CC BY
28Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 25 (64). 2012. № 4. С. 248-254.
УДК 661.183.124
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АДСОРБЦИИ ИОНОВ FE3+
НА БЕНТОНИТАХ
Крымова В.В., Щербин Э.А.
Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского, Симферополь, Украина
E-mail: 777milena@mail ru
Процесс адсорбции ионов Fe3+ из растворов исследован на природных сорбентах - бентонитах. Получены и исследованы химически модифицированные формы бентонита. Установлено, что модифицирование бентонита триэтаноламином значительно улучшает его сорбционные характеристики.
Ключевые слова: адсорбция, бентонит, триэтаноламин.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема обеспечения населения доброкачественной водой становится все более актуальной. Железо является обязательной составной частью природной подземной воды, поскольку входит в состав различных почв и пород, соприкасающихся с водой. В воде растворимые соединения двухвалентного железа под действием кислорода воздуха переходят в соединения трёхвалентного железа, образуя нерастворимый гидроксид железа(Ш).
В настоящее время не существует универсального, экономически оправданного метода очистки воды. Сорбционный метод с использованием как природных, так и синтетических сорбентов широко используется для очистки природных и производственных сточных вод от катионов различных металлов [1]. Этот метод позволяет снижать содержание в воде загрязнений органического и неорганического происхождения до любой остаточной концентрации. При очистке воды от ионов тяжелых металлов практическая задача заключается в подборе местных природных материалов, оптимально сочетающих экономическую рентабельность и эффективную очистку.
В последние годы большой интерес вызывает использование в процессах очистки воды сорбентов природного происхождения, свойства которых могут быть улучшены путем модифицирования [2]. Бентониты перспективны для использования в качестве сорбентов металлов из разбавленных техногенных растворов, так как отвечают требованиям достаточной сорбционной ёмкости, простоты использования, широкой распространённости и низкой стоимости. В данной работе исследовали сорбционную способность по отношению к катионам железа (III) природных бентонитов Крымского месторождения, а также их химически модифицированных форм.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Основными объектами исследований были бентонит Крымского месторождения (Бахчисарайский район, АР Крым) и его модифицированные формы. Адсорбцию исследовали с использованием модельных растворов, содержащих ионы Бе3+ .
Бентонит Крымского месторождения (бентонит КМ) входит в группу монтмориллонита, химический состав которого приблизительно отвечает формуле: (№, Са)о,зз (А1, Ме)^Ю4(ОН)2пН2О.
Минеральный состав бентонита данного месторождения следующий: монтмориллонит 80-85%, каолинит 10-15%, примеси (слюды, карбонаты, кварц, гидроксиды) 5-10%. Усредненные данные о компонентном составе бентонитов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав крымского бентонита
КОМПОНЕНТ СОДЕРЖАНИЕ, %
SIO2 49,5-51,0
АЬ2О3 15,2-16,3
мао 3,8-4,0
РЕ2О3 1,5-2,8
САО 2,0-3,2
КА2О + К2О 0,3-0,5
Н2О 21,3-24,0
СО2 0,3-0,6
Исследуемые природные сорбенты предварительно измельчали и прокаливали при Т=100°С.
Модифицированные формы бентонита КМ получали самопроизвольной пропиткой бентонитов: а) 1 н. раствором НС1, б) 5% спиртовым раствором триэтаноламина (ОНСН2СН2)3К, (ТЭА, 2,2',2''-нитрилотриэтанол, трис-(2-оксиэтил)амин). После пропитки модифицированные образцы высушивали на воздухе [3, 4].
Для приготовления растворов с различными концентрациями использовали соль железа(Ш) (РеС13-6Н2О) марки ХЧ. Методом разбавления растворов хлорида железа(Ш) были приготовлены модельные растворы с различной концентрацией катионов Бе3+. Определение концентрации ионов Бе3+ осуществляли спектрофотометрическим методом на спектрофотометре КБ-77 в интервале концентраций 0-0,2 мг/мл[5]. Количественное определение ионов железа(Ш) в растворах, содержащих от 0,2 до 1,0 мг/мл осуществляли методом
комплексонометричекого титрования с использованием 0,01 М раствор комплексона (III) (ЭДТА) [6].
Концентрацию ионов Fe3+ в растворе рассчитывали по формуле:
С V
СЭДТА ЭДТА V Fе
где: СFe3+ -концентрация ионов Fe3+ , моль/л;
(1)
СЭдТА- концентрация ионов ЭДТА , моль/л;
Уре3+-объем аликвоты раствора Бе3+ , мл;
УЭдТА- объем аликвоты раствора ЭДТА, мл.
Адсорбцию ионов Бе3+ из растворов проводили в статическом режиме при комнатной температуре.
