CC BY
42
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ МОДЕЛЬНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (III) ЛИСТОВЫМ ОПАДОМ КЛЁНА
Силайчева Марина Владимировна, Степанова Светлана Владимировна, Казанский национальный исследовательский технологический
университет, г. Казань
E-mail: silmarina93@mail.ru
Аннотация. Перспективным методом очистки от ионов тяжелых металлов выступает сорбция. В качестве адсорбентов всё большее применение находят различные сельскохозяйственные отходы. Для подтверждения протекания процесса сорбции и его механизма рассчитываются термодинамические параметры.
Ключевые слова: кленовый опад, ионы железа (III), адсорбция, модельные воды, очистка, энергия Гиббса, энтальпия, энтропия, энергия активации, температура.
Очистка сточных вод от тяжелых металлов (ТМ) - жизненно важное направление системного оздоровления экологической обстановки в окружающей среде, так как повышенное содержание солей ТМ крайне отрицательно действует на организм человека [1].
Материалы растительного происхождения, накапливающиеся в виде отходов различных производств, представляют практический интерес в качестве сырья для очистки водных сред от поллютантов. К таким отходам относится и листовой опад, ежегодно накапливающийся на территории населенных пунктов. Таким образом, сорбенты, изготовленные из вторсырья, позволяют решить сразу две проблемы: очистка воды и утилизация отходов [2].
Исследование кинетики сорбции позволяет установить скорость достижения равновесия, влияние на нее температуры, максимальную сорбционную емкость, а также выявить преобладающую стадию процесса и механизм взаимодействия ионов металла с сорбционным материалом (СМ). В настоящей работе изучены физико-химические основы сорбционной очистки модельных вод (МВ) от ионов Fe(III) СМ на основе целлюлозосодержащего отхода - листового опада клена (ОК), в статических условиях.
720
о
Щ SCIENCE TIME Щ
Подготовка СМ включает сушку ОК в течение недели при комнатной температуре, измельчение до размера фракции 5 мм и удаление жилок.
В качестве загрязнителя МВ использовался хлорид трехвалентного железа FeCly6H2O, причем навеска берется с учетом кристаллизованной воды. В пять
Л
плоскодонных колб емкостью 100 см с помощью мерного цилиндра наливали по 100 см раствора, содержащего ионы Fe(III) с концентрацией 100 мг/дм , в каждую колбу добавляли по 1 г измельченного ОК. Далее содержимое колб подвергалось нагреванию на водяной бане. Проводилась серия экспериментов в интервале температур: 303-368 К. Через каждые 10, 30, 60, 75, 90 мин растворы охлаждали и отфильтровывали, а в фильтратах определяли остаточную концентрацию ионов железа комплексометрическим методом [3]. В табл.1 представлены данные для построения кинетических кривых процесса сорбции ионов Fe(III) кленовым опадом.
о
Таблица 1
Данные для построения кинетических кривых процесса сорбции при различных температурах
Сорбционная емкость, мг/ г Время, мин
10 30 60 75 90
при температуре 303 К 8,779 8,372 8,847 8,779 8,847
при температуре 313 К 8,236 8,815 8,984 8,982 8,779
при температуре 353 К 8,650 8,711 9,075 8,915 8,847
при температуре 368 К 9,389 9,322 9,118 9,186 9,389
Кинетические кривые процесса сорбции ионов железа (III) кленовым опадом приведены на рис.1.
Рис. 1 Кинетические кривые процесса сорбции ионов Fe(III) при различных температурах
721
а
о
Щ SCIENCE TIME Щ
Установлено, что экспериментальные данные некорректно описываются моделью псевдо-первого порядка, однако соответствуют модели псевдо-второго порядка. Данная модель подразумевает, что лимитирующей является стадия химического взаимодействия [4]. Кинетические параметры адсорбции представлены в табл.2.
Таблица 2
Результаты обработки кинетических зависимостей сорбции ионов Fe(III) при различных температурах
Температура, К Равновесная адсорбция q^ мг/г Равновесная концентрация Ce, мг/ дм3 Время равновесия, мин Константа скорости k2, г-мг-^мин-1
303 8,909 10,912 не наступило 0,133
313 8,930 10,699 79 0,281
353 8,938 10,617 49 0,419
368 9,293 7,065 34 0,582
По данным табл.1 и табл.2 делаем вывод, что адсорбция протекает быстро на начальной стадии и замедляется при приближении к состоянию равновесия, а с увеличением температуры скорость процесса сорбции возрастает, в то время как, время достижения равновесия уменьшается. Установлено, что в ходе процесса сорбции ионов Fe(III) при 303 Кв течение 90 мин равновесие не наступило. Минимальное время равновесия составляет 34 мин при температуре 368 К [5]. Определяем термодинамические параметры процесса сорбции. Результаты вычислений данных параметров представлены в табл.3.
