CC BY
11
УДК 661.183:633.62
БОТ: 10.15587/2312-8372.2019.155537
РОЗРОБЛЕННЯ СПОСОБУ ОТРИМАННЯ СОРБЕНТУ 13 БАГАСИ СОРГО ЦУКРОВОГО ДЛЯ ЗНЕШКОДЖЕННЯ ГРУНТ1В, ЗАБРУДНЕНИХ 1ОНАМИ ВАЖКИХ МЕТАЛ1В
Григоренко Н. О., Купчик Л. А., Штангеева Н. I.
1. Вступ
Запорукою устшного розвитку краши е збереження та вщновлення довкiлля: грунтiв, повпря, природних джерел води, флори та фауни. Вщомо, що накопичення токсичних важких металiв у грунтах та депресуюча взаемодiя !х з грунтовою мшрофлорою негативно впливае на продуктившсть земельних угiдь та якiсть аграрно! продукцii [1].
Для знешкодження забруднених грунт1в використовують наступнi методи очистки [2-4]:
1. Мехашчний - видалення забрудненого грунту та транспортування його в мюця захоронення. Недолiком методу е те, що забруднюючi речовини просто пере!жджають в iнше мюце, де вони повиннi контролюватись, а при вилученш та транспортуваннi можливе поширення забруднення за рахунок розпилювання грунту. Крiм того, цей метод е дороговартюним.
2. Бiологiчний - вирощування на забруднених грунтах певних рослин (фiторемедiацiя). Цей метод набагато дешевший, але вимагае набагато бшьше часу. Крiм того, рослинна бюмаса, що накопичуе токсикант мае бути утиизована чи захоронена.
3. Адсорбцшний - додавання до грунту хiмiчних речовин, що переводять розчиннi форми забруднювачiв в менш небезпечнi нерозчиннг Цей метод фiксацii та стабшзацп токсикантiв не утворюе вiдходiв i е найбiльш екологiчно прийнятним. Тому в останнш час в деяких публжащях пiдiймаеться питання можливого покращення екологiчного стану та продуктивностi земляних упдь шляхом використання в тш чи iншiй формi сорбентiв рiзного типу [5].
В крашах Захщно! Свропи виготовляються в промислових об'емах i мають дозвiл на використання в сшьському господарствi ряд сорбуючих матерiалiв специфiчноi дii, в основному, на мшеральнш основi [6]. Вiдомi роботи по спiльному використанню мшеральних добрив i цеолiтiв для зменшення переходу важких метаив у рослини [7].
Рашше розроблялись методи фггосорбцп, що базувались на використаннi сорбенлв, мiкробiоти i ряду рослин для очищення грунту вiд радiонуклiдiв [8]. Мiж тим, комплексний пiдхiд, який би включав використання хiмiчно модифшованих сорбентiв для видiлення iз грунту i мiцного фiксування в !х порах iонiв важких металiв (зокрема, кадмш,свинцю та стронцiю) до поточного часу школи не використовувався.
Таким чином, розробка нових сорбцшних технолопчних заходiв та матерiалiв, представляеться актуальною з точки зору збереження довкшля та
розвитку ефективного землеробства, а по сут^ задачею стратепчною, що захищае нащональш iнтереси Укра!ни.
Тому виникае нагальна потреба пошуку та розробки нових шновацшних технологiй по отриманню рослинних сорбенлв, застосування яких у сшьськогосподарському виробництвi суттево зменшить антропогенне навантаження на навколишне природне середовище.
2. Об'ект дослiдження та його технолопчний аудит
Об'ектом дослгджень е промисловi вiдходи рослинно! сировини сорго цукрового (л^ноцелюлозна багаса) та створений на !! основi модифiкований сорбент для очищення грунтiв забруднених iонами важких метаив.
Перспективною сировиною для отримання сорбентiв е знецукрена лiгноцелюлозна багаса стебел сорго цукрового, яка залишаеться тсля отримання цукровмiсного продукту i вихiд яко! складае бiля половини вiд загально! вихщно! маси стебел. Слщ враховувати i економiчну значимють переробляння дешево! вуглецевовмюно! сировини, яка е вщходом виробництва i в подальшому наразi не мае практичного використання. Тому за умов комплексного переробляння бюсировини сорго цукрового у замкнутому цики можна отримати високорентабельне виробництво iз суттевим скороченням витратних матерiалiв. Таке виробництво передбачае отримання iз соку стебел цукровмiсний продукт для харчово! промисловостi, а з вiдходiв виробництва -сорбент еколопчного призначення.
