где t - время контакта углеродного сорбента с раствором, мин;

Сo - начальная концентрация алюминия в растворе, мг/л;

Сp - конечная концентрация алюминия в растворе, мг/л;

Т - температура, при которой проводится извлечение, К;

8,17 и 3363 - эмпирические постоянные, численно равные константам в уравнении Аррениуса, выражающем зависимость константы скорости реакции от абсолютной температуры.

Уравнение (1) выполняется с точностью до 7% при температуре от 306 до 344 К и отношении Со/Cp от 1 до 200. Указанные граничные условия исследованы ввиду их практической важности.

Характеристическая энергия извлечения алюминия из водных растворов углеродным сорбентом, рассчитанная на основании анализа зависимости скорости извлечения от температуры, составляет 28 кДж/моль и указывает на значительное влияние температуры на скорость процесса. Температурный коэффициент скорости извлечения составляет 1,4, что несколько меньше значений , типичных для химических реакций [5].

На рис.1 представлены абсолютная (а) и относительная (б) изотерма извлечения алюминия из водных растворов углеродным сорбентом Техносорб-1 при температуре 327 К. Величину извлечения алюминия определяли по разности концентраций исходных и равновесных растворов, отнесенных к массе сорбента; степень извлечения алюминия вычисляли по формуле:

где И - степень извлечения, %;

Cо и Сp - соответственно начальная и равновесная концентрации алюминия в исследуемом растворе, мг/л.

Предельная статическая емкость углеродного сорбента Техносорб-1 по алюминию реализуется в области начальных концентраций 100 мг/л и составляет 0,7 мг/г.

Характерной особенностью извлечения алюминия углеродным сорбентом Техносорб-1 является кооперативный эффект коагуляции гидроксида алюминия на поверхности сорбента и в объемной фазе раствора, сопровождающий кажущееся уменьшение величины извлечения в области начальных концентраций более 100 мг/л (рис.1). Максимальный вклад эффекта объемной коагуляции гидроксида алюминия наблюдается в области начальных концентраций от 200 до 300 мг/л.

Поскольку механизм извлечения алюминия из водных растворов углеродным сорбентом Техносорб обусловлен молекулярными реакциями образования и осаждения гидроксида алюминия в щелочной среде, создаваемой поверхностью углеродного сорбента [6], необходим контроль реакции среды. Экспериментальная зависимость степени извлечения (И,%) от pH изоэлектрического состояния сорбента Техносорб в области максимального извлечения имеет вид:

где pH - текущее значение pH изоэлектрического состояния углеродного сорбента в ходе процесса извлечения металла;

8,4 - значение pH изоэлектрического состояния оксида алюминия.

Возможности применения углеродного сорбента Техносорб в процессах водоподготовки однозначно определяются требованиями потребителя к величине конечной концентрации алюминия в очищенной воде. Анализируя зависимость степени извлечения алюминия от начальной концентрации раствора (рис. 1) можно прогнозировать наибольшую эффективность применения углеродного сорбента Техносорб для очистки слабозагрязненных вод с концентрацией алюминия до 50 мг/л, где достигаемая степень его извлечения составляет 95-97 %.

Углеродные сорбенты имеют несколько марок, отличающихся пористостью и топографией поверхности, определяющих их адсорбционную активность [1]. Для обоснования рационального выбора сорбента представляет интерес изучение локализации гидроксида алюминия на поверхности углеродного сорбента.

На рис. 2 показана зависимость удельной поверхности углеродного сорбента от содержания алюминия. Немонотонный характер изменения удельной поверхности сорбента при осаждении на ней гидроксида алюминия объясняется, по-видимому, блокировкой устьев адсорбционно- активных микро- и супермикропор сорбента. Дальнейшее осаждение сорбционных слоев на поверхности мезо- и макропор с образованием "гребенкообразных" полислойных структур приводит к увеличению величины удельной поверхности. Последующее уменьшение удельной поверхности позволяет сделать вывод о преимущественном осаждении гидроксида алюминия в пространстве между образовавшимися "наростами" адсорбата и сглаживании поверхности.

Таким образом, проведенные исследования указывают на эффективность применения синтетического углеродного сорбента Техносорб для сорбционного удаления алюминия из слабозагрязненных алюминием вод в статических условиях и позволяют определить некоторые количественные характеристики извлечения. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для исследования различных аспектов динамического извлечения алюминия и практического создания установок для сорбционной очистки природных и сточных вод.