CC BY
25
УДК 544.723
И. Г. Шайхиев, К. И. Шайхиева ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ХВОЙНЫХ ДЕРЕВЬЕВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ
ИЗ ВОДНЫХ СРЕД. 7. ПСЕВДОТСУГОВЫЕ
Ключевые слова: деревья семейства Псевдотсуговые, кора, ионы тяжелых металлов, водная среда, сорбция.
Произведен краткий обзор литературных сведений по сорбции ионов тяжелых металлов из водных сред корой деревьев семейства Псевдотсуговые. Показана возможность увеличения сорбционных характеристик путем модификации коры деревьев различными реагентами. Определено, что изотермы сорбции ионов тяжелых металлов, в большинстве случаев, хорошо описываются уравнениями Ленгмюра.
Key words: Pseudotsuga trees, bark, heavy metals ions, water environmental, sorption.
The short review of literature findings about sorption of heavy metals ions from water environments by Pseudotsuga trees' bark was reported. Showed the possibility of sorption characteristics increasing by modification of trees' bark with different reagents. Was defined, that sorption isotherms of heavy metals ions are described mostly by Langmuir equations.
В продолжение ранее опубликованных работ [16] по обобщению литературных источников по использованию компонентов деревьев хвойных пород в качестве сорбционных материалов для извлечения загрязняющих веществ из водных сред, в настоящем сообщении обобщены данные по деревьям рода Псевдотсуга.
Псевдотсуга (лат. Pseudotsuga) - род хвойных вечнозеленых деревьев семейства
Сосновые (Pinaceae) высотой 20-50 м [7]. Псевдотсуга имеет красно-коричневые
остроконечные почки, яйцевидные шишки. Крона густая ширококонусовидная, с горизонтально распростёртыми или немного приподнимающимися ветвями. Побеги тонкие, немного свисающие. Хвоя узкая, сверху темно-зелёная, снизу светлее. Зимостойка. Светолюбива. Не требовательна к плодородию почв, но лучше слабокислые и влажные. Взрослое дерево засухоустойчиво. Псевдотсуга, в основном, распространена в Северной Америке, в естественных условиях встречается от Калифорнии до Британской Колумбии. В Европу была ввезена в 1828 году, благодаря быстрому росту и качеству древесины, в настоящее время широко разводится в лесах Западной и Центральной Европы.
По информации базы данных The Plant List (на июль 2016) род включает 4 вида:
• Pseudotsuga japonica (SHIRAS.) BEISSN. (1896) -Псевдотсуга японская;
• Pseudotsuga macrocarpa (VASEY) MAYR (1889) - Псевдотсуга крупношишечная;
• Pseudotsuga menziesii (MIRB.) FRANCO (1950) -Псевдотсуга Мензиса, или Дугласова пихта;
• Pseudotsuga sinensis DODE (1912) -Псевдотсуга китайская.
Наиболее широко из названных видов распространена псевдотсуга Мензиса (пихта Дугласа) [8].
Псевдотсуга Мензиса (лат. Pseudotsuga menziesii) - вечнозеленое хвойное дерево вид рода Псевдотсуга (Pseudotsuga) семейства Сосновые (Pinaceae). Происходит из западных областей Северной Америки. Мощное, красивое вечнозелёное
растение, достигающее высоты 100 м при толщине ствола до 4 м. Образует огромные леса по всему побережью Тихого океана от Британской Колумбии до Калифорнии, в Монтане, Колорадо, Техасе и Нью-Мексико.
Хвоя тёмно-сизо-зелёная, игольчатая, уплощённая, прямая, 2-3 см длиной. Шишки (рис. 1) висячие, яйцевидные, длиной 5-10 см. Чешуйки отогнутые. Семена созревают в первый же год. Крона коническая. Ветви на молодых деревьях приподнятые, на старых - горизонтальные. Молодые побеги голые, сначала оранжево-красные, позднее -красно-коричневые.
