CC BY
25
УДК 544.723
И. Г. Шайхиев, К. И. Шайхиева ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ХВОЙНЫХ ДЕРЕВЬЕВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ
ИЗ ВОДНЫХ СРЕД. 8. АРАУКАРИЕВЫЕ
Ключевые слова: деревья семейства Араукариевые, шелуха шишек, ионы тяжелых металлов, красители, сорбция.
Произведен краткий обзор литературных сведений по сорбции ионов тяжелых металлов и красителей из водных сред компонентами деревьев семейства Араукариевые. Показано, что наибольшее количество публикаций посвящено исследованию в качестве сорбционного материала шелухи шишек Араукарии бразильской (Araucaria angustifolia). Изотермы сорбции поллютантов наиболее полно описываются уравнениями Ленгмюра, Редлиха-Петерсона и SIPS, а кинетика сорбции в большинстве случаев соответствует модели псевдо-второго порядка.
Key words: Araucaria trees, strobiles husk, heavy metals ions, dyes, sorption.
The short review of literature findings about heavy metals ions and colorants sorption from water environmental by Araucaria trees components was reported. Was showed that most amount of publications are dedicated to investigation of Araucaria angustifolia strobiles husk as a sorption material. Was defined that pollutants sorption isotherm mostly describes by Langmuir, Redlich-Peterson and SIPS equations, and kinetics obeys to pseudo-quadric equations.
В продолжение ранее опубликованных работ [17] по обобщению литературных источников по использованию компонентов деревьев хвойных пород в качестве сорбционных материалов для извлечения поллютантов из водных сред, в настоящем сообщении обобщены данные по деревьям рода Араукариевые.
Араукария (лат. Агажапа) - род вечнозелёных хвойных деревьев семейства Араукариевые. Название роду дано по провинции Арауко в южной части Чили. Род насчитывает 10 видов, произрастающих в Южной Америке, Австралии, на островах Тихого океана. Высокие двудомные деревья с правильным мутовчатым ветвлением, сидячей, жесткой, острой хвоей почти треугольной формы, расположенной на ветвях спирально. Шишки яйцевидные или шаровидные (рис. 1). Крупные семена созревают на второй год, после чего шишка распадается. К особенностям араукарий относится веткопад - свойство целиком сбрасывать облиственные побеги [8].
Рис. 1 - Внешний вид хвои и шишек Араукарии чилийской (Araucaria araucana)
В настоящее использовании хвои
время информации об араукариевых деревьев в
качестве реагента для удаления поллютантов в литературе мало. В частности, имеется информация об использовании хвои Араукарии разнолистная (Araucaria heterophylla) для удаления ионов Pb2+. Найдено, что максимальная сорбционная емкость хвои составляет 29,6 мг/г при рН = 5. Установлено, что изотерма сорбции более адекватно описывается уравнением Фрейндлиха (R2 = 0.9927), а кинетика сорбции хорошо описывается моделью псевдо-второго порядка [9].
Большое количество публикаций посвящено использованию в качестве сорбционного материала шелухи от шишек Араукарии бразильской (Araucaria angustifolia) (рис. 2).
Рис. 2 - Внешний вид шишек Араукарии бразильской (Araucaria angustifolia)
Семена, находящиеся внутри женских шишек Араукарии бразильской съедобны и являлись важным продуктом питания для индейцев в доколумбовы времена и используются для еды в настоящее время. При извлечении семян из шишек образуется большое количество шелухи, которое не утилизировалось.
С целью нахождения путей использования остатков от потрошения шишек, в частности,
предлагается использовать шелуху шишек Араукарии бразильской (Araucaria angustifolia) для удаления ионов Cr(III) [10] и Cr(VI) [11]. Определена максимальная сорбционная емкость шелухи шишек араукарии по ионам Cr3+, которая составила 240 мг/г, а начальная скорость сорбции составляет 461,5 мг/г^ч при концентрации ионов 1000 мг/дм3 [11].