В ходi дослiдження використовували знецукрену подрiбнену лггноцелюлозну багасу (вихщна сировина) та мерсеризовану лггноцелюлозну багасу, яку отримували шляхом хiмiчного модифшування вихщно! сировини.
Технологiчнi параметри л1гноцелюлозно'1 багаси: середнш розмiр часток 58 мм, вмiст вологи 4 %, целюлози 39,2 %, л^ншу 14,4 %.
Одним iз найбшьш проблемних мiсць у технологи харчового цукровмюного продукту iз сорго цукрового е значна ктькють вiдходiв - знецукрено! лтаоцелюлозно! багаси. Цей вщхщ на разi не використовуеться взагаш, або частково використовуеться як паливо. 1ншою проблемою е значне забруднення rрунтiв iонами важких металiв, як можуть мiгрувати у рослинну продукцш.
3. Мета та задачi дослщження
Метою даного дослгдження е розроблення способу хiмiчного переробляння вiдходiв рослинно! сировини сорго цукрового.
Для досягнення поставлено! мети необхщно виконати таю задачг
1. Дослiдити умови проведення процесу мерсеризацп л^ноцелюлозно! багаси сорго цукрового.
2. Визна^ и структурно-порувап та iонообмiннi властивосп вихдно! та мерсеризовано! багаси, а також дослщити морфологiчну та хiмiчну структуру !х поверхнi.
3. Дослiдити сорбцiйно-кiнетичнi властивост вихщно! та мерсеризовано! багаси по вщношенню до iонiв Сё2+, РЬ2+ i Бг2+ .
4. Дослщження кнуючих р1шень проблеми
Вщомо, що найбiльш простими, доступними та ефективними е сорбцшш методи очищення грунтiв, де в якостi сорбенлв використовують дешевi рослиннi вiдходи, що утворюються безпосередньо в умовах сшьськогосподарського виробництва: шроти, лушпиння, висiвки, ошурки [9].
Багатотоннажш промисловi вiдходи бюмаси сорго цукрового також можуть бути використат для отримання на !х основi матерiалiв з високими сорбцшними характеристиками для зв'язування токсичних важких меташв у грунтах [10, 11].
Традицшно технологiя отримання сорбентiв iз рослинно! сировини передбачае окиснення (гiдролiз) рослинного матерiалу пiд дiею сильних мшеральних кислот при високiй температур^ Пiсля кислотно! обробки проводять лужне активування та багаторазове промивання до нейтрально! реакцii промивних вод i т. п. [12]. При такому обробленш вихiд сорбенту становить 20-30 %, в той же час утворюеться значна кiлькiсть продуктiв розкладання i великi об'еми шкiдливих спчних вод, якi забруднюють довкiлля i потребують використання високовартiсного антикорозiйного обладнання.
З урахуванням цього виникае потреба у пошуку менш затратних i екологонебезпечних технологш переробляння рослинних бiополiмерiв з отриманням сорбентiв.
Альтернативним способом одержання сорбентiв може бути обробка лтаоцелюлозних рослинних бiополiмерiв розчином лугу (мерсеризацш) [13]. Даний спосiб досить активно використовуеться для обробки целюлозного волокна хвойних порщ деревини, а також бавовни у паперовш промисловосп [14, 15].
При обробцi вдаодв рослинно!' сировини лугом спостерiгаеться часткова руйнацш молекулярних зв'язкiв мш волокон бiополiмерiв i перехiд у розчин низькомолекулярних фракцiй полiсахаридiв, структурний каркас л^ноцелюлозно! матрицi при цьому збергаеться, а його здатнiсть до набрякання - зростае [16]. Важливою змшою, з точки зору отримання сорбенту, е те, що збертаючи цшсшсть, рослиннi волокна покращують свою структурно-порувату будову за рахунок збтьшення внутршньо!' адсорбцшно!' поверхнi [17,18].
Крiм того, головними перевагами даного способу отримання сорбенту е його нескладшсть у апаратурному оформленш, незначш витрати води i вiдсутнiсть шкiдливих стiчних вод.
Шдсумовуючи вищенаведений аналiз лiтературних джерел, вважаемо, що перспективним напрямком удосконалення технологii виготовлення рослинних сорбентiв е спошб отримання сорбенту для юшв токсичних металiв шляхом мерсеризацii л^ноцелюлозного вiдходу iз сорго цукрового.
