchni chłonnej sorbenta. Chłonność sorbentów mineralnych jest w granicach od 30 do 300 %.
Sorbenty organiczne naturalne otrzymuje się z kory drzew, trocin, torfu odpadów przemysłu papierniczego i włókienniczego. Charakteryzują się one chłonnością od 70 do 400%. Z
uwagi na pochodzenie nie stosuje się ich przy usuwaniu agresywnych cieczy jak kwasy, zasady, substancje utleniające. Sorbenty te są z reguły bardzo lekkie co powoduje, że stosowane
są w warunkach bezwietrznych. Ponadto niewielki ciężar sorbenta może wydłużyć czas
wchłania rozlanej cieczy. Aby uniknąć tego problemu stosuje się dociążanie sorbentów.
Sorbenty polimerowe są wykonane z włókniny polipropylenowej, zmielonej i twardej pianki
poliuretanowej. Charakteryzują się bardzo dużą chłonnością ponad 100%. Sorbenty te działają jak chłonne maty, które pochłaniają ciecz całą swoją powierzchnią. W zależności od medium wiążącego dzielą się na:
a) uniwersalne
b) hydrofobowe
2
Sorbenty uniwersalne stosowane są do absorpcji olejów, wody, rozpuszczalników,
chemikaliów, płynów chłodząco-smarujących.
Sorbenty hydrofobowe wykorzystują zjawisko sorpcji wybiórczej przy usuwaniu zanieczyszczeń olejowych i substancji ropopochodnych niezależnie od ich gęstości.
Powierzchnia Ziemi to ponad 510 mln km2, z czego 29,2 % stanowi ląd a 70,8 % woda. Stąd
też jednym z kryteriów podziału sorbentów jest rodzaj obszaru ich działania.
Na obszarze wodnym stosowane są sorbenty hydrofobowe, które chłoną ciecze nie
mieszające się z wodą. Na lądzie stosuje się sorbenty uniwersalne (chłoną wszystkie ciecze),
sorbenty hydrofobowe lub sorbenty chłonące, które bezpiecznie reagują z niektórymi cieczami.
Inny podział sorbentów związany jest z ich gęstością. Sorbenty dzielimy na:
a) lekkie
b) ciężkie.
Sorbenty lekkie to materiały pochodzenia organicznego. Sorbenty ciężkie to najczęściej substancje nieorganiczne pochodzenia mineralnego. Różnica w składzie chemicznym ma wpływ
na reaktywność sorbentów. Sorbenty lekkie ulegają degradacji w reakcjach z silnie działającymi związkami chemicznymi, np. kwasy, zasady, utleniacze itp. Sorbenty ciężkie są natomiast bierne chemicznie. Istną rolę w procesie sorpcji/desorpcji odgrywa budowa strukturalna
sorbenta. Sorbenty lekkie są mniej wytrzymałe mechanicznie i nie zatrzymują zaabsorbowanej cieczy w swojej strukturze. Niewielki nacisk powoduje, że bardzo łatwo oddają one
wchłonięte medium.
Wymagania stawiane sorbentom są następujące:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
ekonomiczny (tani w zakupie i utylizacji),
bierny chemicznie,
antypoślizgowy,
łatwy w zebraniu niezależnie od stosowanego rozlewiska,
o wysokiej chłonności (> 100%),
selektywny w działaniu
lekki (rozlewisko wodne)
ciężki i twardy (rozlewisko lądowe)
niepalny
Kluczowe znaczenie przy wyborze sorbentu ma chłonność oraz koszty utylizacji rozlewiska.
Chłonność mówi o zdolności zebrania cieczy przez 1 kg sorbentu.
3
C=
m
m
cieczy
⋅ 100%
sorbentu
Przykłady usunięcia zanieczyszczenia olejowego sorbentem o różnej chłonności przedstawia
Rys. 1.
10 dm3
zanieczyszczenia
10 dm3
zanieczyszczenia
10 dm3
zanieczyszczenia
10 dm3
zanieczyszczenia
Sorbent
Chłonność 210%
10 kg
Sorbent
Chłonność 150%
10 kg
Sorbent
Chłonność 90%
10 kg
Sorbent
Chłonność 40%
10 kg
Odpad
31 kg
(sorbent + zaniecz.)
Odpad
25 kg
(sorbent + zaniecz.)
Odpad
19 kg
(sorbent + zaniecz.)
Odpad
14 kg
(sorbent + zaniecz.)
Rys. 1. Usuwanie zanieczyszczenia w zależności od chłonności sorbentu.
Ilość usuniętego zanieczyszczenia zależy od chłonności sorbentu. Ma to wpływ na koszta
związane z zakupem sorbentu oraz utylizacją rozlewiska.
Otrzymany odpad należy traktować jako substancję niebezpieczną zgodnie z Ustawą o Odpadach*. Ustawa określa zasady postępowania z odpadami w sposób zapewniający ochronę życia i zdrowia ludzi oraz ochronę środowiska zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju.
*
Dz.U. 2001 Nr 62 poz. 628
4
Ćwiczenie
Celem ćwiczenia jest określenie właściwości sorpcyjnych wybranych materiałów pochodzenia naturalnego i syntetycznego.
Odczynniki i aparatura:
-
siatka na sorbent
sorbent (rodzaj i ilość poda prowadzący)
naczynie z zanieczyszczeniem olejowym
waga szkło laboratoryjne
statyw z „łapą”
Wykonanie ćwiczenia:
1) Zważyć suchą siatkę
2) wyspać do siatki ok 10 g sorbentu (msprzed)
3) zanurzyć siatkę z sorbentem w zlewce z olejem na okres 10 minut
4) umieścić siatkę ponad poziomem oleju i odczekać 30 minut
5) zważyć siatkę z nasączonym sorbentem (mspo)
6) wyniki przedstawić w formie tabelarycznej wraz z wnioskiami końcowymi
Chłonność (C) sorbentu obliczyć z wzoru:
C=
Rodzaj sorbentu
m spo − m
Masa sorbentu
przed nasączaniem
(msprzed)
[g]
m
sprzed
⋅ 100%
sprzed
Masa sorbentu
po nasączeniu
(mspo)
[g]
Masa cieczy
wchłoniętej
przez sorbent
[g]
Chłonność
sorbentu
(C)
[%]
5