Исследование эффективности удаления тяжелых металлов с помощью модифицированных биоадсорбентов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ / APPLIED ECOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 544.723

DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-2-115-119

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УДАЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ МОДИФИЦИРОВАННЫХ БИОАДСОРБЕНТОВ

© С.О. Мамедова

Азербайджанский Государственный университет нефти и промышленности

Исследована эффективность удаления ионов свинца и кадмия в зависимости от ряда технологических факторов протекания процесса адсорбции. Показано, что при использовании адсорбентов, изготовленных на базе измельченных чайных листьев и опилок, модифицированных, соответственно, аминогруппой и метилолом мочевины (ММи), характер зависимости процентного содержания удаленных ионов Pb(II) и Cd(II) от дозы адсорбента, времени контакта, скорости вращения встряхивателя и исходной концентрации ионов практически схожи. При этом зависимость от первых трех факторов носит экстремальный, а от четвертого фактора имеет монотонно растущий экспоненциальный характер.

Ключевые слова: ионы тяжелых металлов, адсорбция, эффективность удаления, модификация, биоадсорбент.

Формат цитирования: Мамедова С.О Исследование эффективности удаления тяжелых металлов с помощью модифицированных биоадсорбентов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 2. С. 115-119. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-2-115-119

EFFECTIVENESS OF HEAVY METALS IONS REMOVAL USING MODIFIED BIOADSORBENTS

© S.O. Mamedova

Azerbaijan State Oil and Industry University

The effectiveness of Pb(II) and Cd(II) ions removal depending on some technological factors of adsorption process is studied. When applying the crushed tea leaves and sawdust based adsorbents modified by amine group and methilol urine respectively, the dependence character of removed Pb(II) and Сd(II) ions percentage from adsorbents dose, contact time, rotation speed of vibrator and initial concentration of ions was practically similar. At the same time the first three factors dependence was found to have an extremum character but the fourth factor an exponential one.

Keywords: ions of heavy metals, adsorption, removal effectiveness, modification, bioadsorbent

For citation: Mamedova S.O. Effectiveness of heavy metals ions removal using modified bioadsorbents // Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no 2, pp. 115-119. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-2-115-119 (in Russian)

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что ионы тяжелых металлов являются одними из опасных загрязнителей, как почвы, так и водной среды. Тяжелые металлы аккумулируются в живых организмах, вызывая острые болезни легких, печени, костей и других органов. Одним из хорошо проверенных методов очистки среды от ионов тяжелых металлов является использование биоадсорбентов, впитывающих в себя ионы тяжелых металлов. Известно, что активированный углерод является очень эффективным, однако

относительно дорогостоящим адсорбентом. По этой причине в настоящее время широко используются различные биоадсорбенты в виде различных сельскохозяйственных биопродуктов, модифицированных с целью повышения их адсорбционной способности.

В статье рассматриваются некоторые химические процессы модификации различных биоадсорбентов и излагаются результаты исследования зависимости эффективности адсорбции в зависимости от различных вспомогательных технологических процедур.

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 6 № 2 2016

Цели данного исследования:

1. Отработка вопросов изготовления адсорбентов на базе измельченных чайных листьев и опилок, модифицированных соответственно аминогруппой и метилолом мочевины.

2. Исследование закономерностей зависимости процентного содержания удаленных ионов РЬ(11) и СЩП) от таких факторов, как доза адсорбента, время контакта, скорость вращения встряхивателя и исходная концентрация ионов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Рассмотрим технологические процессы, необходимые для изготовления модифицированных биоадсорбентов. В работе [2] изложены технологические процедуры изготовления биоадсорбента из опилок (ЭР), модифицированных с помощью монометилола мочевины (ММи). В проводимых исследованиях были использованы выводы и рекомендации, приведенные в работе [2].

Монометилол мочевины был получен путем смешивания мочевины с формальдегидом в соотношении 1:1. При этом протекает реакция

СН20 + н2N - СО - NN2 ^ н2N - СО - ЖСИ2ОН

мми

При про ведении реакци и с помощью трита-ноламина был установлен рН 9, смесь была сохранена в комнатной температуре в течение 24 ч.

Процесс модификации опилок с помощью ММи происходил следующим образом. Опилки весом 6 г были добавлены в различные объемы ММи и цинка хлорида и смешивались в течение 15 мин с помощью механического смесителя. Смесь далее нагревалась в электрической печи в течение 2-х ч при температуре 150 оС. В результате реакции получали вещество, которое экстрагировали в течение 12 ч с помощью смеси этилового спирта С2Н5ОН и воды в соотношении 80 : 20. Затем сырьевой материал высушивался и анализировался на содержание в нем азота.

Приготовление модифицированного адсорбента осуществляется с помощью реакции опилок с ММи, протекающей в течение 2 ч при высокой температуре при катализаторе (2пС!2) при молярном соотношении ММи:БО (1.0 : 4.5), при концентрации катализатора 2,5 ммоль/л., при температуре - 150 оС. Измеренное содержимое азота в ММи-ЭР было равно « 8%.