5. Методи дослщження
В якосп вихщно! сировини використовували знецукрену повiтряно-суху подрiбнену лiгноцелюлозну багасу сорго цукрового(Sorghum 8асеЬага1ит (Ь.) МоепсИ) з середнiм розмiром частинок 5-8мм i вмiстом вологи 4 %. Вмiст целюлози у вихщнш сировинi сорго цукрового склав 39,2 %, а лiгнiну 14,4 %. Продукт мерсеризовано! лiгноцелюлозноi багаси отримували шляхом хiмiчного модифiкування вихщно! сировини водним розчином гiдроксиду натрш,
KOH^rnpa^ero 120 r/n 3a TeMneparypH 10-15°C, npoiaroM 60 xbhhHh pi3HHx cniBBigHomeHHax TBepgoi $a3H go pigHHH (rigpoMogyni).
npn gocnig;eHm cTpyKiypHO-nopyBamx, cop6^HHHx Ta ioHOoGMirnnx BnacrHBocTen BHxigHOi Ta MogH^iKOBaHoi nirao^nrono3Hoi 6aracH BHKopHcroByBanH aK 3aranbHonpHHHflri, TaK i cne^antm MerogH. TaK, BenHHHHH ciarnHHoi o6MiHHoi eMHocri (COG, Mr-eKB/r) BH3HananH 3rigHO CTaHgapTy 3a BenHHHHoro сop6цii 0,1 H po3HHHy HCl Ta 0,1 H po3HHHy NaOH [19]. Mop^onoriHHy CTpyKTypy 3pa3KiB BHxigHOi Ta MepceprooBaHoi nirao^nrono3Hoi 6aiacn 6yno gocnig;eHO 3a gonoMororo Merogy SEM (Scanning Electron Microscopy) 3a yMOBH nigroTOBKH 3pa3KiB 3rigHO MerogHKH [20]. Mkpo^ororpa^ii gocnig^yBaHHx 3pa3KiB 6ynn 3po6nem Ha eneKipoHHOMy MiKpocKoni JEOL Mogeni JSM-5500LV (Hnoma) 3 gncnepciHHHM eHepreiHHHHM aHani3aiopoM EDS/EDX/EDAX i ESEM.
XiMiHHy cTpyKTypy noBepxHi MepceprooBaHoi 6aracn Ta BH3HaneHHa Ha ii noBepxHi ^yHK^OHantHHx rpyn gocnig;yBanH MeTogoM m^panepBOHoi (M)-cneKTpocKonii Ha cneKTpoMeTpi Nicolet NEXUSFT-IR (CfflA) 3 B6ygoBaHHM npncrpoeM gn^y3Horo Big6nTTa SMART Collector.
Cop6^HHi gocnigH 6ynn npoBegeHi B cTaiHHHHx yMOBax i3 MogentHHx po3HHHiB rpyHTOBHx 3MHBiB 3a6pygHeHHx ioHaMH Ba^KHx MeianiB 3rigHO [21, 22].
BromneHHa кoнцeнIpaцii ioHiB Ba^KHx MeraniB npoBognnH Ha aiOMHO-agcopGuiHHOMy cneKTpoMeTpi KAC-1(SELMA)(YKpaiHa) nicna aтoмiзaцii npo6n B noBiipaHO-aцeтнneнoвoмy nonyM'i. Menog rpyHiyeibca Ha BnacTHBocii aTOMiB y ocHOBHOMy cTaHi nomHHarn cBirno BH3HaneHHx i cnenn^iHHHx gna Ko;^Horo THny aTOMiB goB^HH xBHnt.
6. Pe3y^bTaTH goc^ig^eHb
B gocnig;eHHax 6yno BHKopnciaHO btophhhhh chpobhhhhh pecypc -nirao^nrono3Ha знeцyкpeнa 6araca, aKa 3annmaeTbca nicna OTpHMaHHa цyкpoвмicнoгo npogyKTy. ronoBHHMH cKnagoBHMH KOMnoHeHTaMH 6aracn e ^nrono3a Ta nirHiH, rn,o 3B'a3aHi b 6iononiMepHi KOMnneKcH, KOTpi MaroTb b Heo6po6neHOMy BHrnagi cna6Ki cop6^HHi BnacTHBocii Hepe3 $i6pnnapHy 6ygoBy Ta HH3BKHH BMicT b hhx BintHHx ^yHK^OHantHHx rpyn. 3a yMOB npoBegeHHa пpoцecy Mepceproa^i цнx MaiepianiB noKpa^yeitca ix Mop^onoriHHa cipyKTypa Ta $i3HKO-xiMinm xapaKTepncTHKH.
TaK, b Ta6n. 1 npHBegeHi gaHi, rn,o xapaKTeproyroTb cTpyKTypHO-nopyBari Ta ioHOo6MiHHi BnacTHBocii BHxigHOi Ta MepceprooBaHoi nyroM (кoнцeнтpaцiero 120 r/n) 6aracn (npn pi3HHx rigpoMogynax o6po6KH).
