Научная статья на тему 'Эффективность использования природных сорбентов Восточного Казахстана в очистке воды от ионов тяжелых металлов (Си2*)'

Эффективность использования природных сорбентов Восточного Казахстана в очистке воды от ионов тяжелых металлов (Си2*) Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
879
142
Поделиться

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Оразова С. С., Белов В. М., Евстигнеев В. В.

Изучены сорбционные свойства бентонитовых глин Восточного Казахстана на примере модельных растворов содержащих ионы меди (Cu2+). Установлен механизм обмена и степень извлечения ионов из растворов.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Оразова С. С., Белов В. М., Евстигнеев В. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Эффективность использования природных сорбентов Восточного Казахстана в очистке воды от ионов тяжелых металлов (Си2*)»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Евстигнеев В.В., Исаева Ж.М., Пролубников В.И., Туба-лов Н.П. Оценка эффективности использования металлокерамических фильтров для очистки технических жидкостей // Ползуновский вестник. - 2005. - № 1. - С. 322.

2. Евстигнеев В.В., Новоселов А.А., Пролубников В.И., Туба-лов Н.П. Моделирование процессов очистки отработавших газов химических производств и дизельных агрегатов от твердых частиц СВС-фильтрами // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 1. - С. 138.

3. Евстигнеев В.В., Колесников Д.В., Пролубников В.И., Туба-лов Н.П., Щетинкина Н.Ю. Методика определения гидравлического сопротивления пористых СВС-материалов // Ползуновский вестник 2005. - № 2. - С.277.

4. Тубалов Н.П., Лебедева О.А., Верещагин В.И. Пористые композиционные керамические материалы, полученные саморас-пространяющимся высокотемпературным синтезом в системе Ре20з-А120з-А1 // Новые огнеупоры. - 2003. - № 9. - С. 40.

Поступила 14.11.2006 г.

УДК 54.058:553.611.6

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СОРБЕНТОВ ВОСТОЧНОГО КАЗАХСТАНА В ОЧИСТКЕ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (Си2 )

С.С. Оразова*, В.М. Белов, В.В. Евстигнеев

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул E-mail: sim_64@mail.ru

*Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Казахстан

Изучены сорбционные свойства бентонитовых глин Восточного Казахстана на примере модельных растворов содержащих ионы меди (Си1*). Установлен механизм обмена и степень извлечения ионов из растворов.

Известно, что эффективным сорбентом для ионов тяжелых металлов являются синтетические ионные смолы (катиониты), обладающие высокой обменной емкостью сорбции. Однако промышленного производства ионитов в Республике Казахстан нет, а их импорт из зарубежных стран экономически не выгоден. Альтернативой могут быть природные материалы, обладающие значительно меньшей, по сравнению с катионитами, обменной емкостью, но намного дешевле ионитов. Именно в Восточном Казахстане имеются богатые залежи бентонитовых глин (Таганское месторождение), которые пригодны для извлечения ионов тяжелых металлов и добыча которых не требует больших материальных затрат, т. к. немаловажным фактором является их доступность и сравнительно низкая стоимость (местный материал).

Бентонитовые глины состоят из минералов монтмориллонитовой группы, разделяющиеся на щелочные и щелочно-земельные разности. Минералы группы монтмориллонита образуют бентонитоносные формации, характеризующихся наличием монтмориллонитовых и близких к ним по кристаллической структуре минералов, таких как бей-деллит, для него характерна высокая дисперсность минеральных частичек, обменный комплекс и высокие коллоидные свойства. Образовались бентониты в результате разложения вулканических пе-плов, при изменениях слюд, хлоритов и породообразующих минералов, в процессах, протекающих в гидротермальных условиях. В зависимости от со-

става обменного комплекса различают щелочные (натриевые и кальций-натриевые) и щелочно-зе-мельные (кальциевые, магний-кальциевые, каль-ций-магниевые) бентониты. Это различие обусловлено особенностями кристаллического строения смектитов, благодаря которым бентониты обладают многими специфическими свойствами, наиболее ценное из которых ионообменная способность [1].

