ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЧИСТИХ І КОМПОЗИТНИХ ФЕРИТІВ Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 66.03

DOI: 10.15587/2313-8416.2019.180982

ДОСЛ1ДЖЕННЯ АДСОРБЦ1ЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЧИСТИХ I КОМПОЗИТНИХ ФЕРИТ1В

Н. В. Куцан, В. С. Возняк, I. М. ¡ваненко

У cmammi представлен результати експериментального до^дження адсорбцтних властивостей но-вих сорбцшних матерiалiв - чистих i композитних ткелевих феритiв, по вiдношенню до барвниюв анюн-но'1 та катюнно! природи. Зразки чистих феритiв та iх композитiв з активним вугшлям були синтезо-ван методом спiвосадження. Вивчалась ктетика адсорбцшного процесу, розраховувались значення пи-томо'1 та гранично'1 адсорбцИ за р1зних вихiдних концентрацш та тривалостi процесу Ключовi слова: адсорбцшн властивостi, ферити, синтез сорбентiв, ктетика адсобрцшного процесу, адсорбцшна емтсть

Copyright © 2019, N. Kutsan, V. Woznyak, I. Ivanenko. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.Org/licenses/by/4.0).

1. Вступ

Велика кшьшсть неоргашчних i оргашчних вь дходiв, що утворюються в результата життедгяльносп людини, приводить до значних забруднень водойм, яш згубно впливають на здоров'я уах живих оргашз-мiв. Забруднення води в даний час е одшею з най-бшьш серйозних екологiчних проблем, яш перешко-джають розвитку суспшьства. Зокрема, кольоровi забруднення викликають стурбованiсть у науковцiв через токсичний вплив забарвлюючих речовин. Наяв-нiсть органiчних барвникiв у спчних водах зумовле-на !х широким застосуванням в таких галузях, як текстильна, паперова, полiграфiчна, фармацевтична промисловiсть, шкiряна, косметична, пластикова та iншi напрямки дiяльностi, якi е основними джерела-ми промислових спчних вод. Кiлькiсть стiчних вод, забруднених барвниками, надзвичайно велика. Як правило, об'ем, що потрапляе у слчш води з кожно! стадii текстильно! операци складае приблизно 50 дм3/кг продукту [1]. Крiм того, барвники не птдя-ються бiологiчному розкладанню, вони залишаються стабiльними в рiзних умовах завдяки синтетичному походженню i складнiй ароматичнiй структурi. У зв'язку iз цим пошук та розробка нових, бшьш ефек-тивних методiв видалення барвникiв зi стiчних вод перед !х скиданням е актуальною практичною задачею.

2. Л^ературний огляд

Наразi iснуе багато методiв очищення стiчних вод вiд барвнишв, включаючи:

- фотокаталiтичну деградацш [2];

- коагуляцiю [3];

- електрохiмiчнi процеси [4];

- хiмiчне окиснення [5];

- мембранну фшьтрацш [6];

- бiологiчне очищення [7];

- адсорбцш [8].

Серед перерахованих методiв очищення слч-них вод ввд барвникiв широко використовуеться адсорбция завдяки сво!й простотi, високш ефективностi та економiчностi. У якосл адсорбентiв застосовують рiзнi матерiали, яш на належному рiвнi знебарвлю-ють спчш води, а саме: активоване вугiлля, каолiн, глина, вiдпрацьованi юнгги, тощо.

Так, наприклад, авторами роботи [9] отримано порошки феритiв загально! формули №Сг^е2-х04 та проведено дослщження !х сорбцiйних характеристик, експериментально встановлено величини питомо! площi поверхш. Автори роботи [10] проводили дос-лiдження адсорбцiйноi' активностi феритiв по вщно-шенню до барвника конго червоного, в залежносп вiд тривалосл взаемодii та вiд початково! концентра-цii барвника.

У зв'язку iз цим, вивчення адсорбцiйних властивостей нового класу сорбцшних матерiалiв - шке-левих феритiв та !х композитiв, е актуальною задачею, що зумовлена наявшстю !х високо! адсорбцшно! емностi та значно! намагшченосп водночас. Це ро-бить ферити перспективним адсорбцшним магшто-вiддiляемим матерiалом.

3. Мета i задачi дослщження

Мета дослiдження - синтезувати чисп ферити та !х композити з активним вугшлям та дослiдити !х адсорбцiйнi властивостi по вiдношенню до барвнишв анiонного та катiонного тишв.

Для досягнення поставлено! мети вирiшува-лись наступнi задачi:

1. Методом сшвосадження синтезувати зразки чистих ферилв та !х композитiв з активним вугшлям.