Та6^нцн 1
XapaKTepHcTHKH BnacTHBocien BHxigHOi Ta MepcepH3OBaHoi 6aracn_
rigpoMogynb nHTOMa HacHnHa Bara, r/cM3 CiyniHb HaGpaKaHHa y Bogi, r/r CiaTHHHa oGMiHHa eMHicib no Na+, Mr-eKB/r CiaTHHHa oGMiHHa eMHicib no Cl-, Mr-eKB/r BHxig copGemy, %
BHxigHa Garaca 0,36 4,8 0,45 0,12 -
1:5 0,26 5,9 1,38 0,45 87
1:10 0,16 6,8 1,44 0,38 64
1:20 0,12 12,5 1,65 0,41 59
З отриманих peзyльтaтiв видно, що в процеш мepcepизaцiï cиpoвини чacтинa мaтepiaлy переходить в розчин, питома наодпна вага при цьому змeншyeтьcя в 1,5-2,5 рази. Вихщ готового торбенту cклaдae 60-80 % вiд вихщно!' кiлькocтi cиpoвини та знижyeтьcя лише y випадку викopиcтaння мaкcимaльнoгo пдромодуля.
Результати титрування copбeнтiв з мepcepизoвaнoï бaгacи 0,1 н HCl i 0,1 н NaOH cвiдчaть про доодть виcoкi величини cтaтичнoï обмшно!' eмнocтi як по кaтioнax лужних мeтaлiв, так i по анюнах хлору. Cтaтичнa oбмiннa eмнicть (COG) по катюнах Na+ cклaдae для необроблено!' бaгacи 0,45 мг-eкв/г. Це cвiдчить про наявнють в одровиш протогенних груп, cкopiш за в^ cпиpтoвoгo типу. В peзyльтaтi мepcepизaцiï бaгacи COG мaтepiaлy збiльшyeтьcя як по анюнах Cl-, так i по катюнах Na+. Це cтвopюe передумови для пiдcилeння його copбцiйнoï aктивнocтi в peaкцiяx ioнooбмiннoï та кoмплeкcoyтвopювaльнoï copбцiï багатозарядних кaтioнiв перехщних i важких мeтaлiв, зокрема, i токшчних Cd2+, Pb2+,Sr2+.
Пiдтвepджeнням даних результалв e дocлiджeння, якi характеризують мopфoлoгiчнy cтpyктypy пoвepxнi виxiднoï та мepCepизoвaнoï бaгacи (pиc. 1, 2).
P^. 1. Мiкpoфoтoгpaфiï пoвepxнi вихщно!' бaгacи
Рис. 2. Мжрофотографп поверхш мерсеризовано! багаси
Так, на рис. 1 не спостер!гаеться клгтинна структура матерiалу, вiрогiдно тому, що багаса зазнала попереднього пресування та висушування. На мiкрофотографii видш нитки целюлози та глобули л^ншу, котрi утворюють досить щiльну поруватють, що перешкоджае доступу сорбатiв до поверхневих утворень. На рис. 2 чггко видно рельефнють поверхнi багаси тсля мерсеризацii, що свiдчить про ефектившсть такоi обробки. Можна бачити, що пори мають форму, наближену до цилшдричних та сферичних, проте ак собливють спостерiгаеться не на всш поверхнi зразка. Переважний розмiр пор складае 1018 нм, що за мiжнародною класифiкацiею дозволяе вщнести отриманi сорбенти до класу мезо- i мiкро- поруватих [23].
Таким чином, проведет порiвняльнi мкроскотчт дослщження поверхнi вихiдноi та мерсеризованоi багаси дозволяють побачити змши поверхш мерсеризованоi багаси, що свщчать про ефектившсть модифкування багаси способом лужноi обробки. Збiльшення поруватост та ефективно!' поверхнi контакту мае сприяти шдвищенню адсорбцшних характеристик отриманих сорбенпв.
Х!м!чну структуру поверхш мерсеризовано!' багаси та визначення на и поверхш функцюнальних груп дослщжували методом ГЧ-спектроскопп. Зразок сорбенту зважували, розмшували з порошком КВг у масовому сшввщношенш 1:20 ! перетирали в ступщ до однорщностг Спектри зшмали в д1апазош в!д 400 до 4000 см-1 та розшифровували вщповщно до метода ГЧ-спектроскопп для анал!зу рослинно1' сировини [24]. У вшх спектрах дослщжуваного зразка виявлеш смуги поглинання, що характеризують його загальний х!м!чний склад.