Опилки Araucaria angustifolia исследовались в качестве сорбционного материала для извлечения ионов Cr(VI) [12, 13]. Проведенными
экспериментами определено, что рН = 2,0; начальной концентрации ионов Cr6+ Со = 1200 мг/дм3; содержании опилок 1,5 г/дм3 и T = 8 ч, максимальная сорбционная емкость составляет 125 мг/г [12]. Найдено, что наличие в водном растворе ионов Cl-, NO3- и PO43- не влияет на сорбционные характеристики биосорбента. Проведены эксперименты в динамических условиях: при содержании сорбционного материала в колонке 4 г, рН = 2, при расходе раствора 2,5 см3/мин и начальной концентрации ионов хрома 25 мг/дм3, соотношение сорбент : жидкость составило 1: 252 [12]. Определена скорость сорбции в первоначальный период, которая составила 284,9, 396,9 и 461,5 мг/ г^ч при начальной концентрация ионов Cr6+ в растворе 500, 700 и 1000 мг/дм3, соответственно [13, 14]. Найдено, что изотерма сорбции описывается уравнением SIPS, а кинетика сорбции более адекватно подчиняется модели Еловича.
Также исследована сорбция ионов Cr(VI) и Fe(III) измельченной шелухой шишек Araucaria angustifolia различного фракционного состава [15] из реальных промышленных сточных вод. При начальной концентрации ионов Cr6+ 22,38 мг/дм3 и ионов Fe°64 5,38 мг/дм3, дозировке сорбционного материала 3 г/дм3 и времени контактирования более 3 ч, степень удаления ионов металлов составила более 99 %.
Исследована сорбция ионов Cu(II) отходами переработки шишек Араукарии Бразильской в нативном виде и после предварительной обработки красителем марки «Congo red». С применением метода полного факторного эксперимента, определены условия, при которых достигаются максимальные сорбционные характеристики по ионам Cu2+: масса сорбционного материала - 30,0 мг, рН = 5,6, Т = 2,5 ч. Указывается, что обработка шелухи красителем позволяет увеличить максимальную сорбционную емкость вдвое - с 32,2 мг/г до 68,6 мг/г. Изотермы сорбции в обоих случаях более полно описываются уравнением Ленгмюра [16].
Исследована сорбция красителя марки «Methylene blue» шелухой шишек Араукарии бразильской (Araucaria angustifolia). Найдено, что максимальная сорбционная емкость составляет 252 мг/г при начальной концентрации красителя 500 мг/дм3. Установлено, что сорбция наиболее эффективно протекает при рН = 8,5 в течение 6 часов, а изотерма сорбции наиболее адекватно описывается уравнением SIPS. Проведенными
расчетами определено, что кинетика сорбции наиболее адекватно описывается кинетической моделью Аврами дробного порядка [17].
Изучена сорбция красителя марки «Remazol black B» шелухой шишек Араукарии бразильской [18-20]. Проведенными исследованиями определено, что максимальная степень удаления красителя при начальной концентрации 20 мг/дм3 и дозировке сорбционного материала 50 мг/ дм3, Т = 25 0С, t = 12 ч, достигается при рН = 2. Изотерма сорбции наиболее адекватно описывается уравнением SIPS. Определены термодинамические параметры процесса в интервале температур 298-323 К: AGo = -(18,43-18,62) кДж/моль при температурах; AHo = -16,9 кДж/моль и ASo = 5,05 Дж/моль^К.
Также изучена сорбция красителя марки «Reactive red 194» и его обработанного NaOH аналога измельченной биомассой шишек Араукарии бразильской. Последнюю также подвергали предварительной обработке растворами, содержащими ионы хрома (VI) или 0,5 мольным раствором HCl. Обработка названными растворами способствует увеличению площади сорбционного материала с 63 м2/г до 300 и 153 м2/г, соответственно. Проведенными экспериментами определено, что наилучшие сорбционные показатели достигаются при дозировке сорбционного материала 5 г/дм3, начальной концентрации красителей 30 мг/дм3, Т = 25 0С и рН < 2 при t = 24 часа. Найдено, что изотермы сорбции адекватно описываются уравнениями Редлиха-Петерсона, SIPS, а также Ленгмюра, а кинетика сорбции подчиняется модели псевдо-второго порядка [21]. Проведена обработка экспериментальных данных с использованием полного факторного эксперимента [22].