2. Розрахувати значения гранично! i питомо! адсорбцi! та провести критичний аналiз адсорбцiйно! активностi синтезованих та дослiджуваиих зразкiв.

3. Вивчити шнетику процесiв адсорбцiйного вилучення барвнишв катiонного та анiонного типiв синтезованими зразками.

4. Матерiали та методи

Усi хтшчт речовини, що застосовували в роботг нiтрат нiкелю (Ni(NO3)2), нiтрат залза (III) (Ре(К03)3), цитратна кислота ((НООССН2)2С(ОН)СООН) та гтдрок-сид амонiю (ЧН40Н 25 %) мали аиалiтичиу якють та використовувались без подальшого очищення.

4.1 Синтез сорбентiв

Синтез чистого шкелевого фериту Б проводили методом сшвосадження нпрапв нiкелю (II) та залiза (III) з молярним стввщношениям [Ni2+]/[Fe3+]=1/2, якi повнiстю розчиняли в дистильоваиiй водi i додавали

стввщношениям катiонiв Ме/цитратна кислота = 1/1. Поим до отриманого розчину додавали розчин гщрок-сидамонiю (концентраци 25 % мас) для отримання рН~7 (розчин А). Сумiш повшьно упарювали при постшному перемiшуваннi за температури 80 °С до утво-рення гелю. Отриманий гель висушували за темпера-тури 230 °С протягом 3 годин до утворения ксерогелю, який потiм прожарювали за температури 400 °С упро-довж 2 годин у повпряному середовищi.

Синтез чистого шкелевого фериту Б' проводили методом сшвосадження з горшням [11]. Для цього розчин А пов№но упарювали при постшному пере-мшуванш за температури 80 °С до утворения гелю i продовжували цей процес до утворення ксерогелю. Отриманий ксерогель висушували за температури 230 °С протягом 3 годин, а попм прожарювали при 400 °С упродовж 2 годин у повпряному середовищi (рис. 1).

Синтез композитного шкелевого фериту С проводили методом сшвосадження з горшням. До розчину А додавали активоване вуплля марки №гк, у сшввшношенш 6/4 (розчин А/активоване вугшля) та повiльно упарювали при постшному перемшу-ваннi за температури 80 °С до утворения гелю i про-довжували цей процес до утворення ксерогелю. Отриманий ксерогель прожарювали при 400 °С про-тягом 2 годин у повпряному середовищi.

Синтез композитного шкелевого фериту С'

його у розчин цитратно! кислоти iз розрахунковим проводили методом спiвосадження з горшням.

s/

Рис. 1. Схема синтезу ферипв F та F'

УПАРЮВАННЯ

ПРОЖАРЮВАННЯ

Рис. 2. Схема синтезу композитних ферипв С та С'

Розчин А повшьно упарювали при постшному перемшувант за температури 80 °С до утворення гелю i продовжували цей процес до утворення ксерогелю. I тiльки тсля цього до отриманого ксерогелю додавали активоване вугшля марки Norit, у стввщношенш 6/4 (розчин А/активоване вугшля) та прожарювали при 400 °С протягом 2 годин у повпряному середовищi (рис. 2).

5. Результати дослвдження та ïx обговорення

5.1 Визначення адсорбцшно'1 смносл дослЬ джуваних сорбенив вiдносно барвникiв

Адсорбцiйну актившсть синтезованих сорбентiв вивчали за адсорбщею барвниюв метилового синього та конго червоного з модельних водних розчитв трьох рiз-них вихщних концентрацш: 0=5, 10 та 20 мг/дм3, об'ем (У, см3) яких складав 25 см3 в кожному експерименп. Маса (m, г) адсорбенту в кожному дослда становила 0,1 г. Вщдшення сорбенту вiд розчину проводили центри-фугуванням з наступною магнiтною сепарацieю, пiсля чого встановлювали залишкову концентрацiю барвника (С3, мг/дм3) фотоколориметричним методом. Адсорб-цiйну емшсть (Г, мг/г) розраховували за формулою:

Г =

(C0 -C3уу

Результати цього дослiдження представлен на рис. 3, на якому видно, що адсорбцiйна eмнiсть чис-тих нiкелевих феритiв по вщношенню до метилено-вого синього е досить низькою. Але для композитних шкелевих феритiв показник адсорбцшно! емносп е значно вищим, особливо для зразка С'. Це поясню-еться бiльш розвиненою питомою площею поверхш композитного фериту, до складу якого входить акти-вне вугiлля.