Бентонит относится к глинистым природным минералам, обладающим высокой сорбционной способностью по отношению к катионам металлов, и может быть использован для создания изолирующих барьеров в местах захоронения токсичных, в том числе радиоактивных, отходов, а также для очистки питьевых и сточных вод. Ключевым параметром, определяющим возможность использовать бентонит в качестве фильтрующего материала, является концентрация тяжелых металлов в воде после фильтра и диффузионные свойства бентонита. По литературным данным, эти характеристики зависят как от растворимости тяжелых металлов, так и от сорбционных свойств бентонита. Литературные данные о механизмах сорбции катионов, роли различных центров связывания, константах равновесия соответствующих реакций имеются. Цель данной работы заключалась в изучении сорбции ионов металла Си (II) бентонитом.

Всесторонние исследования показали, что глины отвечают всем требованиям, и являются уникальными по высокому содержанию обменных ионов Ка, тонкодисперсности и набухаемости в воде.

Бентониты Таганского месторождения по своему химическому составу делятся на щелочные и щелочноземельные, т. е. в качестве обменных катионов выступают катионы натрия и кальция [2].

В экспериментах использовали бентонит 14 горизонта Таганского месторождения ВКО (Казахстан), основной минеральный состав которого определен методом РФА. Было установлено, что основой минерального состава препарата является монтмориллонит - глинистый минерал слоистой структуры. Для диагностики препарата рентгенофазовый анализ проводили по картотеке АСТМ. Из полученных экспериментальных значений межплоскостных расстояний 4 выбирали самые сильные по интенсивности линий и сравнивали их по значениям 4 веществ (соединений), выданным программой идентификации АСТМ. После заданного приближенного химического состава образцов программа АСТМ выдавала все сведения по этим элементам. Среди соединений выбирали такие, у которых интенсивные линии совпадали с линиями наших образцов.

Слоистые и слоисто-ленточные алюможелезо-магниевые силикаты делятся на минералы с расширяющейся и жесткой структурой. Первые (вермикулит и монтмориллонит) составляют основу бентонитовых глин. Они имеют первичную микропористую структуру, обусловленную строением составляющих их микрокристаллов силикатов, и вторичную «пластинчатую микропористую», переходно- и микропористую структуру, возникающую за счет пространства между микрокристаллами. В процессе сорбции вторичная пористая структура способна к расширению за счет увеличения размеров микро-пор. Эти сорбенты обладают значительной емкостью по отношению к полярным веществам (воде, спиртам, аминам), которая достигает удвоенного значения катионообменной емкости [3].

Чаще всего монтмориллонит оказывается самым эффективным глинистым материалом для очистки воды от различных органических примесей. Площадь поверхности монтмориллонита достигает 766...833 м2/г.

Механизм сорбции загрязнений из воды на глинистых минералах достаточно сложен и включает вандерваальсовые взаимодействия углеводородных цепочек с развитой поверхностью микрокристаллов силикатов и кулоновское взаимодействие заряженных и поляризованных молекул сорбата с положительно заряженными участками поверхности сорбента, содержащими ионы Н+ и А13+.

Все сорбционные эксперименты проводили в стеклянных емкостях. Для изучения сорбции Си (II) были предварительно проведены термическая при 200 °С и кислотная активация 20 %-ным раствором серной кислоты. Перед проведением сорбционного эксперимента препараты оставляли в растворе кислоты на 4 ч при периодическом перемешивании для активации.

Для отделения маточного раствора от бентонита использовали плотную фильтровальную бумагу с синей лентой.

Обработка бентонитов 20 %-ными серной или соляной кислотами дает частичное удаление окислов магния, кальция, алюминия и железа. Подобная обработка повышает активную площадь поверхности в 2... 10 раз, хотя при этом в 2...4 раза увеличивается средний эффективный размер пор сорбента. Кислые свойства поверхности активированных бентонитовых глин способствуют хемосорбции на ней азот-, кислород-, серосодержащих соединений. Чем выше катионообменная емкость минерала, тем эффективнее, как правило, его использование для осветления и очистки воды.

Глинистые минералы обладают способностью обменно сорбировать катионы. Обмениваемые ионы обычно удерживаются на наружных частях структурных единиц [4].

Из всех глинистых минералов наибольшей емкостью поглощения обладают вермикулит и монтмориллонит (8... 150 мг-экв/100 г), гидратированный галлуазит (40...50 мг-экв/100 г), меньшей -коагинит (3...15 мг-экв/100 г).

Обычно в качестве обменных ионов могут встречаться ионы кальция, магния, натрия, калия, алюминия, водорода. Способность удерживать в адсорбированном состоянии тем больше, чем больше валентность и радиус иона и чем меньше степень его гидратации. Глинистые минералы способны содержать в себе довольно большое количество воды [5].