Метод изучения адсорбции из растворов сводится к определению концентрации исходного раствора, встряхиванию навески адсорбента с раствором в течение времени, требуемого для установления адсорбционного равновесия, и определению концентрации вещества, оставшегося неадсорбированным. Для этого брали 1 г адсорбента и добавляли по 50 мл раствора железа определенной концентрации. Растворы оставляли до 3 суток для установления равновесия при данной температуре. В течение этого времени между раствором и сорбентом происходили процессы обмена и сорбция ионов железа на сорбентах. По истечении 3, 6 часов, 1, 2, 3 суток определяли равновесную концентрацию железа в растворах по указанным методикам.
Величину адсорбции (А) рассчитывали по формуле:
, (С 0 — С равн )
А =--V (мг/г), (2)
т
где: С0 - исходная концентрация ионов Бе3+, мг/мл;
Сравн. - равновесная концентрация ионов Бе3+, мг/мл; т - количество адсорбента, г; V - начальный объем, мл.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Основные сведения о сорбционных свойствах бентонита КМ и характере сорбции могут быть получены из изотерм сорбции. На рис. 1 приведены изотермы адсорбции ионов Бе3+ на бентоните КМ в зависимости от концентрации исходных растворов и от времени сорбции. Анализ полученных изотерм показывает, что при контакте бентонита КМ с растворами более 1 суток изотермы приобретают классическую форму, соответствующую ионообменному характеру сорбции. По результатам эксперимента видно, что величина адсорбции ионов Бе3+ достигает максимального значения на бентоните КМ через 2-3 суток.
С Fe (III), мг/мл
Рис. 1 Изотермы адсорбции ионов Fe3+ из водных растворов в зависимости от исходной концентрации растворов и времени адсорбции на бентоните КМ: 1 - 2 часа; 2 - 24 часа; 3 - 48 часов.
Представляло интерес исследовать процессы адсорбции ионов Fe3+ на образце бентонита КМ, обработанном 1 н. раствором HCl и образце, модифицированном 5% спиртовым раствором триэтаноламина (ТЭА). При этом адсорбция проводилась из модельных растворов Fe3+ в интервале концентраций 0-1,0 мг/мл. Полученные изотермы адсорбции в зависимости от концентрации ионов Fe3+ и времени сорбции представлены на рис. 2. Анализ изотерм показывает, что на бентоните, обработанном HCl, адсорбция достигает максимального значения (Аш) через 3 суток и составляет 17 мг/г, на образце, модифицированном ТЭА, Аш равна 25 мг/г через 2 суток.
Из литературы [7] известно, что повышение адсорбционных свойств сорбентов после кислотной обработки обусловлено максимальным воздействием на структуру минерала, вымыванием поверхностных щелочных и щелочноземельных катионов металлов, увеличением пористости и обменной емкости.
Этаноламины используются как малотоксичные недорогие модификаторы. Комплексообразующая способность ТЭА обусловлена наличием в молекуле спиртовых групп и аминогруппы. Следовательно, сорбция ионов Fe3+ из растворов, модифицированными ТЭА бентонитами, происходит посредством образования комплексов железа(Ш) с триэтаноламином.
Рис. 2. Изотермы адсорбции ионов Fe3+ из водных растворов в зависимости от исходной концентрации растворов и времени адсорбции на модифицированных сорбентах:
а) бентонит, модифицированный HCl;
б) бентонит, модифицированный ТЭА.
По литературным данным известно, что этаноламины образуют достаточно прочные комплексы с ионами меди, цинка, никеля, железа по сравнению с ионами щелочных и щелочноземельных металлов. Таким образом, значительное улучшение сорбционных и кинетических свойств бентонита КМ определяется способом модифицирования и природой вещества-модификатора.
Анализ изотерм адсорбции, приведенных на рис. 1, 2, позволяет определить несколько важных количественных характеристик сорбента и процесса сорбции: сорбционную емкость (СЕ), коэффициент распределения (D) ионов и степень извлечения (g). Коэффициент распределения (D) является наиболее корректной характеристикой процесса сорбции, позволяющий сравнивать между собой различные сорбенты. Результаты определения этих величин приведены в табл. 2.
Из табл. 2 и рис. 1, 2 видно, что с увеличением концентрации Fe3+ в растворах сорбционная емкость увеличивается и достигает постоянного значения. Причем СЕ бентонита, модифицированного ТЭА, в 2 раза превышает СЕ немодифицированного бентонита. Как видно из табл. 2 коэффициент распределения (D) имеет наибольшие значения для бентонита, модифицированного ТЭА. Степень извлечения (у) (табл. 2) имеет максимальные значения при небольших концентрациях ионов Fe3+ в растворах и уменьшается с увеличением концентрации. Однако для модифицированного ТЭА бентонита степень извлечения на 20-30% выше, чем у немодифицированного образца.