Слщ зазначити, що багатоскладова структура рослинного матер!алу утруднюе анал!з та дае можливють лише ймов!рно встановити основш складов! поверхш мерсеризовано1' багаси, оскшьки област вщбиття ! поглинання можуть накладатися або змщуватися. На рис. Зпредставлена залежшсть вщбиття електрошв (%) в!д величини, що зворотна довжиш хвил! 1/Х (хвильове число).
54
53
52
51
* 50
х л
3500 3000 2500 2000 1500 1000
Хвильовий НОМЕР, СМ'1
Рис. 3. 1Ч-спектральний анал!з зразка мерсеризовано1' багаси
Особливу увагу привертае область деформацшних коливань 1450-1650 см-1, де спостерюаються чотири тки, що свщчать про наявнють на поверхш ароматичних структур. Вони утвореш коливаннями полуторних вуглець-вуглецевих зв'язюв скелету. Якщо розглядати бiльш детально перший тк в областi 1600 см-1, то можна зробити припущення про замщення атомiв ароматичного кшьця. У даному випадку видно, що тк змiщений до областi 1650-1585 см-1, що свщчить про три несиметричт замiщувачi. Це також тдтверджуеться пiком в областi 1525-1475 см-1. Складна картина мае мюце в област нижче 700 см-1. Однак смуга вщбиття поблизу 750 см-1 пщгверджуе наявнiсть замiщувачiв в положент 1,2,4 з одним незамiщеним воднем у положент 3. Вiдбиття в област 1110-1070 см-1 свiдчить про замщення у положеннях 1, 2, 3 i 1, 3, 5.
В област 650-810 см-1 можна визначити наявнють полi циклiчних сполук, проте така штерпретащя буде не зовсш точною через наявнiсть перекриття спектрiв.
Деформацiйнi коливання в област 750-650 см-1 виникають в результат наявностi зв'язаних груп (-ОН) i дають дуже широкi смуги. Вщбиття в областi 1000-1075 см-1 свщчать про замiщення в групi (-ОН). Вщбиття в областi 1180 см-1 зазвичай вщповщае деформацiйним коливанням (-ОН).
Наявнють на поверхт карбоксильних груп (-СООН) вдалося встановити по тку в област 950 см-1, який вщповщае деформацiйним коливанням (-ОН) карбоксильних груп. В област 1400-1440 см-1 спостерюаються валентнi коливання (С-О), що вщповщае карбоксильним групам. Також поблизу 1850 см-1 спостер^аеться пiк, що вщповщае циклiчному ангiдриду, вiн пов'язаний з коливанням карбоншьних груп (С=О). Поглинання в областi 1380 см-1 вщповщае радикалу альдегiдного типу (ЯСОН). Радикалом при цьому може бути i циклiчна сполука. Присутнiсть альдегiдних груп також пiдтверджуеться коливаннями (С-Н) з двома смугами в област 2860-2900 см-1. Шк поглинання в област 1760 см-1 вiдповiдае коливанням групи атомiв (-СООН) в димерних молекулах.
Складна картина спостерюаеться в областi приблизно3000 см-1. Ця смуга дае три i бшьше смуг для циклiчних сполук та !х характеристичних коливань (=С-Н). Присутнють велико! кiлькостi збуджень в обласп 3300-3650 см-1 ускладнюе iнтерпретацiю те! областi, однак можна сказати, що практично вся вона вщповщае коливанням амтв (ЯКН2).
Таким чином, анашз мiкрофотографiй вихiдноi i мерсеризовано! багаси засвщчив, що в результатi хiмiчного модифiкування вихiдноi сировини вiдбуваеться змша структурно-порувато!' будови матерiалу. При цьому, за рахунок часткового гiдролiзу та «розпушування» рослинних волокон багаси i покращення доступу до функцiональних груп, тдвищуеться здатнiсть матерiалу до реакцш приеднання, комплексоутворення та iонного обмшу. В той же час, 1Ч спектральний аналiз дозволив встановити наявнють замщених iонами металiв (здебiльшого натрiем) гiдрофiльних функцiональних груп спиртового та кислотного типу. В матерiалi також виявлет амiногрупи, що свiдчить про присутнють амшокислот в мерсеризованiй багасг
На наступному еташ дослщжували сорбцiйну активнють мерсеризовано! багаси по вiдношенню до юшв Cd2+, Pb2+iSr2+.