Таблица 3
Термодинамические параметры процесса сорбции ионов железа (III)
Температура, К Энергия Гиббса, кДж Энтальпия, кДж/моль Энтропия, Дж/ моль-К Энергия активации, кДж/моль
303 -5,290 5,001 33,963 17,713
313 -5,522 33,619
353 -6,253 31,880
368 -7,884 35,013
На основании данных табл.3 делаем вывод, что с ростом температуры возможность протекания процесса сорбции увеличивается, т.к. отрицательное значение энергии Гиббса возрастает по мере нагревания. Константа скорости
722
а
о
Щ SCIENCE TIME Щ
процесса достигает значения 0,582 гмг^мин"1 при 368 К.
Целлюлозосодержащие материалы проявляют сорбционные свойства по отношению к ионам тяжелых металлов. Но кроме физической сорбции протекает и химическое взаимодействие ионов металлов с карбонильными и
гидроксильными группами биополимера. Участие карбонильных групп в образовании хелатных комплексов с ионом Fe обосновывается соответствием количества сорбированных ионов и общего содержания карбонильных групп в полимере.
Исследования взаимодействия ионов железа с модельными (глюкозой, поливиниловым спиртом и глюкуроной кислотой), выполненные методом
электронной спектроскопии, показали, что наряду с карбонильными и карбоксильными группами в образовании неустойчивых комплексов участвуют и гидроксильные группы полимера. Хемосорбция частично обусловлена взаимодействием ионов железа с функциональными группами лигнина. Значение энергии активации подтверждает, что происходит процесс хемосорбции, поэтому утверждаем, что в процессе поглощения ионов Fe(III) кленовым опадом, происходит их взаимодействие с таннинсодержащими веществами и лигнином, о которые входят в состав ОК. Химическую природу сорбции также подтверждает положительное значение энтальпии, которое свидетельствует об
эндотермичности процесса, т.к. для физической сорбции характерен
экзотермический эффект [6].
Экспериментально установлено, что наилучшие результаты по очистке от ионов Fe(III) достигаются при температуре 368 К. Максимальная сорбционная емкость составляет 9,389 мг/г, что соответствует остаточной концентрации ионов Fe(III), равной 6,11 мг/дм3, при времени контакта 90 мин.
Поскольку значение предельно допустимой концентрации ионов железа в воде составляет 0,3 мг/дм3, а в данном эксперименте после очистки значение концентрации ионов железа находится на уровне
6,11 мг/дм , то рассматриваемый способ предлагается использовать в качестве предварительной очистки сточных вод.
Литература:
1. Бикулова В. Ж. Новые модифицированные сорбенты на основе глины для очистки сточных вод от ионов железа / В. Ж. Бикулова, Ф. М. Латыпова, Л. Х. Мухаметдинова // Вода: Химия и Экология. - 2011. - № 2. - С. 66-68.
2. Собгайда Н. А. Влияние природы связующего материала на сорбционные свойства сорбентов, изготовленных из отходов агропромышленного комплекса / Н. А. Собгайда, Ю. А. Макарова // Вестник Самарского государственного технического университета. - 2011. - № 1. - С. 116-121.
723
о
Щ SCIENCE TIME Щ
3. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод / Ю. Ю. Лурье. - М.: Химия, 1984. - 448 с.
4. Кинетика сорбции ионов тяжелых металлов пиридилэтилированным аминопропилполисилоксаном / Л. К. Неудачина и др. // Аналитика и контроль. -
2011. - Т. 15, № 1. - С. 87-95.
5. Романцова И. В. Изучение кинетики процесса жидкофазной адсорбции
органических веществ на гибридных наноструктурированных углеродных сорбентах / И. В. Романцова, А. Е. Бураков, А. Е. Кучерова // Известия
Самарского научного центра Российской академии наук. - 2014. - Т. 16, № 4(3). -С. 611-614.
6. Сорбционные свойства и природа взаимодействия целлюлозосодержащих полимеров с ионами металлов / Т. Е. Никифорова [и др.] // Химия растительного сырья. - 2009. - № 1. - С. 5-14.
о
о
724
а