[н2N - СО - NHCH20Н] + Ж - ОН

мми

^ SD - ОСИ2 - NN - СО - NN2 + И2О ММ- Бй

Для сравнительного исследования эффек-

тивности удаления металлов также были приготовлены модифицированные адсорбенты из чайных листьев. При этом пользовались выводами и рекомендациями, проведенными в работе [3].

Приготовление модифицированного адсорбента происходило в следующем порядке. 100 г чайных листьев были промыты горячей водой и высушены при 80 оС в течение 24 ч. Высушенные чайные листья были измельчены и пропущены через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Далее образец был обуглен с помощью концентрированной серной кислоты. Обугленные частицы были промыты несколько раз дистиллированной водой вплоть до получения нейтральности и были высушены в течение 24 ч в печи при температуре 80 оС. Обугленные и измельченные чайные листья были хлорированы с помощью тионилхлорида (ЭОС!2) в отсутствии пиридина при температуре 0 оС и далее образец был нагрет до 70 оС в течение 90 мин. После этого образец был тщательно промыт дистиллированной водой и высушен. Далее хлорированный образец был перемешен с эти-ленедиамином (Н2Ы(СН2)2ЫН2) и карбонатом натрия Ыа2СО3 при присутствии диметилсуль-фоксида (СН3)2ЭО и был нагрет при 70 оС в течение 6-ти ч. Аминированный адсорбент был промыт используя 0,1 М НС! и далее дистиллированной водой до достижения нейтральности. В конце технологического приготовления адсорбента образец был промыт, высушен в течение 24 ч при температуре 80 оС. Весь технологический цикл приготовления модифицированного биоадсорбента из чайных листьев приведен ниже (ЧЛ - чайный лист)

ЧЛ - ОН + БОС1

2"

пиридин, 700С

ЧЛ - С1 + NH 2 - СН 2 - СН 2 - NН 2

■>ЧЛ - С1 + БО2 + НС1

Ш2СОЪ ,БМ8О,70°С

^ ЧЛ - М - СН 2 - СН 2 - м 2

Растворы, моделирующие среду, загрязненную ионами РЬ(11) и С<(11), были приготовлены следующим образом. Нитрат свинца и хлорид кадмия был растворен в воде в таком соотношении, чтобы получить концентрацию 1000 мгл-1. Изменения концентрации ионов РЬ(11) и С<(11), возникающие из-за адсорбции определялись с помощью УФ-ВИД спектрофотометра типа "8ресог<<М-40". Растворимый комплекс красного цвета был создан с помощью аммиака в щелочной среде. Коэффициент поглощения измерялся при длине волны 530 нм.

Процентное содержание удаленных ионов РЬ(11) измерялось в процентах по формуле

>

ш

0

1

о

S

X _0

ф

с; го ч

<u s i

го

*

ср ф

ч

о О

60 _

50

40 -

30 -

20

10

1

2

3

4

Доза, г

Рис. 1. Влияние дозы адсорбента на процентное содержание удаленных ионов Pb(II) и Cd(II): 1-1 - кривая изменения процента удаленных ионов Pb(II) адсорбентом в виде модифицированных опилок; 1-2 - то же для ионов Cd (II); 2-1 - кривая изменения процента удаленных ионов Pb(II) помощью адсорбента в виде модифицированных чайных листьев;

2-22 - то же для ионов Cd(II)

Pb,% =

Xo - X1

x 100%

где Хо и Х1 - являются начальной и конечной концентрациями Pb(II) в растворе.

Изменения концентрации ионов Cd(II) из-за адсорбции также определялись УФ-ВИД спектро-фотометром"SpecorrdM-40". Фиолетовый цвет раствора был получен с помощью дифенилкар-бозида в кислой среде. Коэффициент поглощения измерялся на длине волны 540 нм. Процентная величина удаленных ионов Cd(II) определяется по формуле

Cd,% =

Yo - Y

1

Y

x 100%

где У0 и У1 - исходные и конечные концентрации ионов Cd(II) в растворе.

Далее были приготовлены растворы ионов тяжелых металлов с концентрациями: 30, 50, 60 и 90 мг^лЛ

pH сохранялся в пределах 4-8. Биоадсорбенты весом 2 г добавлялись в растворы объемом 50 мл. Исследовалось влияние следующих факторов на количество извлеченных ионов тяжелых металлов:

- дозы адсорбента;

- времени контакта;

- скорости вращения;

- исходной концентрации ионов.

Рассмотрим влияние дозы адсорбента на

процентный показатель удаления ионов Pb(II) и

Cd(II). Для изучения указанного влияния дозы биоадсорбентов изменялись в пределах 0,5-4 г. Время контакта было 25 мин. Графики процентной величины удаленных ионов тяжелых металлов приведены на рис. 1.

Исследование влияния времени контакта на процентное содержание удаленных ионов проводилось следующим образом. Были исследованы растворы ионов Pb(II) и Cd(II) с концентрацией 100 мг/л. Время контакта изменялся в пределах 0-90 мин. Соответствующие кривые приведены на рис. 2.