Дослщження процесу сорбцп iонiв токсичних важких металiв нативною та мерсеризованою багатою здшснювали в статичних умовах з модельних водних змивiв грунпв, забруднених юнами свинцю, кадмiю та стронцiю. Методика сорбцшних дослiдiв передбачала внесення у модельш розчини (з початковою концентрацию важких металiв у них 5 ммоль/л) наважки сорбентiв 0,5 г та тримання на шейкерi протягом певного промiжку часу за температури 20 °С Пiд час сорбцп через кожш 20 хв. суспензш фтьтрували, в фiльтратi визначали вмют iонiв важких металiв методом атомно-адсорбцшно! спектрометрii. Кiлькiсть сорбцiйно вилучених важких меташв (А, ммоль/г) розраховували за формулою:
(С -С )-У
А = ^-(1)
т-1000
де Со, Ср - концентращя iонiв важкого металу (вихщна i рiвноважна), ммоль/л;
V - об'ем розчину, мл;
т - маса наважки сорбенту, г.
На рис. 4, 5 приведет кшетичш характеристики сорбцшного вилучення юшв важких метаив вихщною та мерсеризованою багасою.
0 20 40 60 80 100
1 шт
Рис. 4. Кшетика сорбцii iонiв важких металiв вихiдною багасою:
♦ - РЬ2+; ■ - Cd2+; ▲ - Sr2+
t, min
Рис. 5. Кшетика сорбцп юшв важких металiв мерсеризованою багасою:
♦ - Pb2+; ■ - Cd2+; ▲ - Sr2+
1з отриманих кiнетичних кривих для вихщно! багаси (рис. 4) видно, що
сорбцiйна рiвновага в системi настае протягом 60-80 хв. При цьому
2+
максимальна сорбцiйна емнiсть складае по Pb приблизно 0,85 ммоль/г, по Cd2+ - 0,37 ммоль/г та по Sr2+ 20 м "ль. Цi данi свiдчать про те, що нативна багаса мае невисою сорбцшно-кшетичш властивостi.
Дослiдження кшетичних властивостей мерсеризовано! багаси при сорбцп iонiв важких металiв з грунтових змивiв (рис. 5) показали, що сорбцшна рiвновага настае приблизно вдвiчi швидше, а максимальнi величини сорбцп збiльшуються в 2-3 рази. Результати цих дослщв свiдчать про те, що мерсеризащя багаси суттево змшюе склад функцiональних груп та юнообмш властивостi поверхнi одержаних зразкiв, впливаючи таким чином на !х сорбцшну здатнiсть. Сорбенти, одержанi шляхом мерсеризацп багаси, мають бiльш високу сорбцшну емнють по вiдношенню до юшв важких метаив порiвняно з необробленою багасою.
Проведенi дослiдження виявили, що юнуюча проблема забруднених грунтiв в Укра!ш iснуе. Хiмiчнi забруднювачi можуть зберюатись у грунтi довгi роки i, включаючись до екологiчних ланцюпв, зумовлювати тривалу дiю токсикантiв. За даними Нацiонального наукового центру «1нституту землеробства НААН» (смт Чабани, Ки!вська обл., Укра!на) нинi близько 20 % територп Укра!ни забруднено важкими металами [25].
Дану проблему можна частково вирiшити, використовуючи для знешкодження грунтiв розробленi сорбенти. Результати дослщно-лабораторних випробувань сорбенту, створеного шляхом мерсеризацп лшноцелюлозно! багаси сорго цукрового свщчать, що його кiнетичнi властивостi збшьшуються у 2-3 рази у порiвняннi з вихiдною багасою. Крiм того, отримаш кiлькiснi характеристики сорбцп юшв Cd2+, Pb2+ i Sr2+зi складних грунтових витяжок
створюють умови. А також вщкривають HOBi можливостi для цiлеспрямованого використання мерсеризовано! багаси для сорбцiйного зв'язування i мiцного фiксування у !! порах юшв важких метаив.
7. SWOT-аналiз результатiв досл1джень
Strengths. Позитивна дiя дослiдження полягае в розробцi ефективного i економiчно доцiльного технологiчного процесу одержання сорбенту шляхом хiмiчного модифшування лiгноцелюлозного вiдходу (багаси). Одержаний результат випдно вiдрiзняеться вiд аналогiв за структурно--поруватими характеристиками, кiлькiстю поверхневих функцюнальних груп та забезпечуе високий вихщ готового продукту.
Weaknesses. Слабю сторони даного дослiдження пов'язанi з тим, що запропонованi рiшення апробоваш лише на модельних розчинах грунпв, забруднених iонами свинцю, кадмiю та стронцш. За умов застосування розробленого сорбенту у промислових масштабах, його сорбцшш властивост можуть змiнюватись. Оскшьки, в разi застосування сорбенту у промислових умовах виникае вплив додаткових факторiв на процес сорбцп, а саме грунтово-киматичш умови проведення процесу знешкодження грунтiв, витрати та умови внесення сорбуючого елементу, тощо. Тому, всi цi чинники потребують проведення подальших практичних дослiджень в агропромисловосп, задля знешкодження грунтiв вщ iонiв важких металiв, покращення !х продуктивностi та розвитку ефективного землеробства.