Сорбция катионов бентонитом может происходить как по механизму ионного обмена (обмен с катионами, находящимися в межпакетных пространствах монтмориллонита), так и путем образования комплексных соединений. В зависимости от механизма связывания катионов как кинетика сорбции, так и ее зависимость от pH и ионной силы должны значительно отличаться. Установлено, что сорбционное равновесие в щелочной среде достигается быстрее, по сравнению с кислой.

Для достижения цели сначала проводили исследования с модельными растворами, после положительных результатов эксперименты проводили со сточными водами. После добавления навески термокислотноактивированного сорбента (ТКАС) с массой 1 и 2 г в колбы на 250 мл со 100 мл модельных растворов, растворы отстаивали 4 ч до достижения сорбционного равновесия и фильтровали через складчатый фильтр. Полученный фильтрат исследовали на атомно-адсорбционном спектрометре «КВАНТ-АФА».

Объектом исследования является изучение возможности использования бентонитовой глины различной модификации для очистки сточных вод ГКП «©скемен-Водоканал» от ионов тяжелых металлов в статическом режиме. В качестве сорбента был испытан щелочной бентонит 14-го горизонта

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таганского месторождения ВКО. Наиболее лучшие результаты получены при использовании предварительно термически обработанного кислотноактивированного бентонита (табл. 1-3).

Таблица 1. Результаты исследований модельного раствора Cu(N03)2

Масса навески,г Концентрация Си2+ в образце, мг/дм3 Степень извлечения, а, %

В модельном растворе После контакта с ТКАС

1 0,005 1,15-Ю“3 77,00

2 0,005 0,8'10~3 84,00

Таблица 2. Результаты исследований сточной воды, контак-тируемой с ТКАС, до очистки на ГКП «0скемен-Водоканал»

Масса навески,г Концентрация Си2+ в образце, мг/дм3 Степень извлечения, а, %

В неочищенной сточной воде После контакта с ТКАС

1 0,21 0,04 80,95

2 0,21 0,02 90,47

Представленные в таблицах результаты до и после очистки сточных вод на ГКП «©скемен-Водо-канал» от ионов тяжелых металлов (Си2+) бентонитовой глиной в термокислотноактивированной форме показывают, что при массе навески 1 г сте-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кляев В.И., Слисаренко Ф.А. Структура адсорбентов и методы ее изучения // Физико-химическое исследование природных сорбентов и ряда аналитических систем. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1967. - С. 5-11.

2. Овчаренко Г.И. Природные минеральные сорбенты. - М.: Высшая школа, 1960. - 371 с.

3. Судникович В.Г., Лебедев В.Т. Очистка сточных вод с помощью природных цеолитов // Цветные металлы. - 1984. - № 9. -С. 90-91.

пень извлечения меди составляет 77...95 %, а при массе 2 г - 84...96 %.

Таблица 3. Результаты исследований сточной воды, контак-тируемой с ТКАС, после очистки на ГКП «0ске-мен-Водоканал»

Масса навески,г Концентрация Си2+ в образце, мг/дм3 Степень извлечения, а, %

В неочищенной сточной воде После контакта с ТКАС

1 0,006 0,0054 90,00

2 0,006 0,0057 96,00

По всем этим данным можно сделать вывод: применение термокислотно-активированного бентонита (термически активированного при температуре 120 °С - 4 ч с последующей обработкой 20 %-ной серной кислотой - 4 ч) в очистке обеспечивает практически полное извлечение ионов меди. Содержание ионов меди в сточной воде, кон-тактируемой с ТКАС, после очистки на ГКП «©скемен-Водоканал» не превышает нормы ПДК.

1. Установлено, что ионы меди взаимодействуют с бентонитом по механизму ионного обмена, т. е. его извлечение бентонитом возможно. Степень извлечения увеличивается в зависимости от массы бентонита.

2. Значительную роль в связывании ионов меди играют коллоидные частицы бентонита.

4. Дистанов У.Г., Михайлов A.C., Конюхов П.П. Природные сорбенты СССР. - М. Наука, 1990. - 208 с.

5. Баталова Ш.Б. Физико-химические основы получения и применения катализаторов и адсорбентов из бентонитов. - Алма-Ата: Наука, 1986. - 168 с.

Поступила 14.11.2006 г.