CC BY
20Questions on optimum utilization of modified bioadsorbents for adsorption of cadmium ions
Section 4. Applied chemistry
Mamedova Seadet Osman gizi, dissertant, Azerbaijan State Oil Academy E-mail: mamedova-2014-mail.r@mail.ru
Questions on optimum utilization of modified bioadsorbents for adsorption of cadmium ions
Abstract: Two modifications of compound additive criteria have been suggested where the first component represents the conditions to reach the maximum quantity of adsorbate in adsorbent, and the second one represents the total expenditure for all adsorption process. It is shown, that the suggested criterion has an extremum property and make it possible to determine the optimum characteristics ofadsorption.
Keywords: adsorption; bioadsorbent; ions; optimization; heavy metals; concentration.
Хорошо известно, что процесс адсорбции ионов тяжелых металлов с помощью адсорбентов характеризуется несколькими функциональными зависимостями, к которым прежде всего относится кривая влияния дозы адсорбента на адсорбционную способность адсорбента. Рассмотрим соответствующую характеристику процесса биоадсорбции кадмия при различных дозах адсорбента, в качестве которого используется отходы растения Tamrix articulate [1] (отметим, что Tamrix articulate является видом сельскохозяйственной продукции, название на русском «тамариск» (рис. 1).
Как видно из кривой, показанной на рис. 1 при увеличении концентрации адсорбента от 0,3 г/л до 0,6 г/л адсорбционная способность ионов кадмия уменьшается 300 I
с
.S
от 208,7 мг/л до 30,6 мг/л. Отметим, что аналогичная характеристика процесса адсорбции также приведена в работе [2], где рассматривается процесс адсорбции ионов Cd (II) с помощью адсорбента SD-MMU при температуре 30 °C. Соответствующая кривая зависимости адсорбционной способности Cd (II) при применении SD-MMU в качестве адсорбента показана на рис. 2, где qe - количество адсорбированного кадмия (мг/г). Согласно [2], уменьшение адсорбционной способности Cd (II) при увеличении концентрации адсорбента в основном происходит из-за чрезмерного накопления частиц адсорбента и процесса состязательного взаимодействия между ионами Cd (II) для выхода на поверхность.
Рис.1. Влияние концентрации адсорбента Cad на биосорбцию ионов кадмия (II) при использовании в качестве адсорбента отходов Tamrix articulata при условиях:
1) концентрация Cad = 400 мг/л;
2) pH = 4; t = 30 °С .
2 3 4
Адсорбент (г/400 ш)
23
Section 4. Applied chemistry
Рис. 2. Влияние концентрации адсорбента Cad на адсорбционную способность qeCd(II) при применении SD - MMU в качестве адсорбента при t = 30 °С , т. е. qe = f (Cad).
Другим важнейшим показателем процесса адсорбции ионов тяжелых металлов является изотермическая характеристика адсорбции. Изотермическая характеристика процесса адсорбции отображает влияние концентрации адсорбата на процесс адсорбции. Существуют несколько видов изотермической характеристики. Ленгмюров-ский подход к изучению зависимости qe от равновесной концентрации адсорбата Се, т. е. qe = ф(Се) отображается следующей зависимостью
(1)
При этом коэффициент KL определяется как
KL dmax ' Ь,
(3)
где qmax - максимальная адсорбционная способность адсорбата, т. е. (qe )max ; b - постоянная Ленгмюра. Заметим, что qmax зависит от типа адсорбента.
Из выражений (2) и (3) получим
de
■ b
- +
■b
■C
de =
KL C
1 + aL 'Ce
или
- +
где KL - постоянная Ленгмюра (1/2); aL - постоянная изотермы Ленгмюра.
Уравнение (1) можно записать в следующей форме
Гп \
V b j
C„,
(4)
(5)
Ce
q
г „ \
К KL J
C
(2)
Как видно из выражения (2) зависимость
C,/q, от Ce является линейной функцией Ce.
Че dmax 'Ь
где п =qjqmax; п - относительная величина адсорбционной способности адсорбата.
Отметим, что существуют ряд факторов, влияющих на процесс адсорбции. К таким факторам можно отнести температуру, концентрацию катализатора, pH. Зависимость qe от pH показана на рис. 3 [2].
1
a
L
1
L
Рис. 3. Зависимость qe от pH для ионов Cd(II) [2] для случая применения SD - MMU
в качестве адсорбента.