Opportunities. Отриманi позитивнi результати дп мерсеризовано! багаси утворювати нерозчинш комплекснi сполуки з iонами важких меташв, дають пiдстави для подальшого практичного !х використання в якост сорбенту для знешкодження грунтiв вщ забруднювачiв.
Подальшi дослiдження за даним напрямком необхщно спрямувати на вивчення питання ефективност дi! отриманого сорбенту за рiзних умов i витрат в промислових технологiчних умовах на дтянках забруднених грун^в. А також на розроблення нормативно! документацi! щодо технологi! виробництва сорбенту iз лкноцелюлозно!багаси сорго цукрового та застосування його в агротехнологтях.
Threats. В умовах сьогодення, кра!на мае достатнiй техшчний та технологiчний потенцiал для виробництва широкого спектру сорбенлв промислового, еколопчного та медичного призначення iз лшноцелюлозних вiдходiв. Це могло би не тшьки наповнити !! внутрiшнiй ринок, а й експортувати сорбцшш матерши за кордон.
Однак, виробництво сорбцшного матерiалу iз лiгноцелюлозних вiдходiв сорго цукрового зараз ускладняеться, через вщсутнють належного вiтчизняного обладнання для отримання даного продукту. Iснуючi закордоннi зразки обладнання вщзначаються високою вартiстю, що вщповщно негативно вплине на зростання вартiсно! складово! кiнцевого продукту.
Тому подальшi дослiдження будуть спрямованi на пiдбiр, а по можливостi i розробцi технологiчного обладнання для лшп по переробцi лiгноцелюлозно! багаси iз сорго цукрового з отриманням модифшованого сорбенту для очищення грунтiв вщ iонiв важких металiв.
8. Висновки
1. Отримано за представленим у робот способом сорбент для знешкодження rpyHTÏB вiд iонiв важких метаив i встановлено оптимальнi умови проведення процесу його виготовлення. Ц умови полягають у обробцi люноцелюлозних рослинних вiдходiв сорго цукрового розчином пдроксиду натрiю концентрашею 120 г/л лугу за температури 10-15 °С та сшввщношенш твердо! фази до рщини (гiдромодyлi) 1:10.
2. В результат дослiджень мiкрофотографiй вихiдноï i мерсеризовано! багаси виявлено, що хiмiчне модифiкyвання сировини призводить до змши структурно-порувато! будови матерiалy. Це вщбуваеться за рахунок часткового гiдролiзy та «розпушування» рослинних волокон багаси i покращення доступу до фyнкцiональних груп, як здатнi до реакцiй приеднання, комплексоутворення та iонного обмiнy. На основi 1Ч-спектрального аналiзy встановлено наявнють замiщених iонами металiв (здебiльшого на^ем) гiдрофiльних фyнкцiональних груп спиртового та кислотного типу.
3. За результатами до^джень вихщно! та мерсеризовано! багаси встановлено, що сорбцшно-кшетичш властивост до юшв важких меташв -Cd2+, Pb2+ i Sr2+y мерсеризовано! багаси збшьшуютьсяв 2-3 рази у порiвняннi з необробленою багасою.
Отриманi результати, з урахуванням доступност сировинного ресурсу та задля комплексного його переробляння, дозволять обгрунтовано тдходити до вирiшення конкретних практичних задач, пов'язаних з розробкою модифшованих сорбентiв. А також !х використання в якост грунтових добавок для знешкодження забруднених грунтв вiд токсичних важких метаивта для унеможливлення подальшо! мiграцiï важких металiв в рослинну продукцш.
Лiтература
1. Васильев А. Современные подходы к решению проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000. №2 5. C. 47-52.
2. Еллю Д. I. 1нтегроваш шженерш та наyковi методи переробки забруднених грунлв // Хiмiя в iнтересах сталого розвитку. 2008. № 2. C. 285.