З рис. 4 видно, що адсорбцшна емнiсть чистих шкелевих ферипв по вiдношенню до конго червоного вища, шж в попередньому випадку. Це пояснюеть-ся наявнiстю фенольних функцiональних груп на по-верхиi фериту, яш являють собою катiонообмiннi центри, що сприяють приеднанню катiона барвника за юнообмшним механiзмом.

Для композитного шкелевого фериту С' показник адсорбцшно! емност також сягае високого значения, але це ввдбуваеться завдяки розвиненш питомiй площi поверхнi композитного фериту, до складу якого входить активоване вугшля. Адсорбцшна емшсть зразку композитного шкелевого фериту С по ввдношенню до конго червоного мае ну-льовий показник.

m

Рис. 3. Адсорбцшна емнють дослщжуваних сорбентiв вiдносно метилового синього Г, мг/г 5

4

F' iC

С'

10

С0, мг/дм3

20

Рис. 4. Адсорбцшна емнють дослвджуваних сорбенлв ввдносно конго червоного

5.2 Визначення кшетики адсорбцiйного ви-лучення барвникш

Ступiнь адсорбцiйного вилучення метилового синього та конго червоного дослвджували в модельному процесi адсорбцп протягом 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90 та 120 хвилин з водних розчишв початково! кон-центрацп С0=5 мг/дм3, об'ем яких складав 25 см3 (V, см3) в кожному експерименл. Маса адсорбенту (т, г) в кожному дослщ становила 0,1 г. Стушнь адсорбцп (а, %) розраховували за вщповвдною формулою:

f С - С ^ С0

•100.

Як показано на рис. 5, адсорбцшна емнють обох дослщжених феритiв, по вiдношенню до метилового синього, практично вщсутня i нiяк не зростае зi збшьшенням тривалостi контакту. По ввдношенню до конго червоного обидва ферити проявляють висо-ку адсорбцiйну здатнiсть, яка збiльшуеться ввд 43 до 84 % для F та вiд 38 до 80 % при збшьшенш контакту ввд 5 до 120 хвилин. Таким чином, адсорбцшна здат-нють чистих феритiв по вiдношенню до анюнного барвника е значно вищою i суттево залежить вiд три-валостi процесу адсорбцп.

3

F

2

1

0

а =

60 90 t, XB а

120 150

■кч F' мс F'

60 90 120 ISO T, ХВ

б

Рис. 5. Кшетика адсорбцшного вилучення метилового синього та конго червоного чистими феритами:

а - F; б - F'

У випадку композитного фериту С, ситуащя виглядае дещо шакше: конго червоний не адсорбу-еться взагалi, але гарно адсорбуеться метиловий си-нiй. Однак, його адсорбщя майже не залежить вiд тривалосп контакту, як це видно на рис. 6. Компози-

тний ферит С' мае дещо ввдмшш адсорбцшш власти-востi. Метиловий синiй сорбуеться майже повшстю, незалежно вiд тривалосп адсорбцп, а конго червоний адсорбуеться, в середньому, на 75 %, незалежно вщ часу.

100

so 60 40 20 0

■кч С мс С

♦ ♦ ♦ ♦ ♦

30

60 90 Х- хв а

120 150

80 60 10

20 О

•кч С' мс С'

30

60 90 Т. ХВ

б

120 150

Рис. 6. Кшетика адсорбцшного вилучення метилового синього та конго червоного композитними феритами:

а - С; б - С'

Представлеш експериментальш результати яс-краво iлюструють високу адсорбцшну емнють чистих ферипв по ввдношенню до барвника анюнно! приро-ди i не виявляють нiякоï спорвдненосп до катюнного барвника метилового синього.

Бшьш перспективним адсорбцшним матерiа-лом е композитнi ферити, причому композит синте-зований за другою методикою - ствосадження з го-рiнням, е бiльш ефективним: вiн майже повнiстю ви-даляе метиловий синш та на 75 % конго червоний.

6. Висновки

1. За допомогою методу сшвосадження синте-зували чотири види сорбенту: два зразки чистих нi-

келевих ферипв та два зразки гх композитiв з актив-ним вугiллям.

2. Розрахували значення гранично! адсорбцп за трьох рiзних вихiдних концентрацш, як1 продемо-нстрували високу адсорбцшну емшсть композитного фериту С' по вщношенню до обох барвникiв.

3. Вивчили кiнетику процесiв адсорбцiйного вилучення барвнишв катiонного та анiонного тишв синтезованими зразками.

Результати дослiдження показали, що барв-ник анiонно! природи - конго червоний, краще ви-даляеться чистими феритами F та F', а барвник катюнно! природи - композитними феритами С та С'.