24
Questions on optimum utilization of modified bioadsorbents for adsorption of cadmium ions
Целью настоящей статьи является исследование условий оптимизации процесса адсорбции в смысле нахождения оптимальной концентрации адсорбента и оптимальной степени его модификации. Основным отличием проводимой оптимизации является то, что в качестве первого субкритерия оптимизации выбирается произведение
F= f, (я, )• f (с-), (6)
Так, например, в простейшем случае, если
«и II «и (7)
f2 (Cad ) _ Cad (8)
а также, в первом приближении исходя из вида кривых показанных на рис. 1 и 2 приняв гиперболическую зависимость
qe
Cl ,
Cad
где
C7 = const.
Получим
F7 = C1 (мг/л). (9)
Таким образом, в рассматриваемом случае физический смысл F заключается в количестве адсорбированной массы ионов в определенном объеме жидкости, где размещается адсорбент.
Отметим, что субкритерий F7 отличается своей производственной направленностью, так как обусловливает нахождение условий при которых в определенном объеме промышленной установки (ванны, бака или другого сосуда) можно достичь максимального количества адсорбата на поверхности адсорбента.
В случае, если связь между qe и Cad выражает-
ся через функцию
4e = W{Cad ) (10)
то получим
F=f, WC H C )]. (11)
С учетом (7) и (8) получим
F7 =W {Cad ) ‘ Cad . (12)
Вместе с тем производственная направленность критерия F7 не является полной, так как здесь не учитываются расходы на приобретение реактива для модификации адсорбента и самого адсорбента. Следовательно, имеет смысл дополнить субкритерий (12) в виде
FM = W(Cad \ Cad - [«1 -W(Cad ) + «2 ' Cad ] , (13)
где а7 - весовой коэффициент расходов на приобретение реактива для модификации; а2 - весовой коэффициент расходов на приобретение адсорбента.
а7 и а2 являются нормированными, т. е. а1 + а2 =1.
Таким образом, субкритерий
F2 = «1 -W{Caä ) + a2Cad (14)
определяет суммарные расходы на приобретение реактива для модификации и адсорбента. Следовательно,
FM = F1 - F2 , (15)
где желательно достичь максимальной величины F7 и минимальной величины F2 .
Отметим, что можно также предложить квадратичную модификацию F2, т. е.
F2M =[aiV(Cad ) + a2Cad ]' . (16)
В этом случае полный критерий FM приобретает следующий вид
FM.M. =V (Cad ) • Cad -[«1 V (Cad ) + ^2Cad ]' .( 17)
Используя метод производных нетрудно показать, что критерий FM M. приобретает максимальное значение при
Vf(c Caä (1 + 2а -а2)
W[Lad)_ 2 а
(18)
Для апробации предлагаемого критерия (13) были проведены следующие модельные исследования. Условно были приняты следующие значения весовых расходных коэффициентов а7 и а2: а1 = 0,6; а2 = 0,4 .
Для точек A,B,C,D показанных на рис. 1 были вычислены значение критерия Fm , которые в виде функциональной зависимости
Fm = ФС )
показана на рис. 4.
Отметим, что предлагаемая структура оптимизации процесса адсорбции ионов тяжелых металлов (в рассматриваемом случае кадмия) может найти свое прикладное применение в том направлении, что при изготовлении адсорбента будет отсутствовать необходимость достижения приготовления адсорбента с максимальной концентрацией. Например, используя химический модифицированный метод изготовления адсор-
25
Section 4. Applied chemistry
бента в виде тамариска обычно используется малеиновой кислоты. следующая реакция эстерификации с помощью
Рис. 4. Функциональная зависимость FM = ф(СаА).
При обработке Тамериска с помощью малеиновой кислоты количество карбона в нем изменяется от 41,7% до 5,6% и азота от 1,8% до 1,0%.
Увеличение содержания карбона происходит по причине повышения содержания карбоксила. Такая эстерификация сопровождается формиро-
ванием целлюлоз малеата (cellulose maleate), который повышает адсорбцию ионов Cd (II). В табл. приведены данные увеличения адсорбционной способности <\е (мг/г) в зависимости от относительного количества малеиновой кислоты (ммол/г).
Таблица
Maleic Acid (ммол/г) Адсорбционная способность qe (мг/г)
0,0043 195,5
0,0022 137,7
0,0011 88,84
0,0005 53,3
Очевидно, что при обработке адсорбента с по- значение при значительно низких значениях Cad,
мощью малеиновой кислоты введенный в настоя- т. е. отсутствует необходимость приготовления ад-
щей статье критерий (17) достигнет максимальное сорбата с высокой концентрацией.
References:
1. Al Othman Z. A., Hashem A., Habila M. A. Kinetik, Equilibrium and Termodynamic Studies of Cadmium (II) Adsorption by Modified Agricultural wastes//Moleculas 2011, No. 16; P. 10443-10456. doi:10.3390/molecules 161210443.
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 Resources and Protection 2013, No. 5, P. 82-90.
26