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, 162-167(2016).
7. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 20, 2, 165-167(2017).
8. http://flower.onego.ru/kustar/aucaria.html.
9. B. Sarada , M.K. Prasad , K.K. Kumar, C.V.R. Murthy, International Journal of Phytoremediation, 15, 8, 756-773 (2013).
10. F.A. Santos, M. Idrees, M. Silva, P.H.E. de Lima, N. Bueno, F. Nome, H.D. Fiedler, M. Pires, Desalination and Water Treatment, 51, 28-30, 5617-5626 (2013).до наступления проскока [19]
11. J.C.P. Vaghetti, E.C. Lima, B. Royer, J.L. Brasil, B.M. da Cunha, N.M. Simon, N.F. Cardoso, C.P.Z. Noreña, Biochemical Engineering Journal, 42, 1, 67-76 (2008).
12. J.L. Brasil, R.R. Ev, C.D. Milcharek, L.C. Martins, F.A. Pavan, A.A. dos Santos Jr., S.L.P. Dias, J.
Dupont, C.P.Z. Noreña, E.C. Lima, Journal of Hazardous Materials, 133, 1-3, 143-153 (2006).
13. J.C.P. Vaghetti, E.C. Lima, B.Royer, J.L. Brasil, B.M. da
Cunha, N.M. Simon, N.F. Cardoso, C.P.Z. Noreña, Biochemical Engineering Journal, 42, 1, 67-76 (2008).
14. J.C.P. Vaghetti, Utilizacao de biossorventos para remediacao de efluentes aquosos contaminados com Ions Metalicos, Tese de Doutorado submetido ao Programa de Pos-graduacao Quimica, Porto Alegre, Brasil, 2009. 99 p.
15. F.A. dos Santos, M.J.R. Pires, M. Cantelli, Metallurgia e materiais, 64, 4, 49-54 (2011).
16. E.C. Lima, B. Royer, J.C.P. Vaghetti, J.L. Brasil, N.M.
Simon, A.A. dos Santos Jr., F.A. Pavan, S.L.P. Dias, E.V. Benvenutti, E.A. da Silva, Journal of Hazardous Materials, 140, 211-220 (2007).
17. B. Royer, N.F. Cardoso, E.C. Lima, J.C.P. Vaghetti, N.M.
Simon, T. Calvete, R.C. Veses, Journal of Hazardous Materials, 164, 2-3, 1213-1222 (2009).
18. N.F. Cardoso, R.B. Pinto, E.C. Lima, T. Calvete, C.V. Amavisca, B. Royer, M.L. Cunha, T.H.M. Fernandes, I.S. Pinto, Desalination, 269, 92-103 (2011).
19. C.V. Amavisca, Uso de residuo agricola como dase para
a preparacao de carvao ativado, Dissertafäo para o grau de mestre, Porto Alegre, Brasil, 2012. 61 p.
20. R.B. Pinto, Remocao do coranto textilpreto de RemazolB
de solucoes aquosas usando adsorventes a base de casca de pinhao, Dissertafäo para o grau de mestre, Porto Alegre, Brasil, 2012. 82 p.
21. E.C. Lima, B. Royer, J.C.P. Vaghetti, N.M. Simon, B.M.
da Cunha, F.A. Pavan, E.V. Benvenutti, R.C.~na-Veses, C. Airoldi, Journal of Hazardous Materials, 155, 536550 (2008).
22. B. Royer, E.C. Lima, N.F. Cardoso, N. Calvete, R.E. Bruns, Chemical Engineering Communication, 197, 775790 (2010).
© 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.