Таблица 2
Физико-химические характеристики процессов адсорбции ионов Ее3+ на бентоните КМ и его модифицированных формах
Сорбент С Бе3+ мг/мл Время установления равновесия, час СЕ мг/г 18 Б у,%
0,2 5,8 1,84 58,0
Бентонит КМ 0,3 9,4 1,92 62,7
0,4 72 11,3 1,80 56,3
0,5 13,8 1,79 55,2
0,6 13,9 1,64 46,3
0,7 14,5 1,55 41,4
0,1 4,3 2,48 86,0
Бентонит, 0,2 7,2 2,11 72,0
модифицированный 0,3 10,1 2,04 67,3
НС1 0,4 72 12,3 1,90 61,5
0,5 13,8 1,79 55,2
0,6 16,7 1,80 55,7
0,7 16,8 1,66 48,0
0,1 3,8 2,40 98,0
Бентонит, 0,3 12,9 2,48 86,0
модифицированный 0,5 48 20,1 2,42 84,0
ТЭА 0,6 24,7 2,36 82,0
0,8 26,7 2,00 66,8
1 27,6 1,79 55,2
Таким образом, результаты работы показывают, что природный бентонит КМ может быть использован для очистки воды от ионов Бе3+. Улучшение сорбционных свойств бентонитов достигается способом модифицирования. Модифицирование бентонита КМ комплексообразующим веществом ТЭА значительно улучшает его сорбционные характеристики.
ВЫВОДЫ
1. Изучены процессы сорбции ионов железа(Ш) из водных растворов на природном сорбенте: бентоните КМ (бентонит крымского месторождения).
2. Получены химически модифицированные формы бентонита КМ и исследованы их физико-химические свойства в процессах сорбции ионов железа(Ш).
3. Определены физико-химические параметры процессов сорбции ионов железа(Ш): время установления равновесия, величины сорбционной ёмкости (СЕ), коэффициент распределения (Б) и степень извлечения на всех сорбентах.
4. Установлено, что модифицирование бентонита КМ триэтаноламином, намного улучшает его сорбционные характеристики по сравнению с немодифицированными бентонитами.
Список литературы
1. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды / Тарасович Ю.И. - Киев: Наука, 1981. - 286 с.
2. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды / Смирнов А. Д. - Л.: Химия, 1982 - 168 с.
3. Финевич В.П. Композиционные наноматериалы на основе кислотно-активированных монтмориллонитов / В.П. Финевич, Н.А. Аллерт, Т.Р. Карпова [и др.] // Российский химический журнал. - 2007. - № 4. - С. 69-76.
4. Тарасевич Ю.И. Использование природных дисперсных минералов в процессах предмембранной очистки воды / Ю.И. Тарасевич // Химия и технология воды. - 1991. - Т. 13, № 7. - С. 632-640
5. Марченко З. Фотометрическое определение элементов / Марченко З. - М.: Мир, 1971. - 502 с.
6. Золотов Ю.А. Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа / Ю.А. Золотов // М.: КОМКНИГА, 2006. - С. 416-418.
7. Марченкова Т.Г. Исследование свойств и структуры природных цеолитов, модифицированных тиокарбамидом и моноэтаноламином / Т.Г. Марченкова, И.В. Кунилова, И.В. Зверев // Материалы 11 Международной научной конференции «Научные основы и процессы переработки руд и техногенного сырья» - г. Екатеринбург. - 2006. - С. 225-227.
Кримова В.В. Дослвдження процеав адсорбцй ioHiB Fe3+ на бентошту / В.В. Кримова, Е.А. Щербш
// Вчеш записки Тавршського нащонального ушверситету iM. В.1. Вернадського. Сeрiя „Бюлопя, xiMi^'. - 2012. - Т. 25 (64), № 4. - С. 248-254.
Процес адсорбцй юшв Fe3+ з розчишв дослщжений на природних сорбентах - бентоштах. Отримано i дослщжено хiмiчнo модифковаш форми бентошту. Встановлено, що модифкування бентошту триетаноламшом значно покращуе його сорбцшш характеристики. Ключовi слова: адсорбщя, бентошт, триетаноламш.
Krymova V.V. The study of adsorption of ions Fe3+ on bentonites / V.V. Krymova, E.A. Shherbin //
Scientific Notes of Taurida V.Vernadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2012. -Vol. 25 (64), No. 4. - P. 248-254.
Adsorption of ions Fe3+ from solution tested for natural sorbents - bentonite. Obtained and investigated chemically modified forms of bentonite. Found that the modification of bentonite by triethanolamine greatly improves its sorption characteristics. Keywords: adsorption, bentonite, triethanolamine.
Поступила в редакцию 29.11.2012 г