^iTepaTypa

1. Vakili, M., Rafatullah, M., Salamatinia, B., Abdullah, A. Z., Ibrahim, M. H., Tan, K. B. et. al. (2014). Application of chitosan and its derivatives as adsorbents for dye removal from water and wastewater: A review. Carbohydrate Polymers, 113, 115— 130. doi: http://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.07.007

2. Vaiano, V., Iervolino, G., Sannino, D., Murcia, J. J., Hidalgo, M. C., Ciambelli, P., Navio, J. A. (2016). Photocatalytic removal of patent blue V dye on Au-TiO 2 and Pt-TiO 2 catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 188, 134-146. doi: http://doi.org/10.1016Zj.apcatb.2016.02.001

3. Li, H., Liu, S., Zhao, J., Feng, N. (2016). Removal of reactive dyes from wastewater assisted with kaolin clay by magnesium hydroxide coagulation process. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 494, 222-227. doi: http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.01.048

4. Yahiaoui, I., Aissani-Benissad, F., Fourcade, F., Amrane, A. (2015). Enhancement of the biodegradability of a mixture of dyes (methylene blue and basic yellow 28) using the electrochemical process on a glassy carbon electrode. Desalination and Water Treatment, 57 (26), 12316-12323. doi: http://doi.org/10.1080/19443994.2015.1046944

5. Venkatesh, S., Quaff, A. R., Pandey, N. D., Venkatesh, K. (2014). Decolorization and mineralization of C.I. direct red 28 azo dye by ozonation. Desalination and Water Treatment, 57 (9), 4135-4145. doi: http://doi.org/10.1080/19443994.2014.992047

6. Guo, J., Zhang, Q., Cai, Z., Zhao, K. (2016). Preparation and dye filtration property of electrospun polyhydroxybutyrate-calcium alginate/carbon nanotubes composite nanofibrous filtration membrane. Separation and Purification Technology, 161, 69-79. doi: http://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.01.036

7. Zou, H., Ma, W., Wang, Y. (2015). A novel process of dye wastewater treatment by linking advanced chemical oxidation with biological oxidation. Archives of Environmental Protection, 41 (4), 33-39. doi: http://doi.org/10.1515/aep-2015-0037

8. Makarchuk, O. V., Dontsova, T. A., Astrelin, I. M. (2016). Magnetic Nanocomposites as Efficient Sorption Materials for Removing Dyes from Aqueous Solutions. Nanoscale Research Letters, 11 (1). doi: http://doi.org/10.1186/s11671-016-1364-2

9. Бушкова, В. С., Яремий, И. П., Лисовский, Р. П., Карпик, Б. В. (2017). Структура и сорбционные характеристики порошков ферритов NiCrxFe2 - xO4. Журнал нано- и електронной физики, 9 (2). doi: http://doi.org/10.21272/jnep.9(2).02011

10. Куцан, Н. В., 1ваненко, I. М. (2019). Адсорбцшш властивоста ферипв. Вода в харчовш промисловосп. Одеса, 59.

11. Лесж, С. М., Возняк, В. С., 1ваненко, I. М., Астрелш, I. М. (2019). Пат. № 136147 UA. Споиб одержання магшт-них шкелевих феритш ствосадженням з горшням. МПК: (2019.01) С0Ш 53/00. № u 201900935; заявл.: 30.01.2019; опубл.: 12.08.2019, Бюл. № 15, 4.

Received date 28.08.2019 Accepted date 12.09.2019 Published date 31.10.2019

Куцан Наталiя Володимирiвна, кафедра технологи неоргашчних речовин, водоочищення та загально! xiMi4HOi технологи, Нацюнальний технчний ушверситет Укра!ни «Кшвський полiтехнiчний шститут iM. 1горя Сшорського», пр. Перемоги, 37, м. Ки!в, Укра!на, 03056 E-mail: [email protected]

Возняк Владислав Степанович, кафедра технологи неоргатчних речовин, водоочищення та загально! хiмiчноi технологii, Нацiональний технiчний унiверситет Укра!ни «Кшвський полiтехнiчний iнститут iM. 1горя Сiкорського», пр. Перемоги, 37, м. Ки!в, Укра!на, 03056 E-mail: [email protected]

1ваненко 1рина МиколаТвна, кандидат хiмiчних наук, доцент, кафедра технологii' неоргатчних речовин, водоочищення та загально! хiмiчноi' технологii, Нацiональний технiчний ушверситет Укра!ни «Ки!в-ський полiтехнiчний шститут iм. 1горя Сiкорського», пр. Перемоги, 37, м. Ки!в, Укра!на, 03056 E-mail: [email protected]