Исследование зависимости процентного содержания удаленных ионов тяжелых металлов от скорости вращения встряхивателя проводилось путем увеличения скорости вращения от 100 до 400 об/мин. Соответствующие графики приведены на рис. 3.

Исследование влияния исходной концентрации ионов тяжелых металлов было проведено в следующем порядке. Концентрация ионов тяжелых металлов Pb(II) и Cd(II) изменялась в пределах (1-10) мг/л, при адсорбенте весом 1 г. Контактное время было равно 25 мин. На рис. 4 приведены графики зависимости процентного содержания удаленных ионов от исходной концентрации ионов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Как видно из графиков, приведенных на рис. 1, при увеличении дозы адсорбента во всех случаях сначала наблюдается рост процентного содержания извлеченных ионов,

в о н о и х ы н н е л

а д

у

е и

анж р

е д

о С

90 -

80 -

70

10

30

50

70

90

Время, мин

Рис. 2. Влияние времени контакта на процентное содержание удаленных ионов. Цифровые обозначения аналогичны обозначениям, приведенным на рис. 1.

2-2 2-1

100

200 300

400

500

600

Скорость вращения, об/мин

Рис. 3. Кривые зависимости процентной величины удаления ионов тяжелых металлов

от скорости вращения. Цифровые обозначения аналогичны обозначениям, приведенным на рис. 1.

однако далее наблюдается спад количества извлеченных ионов. Отметим, что подобное явление спада также обнаружено в работе [1, 2] при удалении ионов С<(||) с помощью модифицированного адсорбента. При исследовании влияния времени контакта этот показатель изменялся в пределах 0-90 мин. Было обнаружено, что после 80-минутного интервала контактного времени происходит уменьшение процентного содержания удаленных ионов РЬ(11) и С<(11). В результате исследования зависимости процентного содержания удаленных ионов от скорости вращения был обнаружен экстремальный характер этой зависимости, т.е. при превышении скорости вращения 450 об/мин

наблюдалось уменьшение обьема удаленных ионов тяжелых металлов. В результате экспериментальных исследований влияния исходной концентрации ионов тяжелых металлов было обнаружено, что изменение удаленного количества ионов происходит по экспоненциальному закону.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, показано, что при использовании адсорбентов, изготовленных на базе измельченных чайных листьев и опилок, модифицированных, соответственно, аминогруппой и метилол мочевины, закономерности зависимости процентного содержания удаленных ионов РЬ(11) и

100

CQ О X О s X -Û X X

CD Ц

<я

CD S

и

CL CD Ч О

О

20

40 60

80

100

120

Концентрация, мг/мл

Рис. 4. Графики зависимости процентного содержания удаленных ионов

от исходной концентрации тяжелых металлов. Цифровые обозначения аналогичны обозначениям, приведенным на рис. 1.

С<(11) от таких факторов как (1) влияние дозы адсорбента; (2) влияние времени контакта; (3) влияние скорости вращения; (4) влияние исходной концентрации ионов практически схожи и суще-

ственные различия отсутствуют. При этом зависимость от факторов (1), (2) и (3) носит экстремальный, а от фактора (4) имеет монотонно растущий экспоненциальный характер.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Argun M.E., Dursun S. Removal of heavy metal using chemically modified adsorbents // Journal of International Environmental Application and Science. Vol. 1 (1-2). P. 27-40 (2006).

2. Hashem A., Adam E., Hussein H.A., Sanousy M.A., Ayoub A. Bioadsorption of Cd(II) from contaminated water on treated sawdust: Adsorption mechanism and optimization // Journal of Water Re-

sources and protection. 2013. № 5. P. 82-90

3. Shrestha B., Kour J., Homagai P.L., Pokhrel M.R., Ghimire K.N. Surface Modification of the Bio-waste for purification of wastewater contaminated with toxic heavy metals-land and cadmium // Advances in Chemical Engineering and Science. 2013. № 3. P.178-184.

REFERENCES

1. Argun M.E., Dursun S. Removal of heavy metal using chemically modified adsorbents. Journal of International Environmental Application and Science, 2006, vol. 1, no. 1-2, pp. 27-40.

2. Hashem A., Adam E., Hussein H.A., Sanousy M.A., Ayoub A. Bioadsorption of Cd(II) from contaminated water on treated sawdust: Adsorption mechanism and optimization. Journal of Water Re-

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Сеадет О. Мамедова

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности Азербайджан, AZ1010, г. Баку, пр. Азадлыг, 20 Диссертант

mamedova-2014-mail.r@mail.ru

sources and protection, 2013, no. 5, pp. 82-90.

3. Shrestha B., Kour J., Homagai P.L., Pokhrel M.R., Ghimire K.N. Surface Modification of the Bio-waste for purification of wastewater contaminated with toxic heavy metals-land and cadmium. Advances in Chemical Engineering and Science, 2013, no. 3, pp. 178-184.

AUTHORS' INDEX Affiliations

Seadet O. Mammedova

Azerbaijan State Oil and Industry University 20, Azadliq Ave., Baku, AZ1010, Azerbaijan Candidate for a degree mamedova-2014-mail.r@mail.ru

Поступила 19.02.2016

Received 19.02.2016

5