Рис. 1
menziesii
Внешний вид шишки Pseudotsuga
В литературе отсутствует информация по использованию хвои и биомассы шишек деревьев рода Псевдотсуга в качестве реагентов для удаления поллютантов из водных сред.
Основная масса сведений посвящена использованию коры деревьев рода Pseudotsuga. Кора
буровато-серая, у молодых деревьев - гладкая, у старых - бугорчатая и глубокоморщинистая (рис. 2).
Рис. 2 - Кора Pseudotsuga menziesii [9]
Определен средний химический состав коры Pseudotsuga menziesii (% масс.): зольность - 5,9 %; суммарное содержание экстрагируемых веществ -26,7 %; лигнина - 29,5 %, суберина - 22 % [9].
Содержание полисахаридов составляет 16,9 %. Моносахариды представлены следующими соединениями (в % к общему количеству): арабиноза - 10,9; галактоза - 10,3; глюкоза - 55,4; ксилоза - 13,3 и манноза - 10,1 [10].
Наибольшее количество публикаций посвящено изучению сорбции ионов свинца нативной и модифицированной корой Pseudotsuga menziesii [1114]. Проведенными экспериментами найдено, что максимальная сорбционная емкость (Емах) по ионам Pb(II) нативной корой Псевдотсуги Мензиса составляет 0,24 мг/г [12] при начальной концентрации названных ионов 2000 ppm, рН = 5 и времени контактирования 2 часа. Для увеличения сорбционных характеристик кору модифицировали, в частности, раствором NaIO4 а затем NaBH3CN. Обработка названными реагентами способствует увеличению показателя Емах по ионам Pb2+ до 1,78 мг/г [12]. Взаимодействие названных реагентов с целлюлозой, входящей в состав коры, способствует образованию функциональных групп согласно нижеприведенной схемы [11] и, соответственно, увеличению сорбционных показателей по ионам свинца.
Показано, что количество ацетатных групп в составе модифицированного сорбционного материала способствует увеличению сорбционных показателей. Для подтверждения вышеназванного утверждения, авторами работы [13] получены сорбционные материалы с одной, двумя или тремя ацетогруппами в своем составе путем обработки коры NaOCl, NaBr и NaIO4.
Соответственно, значение Емах составило 1,929; 1,069 и 2,057 мг РЬ/г для модификатов коры с моно-, ди- и триацетатными группами в своем составе. Также последние исследовались для извлечения ионов Cd(II); значение qmax составило 1,198; 0,896 и 1,109 мг/г, соответственно [13]. У нативной коры показатель qmax составил 0,220 мг/г. Для увеличения функциональных групп полученный сорбционный материал дополнительно еще подвергали воздействию аспарагиновой кислоты или 4,4'-диамино-2,2'-стильбен
дисульфокислоты [14].
Исследована сорбция ионов Cu(II) с начальной концентрацией последних в растворе 500 мг/дм3 корой Pseudotsuga menziesii. Условия проведения процесса - рН = 4,5; T = 21 °C ± 2 °С, масса коры - 5 г, фракционный состав - от 250 до 800 мкм, объем раствора - 100 см3. Показано, что после 10-ти минутного контактирования, содержание ионов Cu2+ в растворе уменьшилось на 77,3 % [15].
Кора псевдотсуги Мензиса также исследовалась для извлечения уранил-ионов из модельных растворов. Указывается, что сорбционное равновесие устанавливается в течение 10 минут контактирования, значение максимальной
сорбционной емкости составило 138 мг/г при рН = 4 [16]. Радиоактивность модельного раствора при этом снизилась с 1500 мБк/дм3 до 5 мБк/дм3. Несколько меньшую сорбционную емкость по сравнению с уранил-ионами кора Pseudotsuga menziesii имеет по ионам Hg - 100 мг/г [17].