3. Application of Phytotechnologies for Cleanup of Industrial, Agricultural and Waste Water Contamination / ed. by Kulakow P. A., Pidlisnyuk V. V. Dordrecht: Vetlag: Springer, 2010. 196 p. doi: http://doi.org/10.1007/978-90-481-3592-9
4. Phytoremediation, a sustainable remediation technology? Conclusions from a case study. I: Energy production and carbon dioxide abatement / Witters N. et. al. // Biomass and Bioenergy. 2012. Vol. 39. P. 454-469. doi: http://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.08.016
5. Yakovishina T. F. Ecological estimation of the sorbent-meliorate influence to the fertility agrochemical indexes by the detox cation of the heavy metals in the soil // Ekolohiia i pryrodokorystuvannia. 2008. Issue 11. P. 153-158. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/14402
6. Slizovskiy I. B., Kelsey J. W., Hatzinger P. B. Surfactant-facilitated remediation of metal-contaminated soils: Efficacy and toxicological consequences to earthworms // Environmental Toxicology and Chemistry. 2010. Vol. 30, Issue 1. P. 112123. doi: http://doi.org/10.1002/etc.357
7. Inventory of heavy metal content in organic waste applied as fertilizer in agriculture: evaluating the risk of transfer into the food chain / Lopes C. et. al. // Environmental Science and Pollution Research. 2011. Vol. 18, Issue 6. P. 918-939. doi: http://doi.org/10.1007/s11356-011-0444-1
8. Хохлов А. В., Хохлова Л. И, Бреус И. П. Перспективы использования иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов для очистки экосистем от ксенобиотиков // Гигиена и санитария. 2009. № 5. С. 91-96.
9. Беляев Е. Ю., Беляева Л. Е. Использование растительного сырья в решении проблем защиты окружающей среды // Химия в интересах устойчивого развития. 2000. № 8. C. 763-772.
10. Григоренко Н. О., Штангеева Н. I., Купчик Л. А. Переробка вiдходiв цукрового сорго (багаси) з метою отримання сорбеплв // Цукор Укра!ни. 2017. № 3. C. 33-36.
11. Григоренко Н. О., Купчик Л. А., Денисович В. О. Вилучення юшв мщ ллшфкованою багасою iз водних витяжок грунт // Наукв доповщ НУБ1П Украши. 2018. № 2 (72). URL: http://journals.nubip.edu.ua/index.php/Dopovidi/article/view/10638/9355
12. Картель Н. Т., Купчик Л. А., Николайчук А. А. Синтез и свойства биосорбентов, полученных на основецеллюлозно-лигнинового растительного сырья - отходов агропромышленного комплекса // Сорбционные и хроматографические процессы. 2007. Т. 7, Вып. 3. С. 489-498.
13. Роговин З. А. Химия целлюлозы. М.: Химия, 1972. 520 с.
14. Смолин А. С., Дубовый В. К., Комаров Д. Ю., Канарский А. В. Пенный способ формования фильтровальной бумаги на целлюлозной основе // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, № 15. С. 86-88.
15. Дубовой Е. В., Ковернинский И. Н., Смолин А. С., Канарский А. В. Адгезионные свойства стеклянного волокна и повышение прочности бумаги добавкой мерсеризованной целлюлозы // Вестник Технологического университета. 2017. Т. 20, № 12. С. 53-55.
16. Азаров В. И., Буров А. В., Оболенская А. В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб, 1999. 627 с.
17. Effect of Cellulose Pulp Type on the Mercerizing Behavior and Physical Properties of Lyocell Fibers / Chae D. W. et. al. // Textile Research Journal. 2003. Vol. 73, Issue 6. P. 541-545. doi: http://doi.org/10.1177/004051750307300613
18. Wang J., Chen C. Biosorbents for heavy metals removal and their future // Biotechnology Advances. 2009. Vol. 27, Issue 2. P. 195-226. doi: http://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.11.002
19. ГОСТ 20255.1-89. Иониты. Методы определения статической обменной емкости. Введен 1991-01-01. Москва: Изд-во стандартов, 2002. 5 с.
20. Кларк Е., Еберхард К. Микроскопические методы исследования материалов. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2007. С. 326-339.
21. ДСТУ 4287:2004. Яюсть грунту. Вщбирання проб. Чинний вщ 2004-0430. Ки!в: Держспоживстандарт Укра!ни, 2004. 9 с.
22. ДСТУ 4770.1:2007. Яюсть грунту. Визначення вмюту рухомих сполук марганцю (цинку, кадмш, заиза, кобальту, мщ, шкелю, хрому, свинцю) в грунт в буфернш амоншно-ацетатнш витяжш з рН 4,8 методом атомно-
абсорбцшно! спектрофотометрп.Чинний вiд 2009-01-01. Кшв: Держспоживстандарт Украши, 2007. 18 с.
23. Perovskites. Structure, Properties and Uses / ed. Borowski M. New York: Nova Science Publishers, 2011. 586 p.
24. Седин А. В., Орловская Т. В., Гаврилин М. В. Использование метода ИК-спектроскопии для анализа растительного сырья // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. С. 45-49.
25. Важк метали: надходження в грунти, транс локащя у рослинах та еколопчна безпека / Гришко В. М., Сищиков Д. В., Пюкова О. М. та ш. Донецьк: Донбас, 2012. 304 с.