Изучены изотермы адсорбции пяти катионов тяжелых металлов (Cr +, Cu +, Ni +, Pb +, Zn +) на коре псевдотсуги Мензиса [18]. Проведенными экспериментами определено, что изотермы сорбции хорошо описываются уравнением Ленгмюра. Авторами по соотношению математических величин (qmax и b) совместно с анализом химического состава коры сделан вывод, что ионы Cu2+ взаимодействуют, преимущественно, с фенольными группами, присутствующими в лигнине и дубильных веществах. В противоположность, ионы Pb2+ взаимодействуют с ОН-группами ацетатной группировки в полисахаридах. Проведенными экспериментами определено, что сорбционная способность коры псевдотсуги Мензиса по названным ионам уменьшается в ряду: Cr3+ > Cu2+ > Pb2+ > Ni2+ > Zn2+ [19].
Для увеличения сорбционных характеристик по ионам Pb2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+ и Cu2+, кору Pseudotsuga menziesii предложено обрабатывать формальдегидом в кислой среде [20]. Указывается, что процесс хемосорбции происходит с участием карбоксильных групп в составе биополимеров, входящих в состав коры.
Для всех проведенных экспериментов полученные изотермы сорбции хорошо описываются уравнением Ленгмюра.
Литература
1. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 19, 4, 127-141 (2016).
2. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 19, 5, 161-165 (2016).
3. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 19, 6, 160-164 (2016).
4. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 19, 11, 201-204 (2016).
5. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 19, 16, 177-179 (2016).
6. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 19, 22, 172-176 (2016).
7. httpsV/ru.wikipedia.org/wiki/Псевдотсуга
8. httpsV/ra.wikipedia.org/wiki/Псевдотсуга Мензиса.
9. J.P.A. Ferreira, I. Miranda, J. Gominho, H. Pereira, Industrial Crops and Products, 74, 998-1007 (2015).
10. J.P.A. Ferreira, I. Miranda, J. Gominho, H. Pereira, Article in Holzforschung, 2015. 9 p. DOI 10.1515/hf-2015-0119.
11. C. Astier, V. Chaleix, C. Faugeron, D. Ropartz, V. Gloaguen, P. Krausz, Journal of Hazardous Materials, 182, 279-285 (2010).
12. C. Astier, V. Chaleix, C. Faugeron, D. Ropartz, P. Krausz, V. Gloaguen, Bioresourses, 7, 1, 1100-1110 (201).
13. R. Hacem, C. Astier, V. Chaleix, C. Faugeron, P. Krausz, M. Kaid-Harche, V. Gloaguen, Water Air Soil Pollut, 223, 3877-3885 (2012).
14. F. Martin - Dupont , V. Gloaguen , R. Granet , M. Guilloton, P. Krausz, Separation Science and Technology, 39, 7, 1595-1610 (2005).
15. Ian Black Rae, Natural biosorbents for the removal of metals from aqueous solutions, thesis for the degree Doctor of Philosophy (PhD), Thurso KW14 7JD, Scotland, 2007. 264 p.
16. L. Jauberty, V. Gloaguen, C. Astier, P. Krausz, V. Delpech, A. Berland, V. Granger, I. Niort, A. Royer, J.-L. Decossas, Radioprotection, 46, 04, 443-456 (2011).
17. M.S. Masri, F.W. Reuter, M. Friedman, Journal of Applied Polymer Science, 18, 3, 675-681 (1974).
18. F. Martin - Dupont , V. Gloaguen , M. Guilloton, R. Granet , P. Krausz, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 41, 2, 149-160 (2006).
19. F. Martin - Dupont , V. Gloaguen, R. Granet , M. Guilloton, H. Morvan, P. Krausz, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 37, 6, 1063-1073 (2002).
20. V. Gloaguen, H. Morvan, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 32, 4, 901-912 (1997).
© И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru, К. И. Шайхиева - студентка кафедры инженерной экологии КНИТУ.
© I. G. Shaikhiev - Ph.D, head of Engineering Ecology cathedra of Kazan National Research Technological University, ildars@inbox.ru, K. I. Shaikhieva - student of Engineering Ecology cathedra of the same university.
