CC BY
56
УДК 628.316.12
Баранова М. В., Шарифуллина Л.Р.
ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ К ИОНАМ ХРОМА (VI)
Баранова Марина Вячеславовна, студентка 4 курса инженерного химико-технологического факультета; Шарифуллина Лилия Ринатовна, канд.хим.наук, доцент, доцент кафедры техносферной безопасности, e-mail: alishari@vandex.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе рассмотрено влияние природы и свойств активных углей на их сорбционную активность по отношению к ионам хрома (VI) в водных растворах. Среди применяемых сорбентов углеродные материалы являются наиболее перспективными. Их сорбционная активность зависит от природы угля, а также от их характеристик. В работе показано изменение сорбционной емкости в зависимости от типа марки угля, а также от условий проведения адсорбции. Рассмотрены закономерности влияния различных параметров на процесс сорбции ионов шестивалентного хрома углеродными сорбентами
Ключевые слова: Адсорбция тяжелых металлов; очистка сточных вод, промышленная безопасность; углеродные сорбенты, ионы шестивалентного хрома.
SORPTION ACTIVITY OF CARBON MATERIALS TO THE IONS OF CHROMIUM (VI)
Baranova M.V., Sharifullina L.R.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article considers the influence of the nature and properties of active carbons on their sorption activity in relation to ions of chromium (VI) in aqueous solutions. Among the used sorbents are carbon materials are the most promising. Their sorption activity depends on the nature of coal and their characteristics. The paper shows the change of the sorption capacity depending on the type of coal, and the conditions of the adsorption. The patterns of the influence of various parameters on the adsorption process of chromium ions (VI) by carbon adsorbents.
Keywords: Adsorption of heavy metals; wastewater treatment, industrial safety; the carbonic sorbents of ions of chromium
(VI).
Хром является элементом побочной подгруппы 6-ой группы 4-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 24. В больших концентрациях хром может причинить вред здоровью человека, его относят к первому классу опасности вредных веществ. Особо токсичными веществами считают соединения хрома со степенью окисления 6+. В ряде случаев концентрация Сг (VI) в сточных водах превышает значение предельно допустимой концентрации, поэтому проблема очистки сточных вод и иной загрязненной среды от солей хрома шестивалентного и его дальнейшей утилизации остается актуальной.
Хром и его соединения, главным образом, применяются в таких отраслях промышленности как химическая, металлургическая, а также используют в качестве антипирена для повышения огнестойкости и биозащиты различных материалов [1]. Он обладает жаропрочностью, твердостью и коррозионной стойкость, благодаря чему его часто используют в производстве сталей в качестве легирующего материала. Соли хрома (VI) особо токсичны, поэтому они хорошо подходят для борьбы
с насекомыми, термитами и грибком для обработки древесины. Соединения хрома имеют различную окраску, поэтому зачастую его использовали для приготовления красителей. При производстве искусственных драгоценных камней так же используют соединения хрома.
Обычно отравления хромом случаются на предприятиях, в которых используются соединения хрома, медной пыли и шлаках. Хром может попасть в организм тремя путями: через желудочно-кишечный тракт, кожу и ингаляционным путем; преимущественно всасывается в тонкой кишке. Независимо от пути попадания в организм соединения хрома, в первую очередь поражаются почки.
Соединения низших степеней окисления малоядовиты, но в организме они могут перейти в соединение Сг (VI). Шестивалентный хром усваивается в 3-5 раз лучше, чем трехвалентный, и является канцерогеном I класса опасности. На производствах, в которых используются соединения шестивалентного хрома, заболеваемость
онкологическими заболеваниями в 30 раз выше, чем у рабочих других производств.
Особенностью действия ионов хрома на организм человека является тот факт, что токсичность ионов зависит от степени окисления хрома в соединении. Так, соединения хрома трехвалентного не представляют особой опасности
Г< 6+
для человека, в отличие от Сг .
В таблице 1 приведены значения предельно допустимых концентраций в воде для соединений
&3+ г< 6+
и Сг . Таблица 1
Предельно допустимые концентрации в воде для соединений Cr3+ и Cr6+
В связи с этим, одним из реализуемых способов снижения токсичности водных растворов, содержащих ионы хрома шестивалентного является перевод в менее окисленную форму трехвалентного хрома. Однако данный метод достаточно затратный, трудоемкий и требует дополнительные технологические операции. Поэтому актуальность
адсорбционных методов очистки водных растворов,
6+
содержащих Сг , не снижается.
Активные угли обычно используются для концентрирования ионов благодаря своей высокой пористости. Их получают путем термической обработки углесодержащего сырья сначала без доступа воздуха, а затем в присутствии окислительных агентов. Таким образом, уголь выгорает и остается активный уголь, размер пор которого не более 1 нм. Такой уголь способен концертировать коллоидные частицы,
металлоорганические соединения и нейтральные комплексы микроэлементов из жидкости и воздуха.
Главные достоинства применения активных углей для концентрирования ионов тяжелых металлов из растворов - это относительная малая стоимость и доступность. Однако, их использование не всегда рационально из-за дисперсионной способности, которая действует на достаточно небольшие расстояния, что выражает избирательность и малую селективность [2].
В мире существует большое количество марок углей, которые обладают различными сорбционными параметрами. При выборе марки угля важным является подбор по сорбционной активности по отношению к определенным ионам, по сорбционной емкости, а также важным фактором является доступность получения и стоимость сорбционных материалов [3].
Для исследования сорбционной активности углеродных материалов к ионам хрома (VI) мы взяли раствор бихромата калия с концентрацией 0,1М и две марки активного угля типа СКТ и F-400, у которых схожие размеры микропор, но угли имеют различное происхождение. Измерения выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования имени Д. И. Менделеева. В таблице 2 приведены
параметры сравнения свойств активных углей используемых в работе. Таблица 2
Сравнение свойства активных углей
Параметры сравнения Активный уголь марки СКТ Активный уголь марки F-400
Насыпная плотность, г/дм3 550 430
Массовая доля воды, % 5,8 2,5
Объём микропор, см3/г 0,4 0,39
Размер микропор, нм 1,1 1,12
Основа для приготовления Торф Угле-пековая композиция
Мы предполагаем, что выбор сорбента для улавливания токсичных загрязнителей определяется не только размером микропор, влияющих на сорбционные процессы, но и иными параметрами активных углей, которые определяют его поглощающую способность [4]. Поэтому задачей работы стало изучение изменения концентрации ионов хрома во времени при активном перемешивании раствора с насыпным углем исследуемых марок.
В работе использовался
спектрофотометрический метод анализа, измерения проводили в диапазоне волн от 190 до 550 нм. Анализировали сорбционную способность поглощения активных углей по отношению к шестивалентному хрому с помощью спектрофотометра ПЭ-5400УФ, который предназначен для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности жидкости.
Были получены спектры раствора бихромата калия при адсорбции на активных углях марок СКТ и F-400, на основе которых установлено, что изменения оптической плотности происходят при длине волны от 400 до 550нм. Левая часть графика не информативна. Далее изучали поведение растворов бихромата калия при адсорбции на углях марок СКТ и F-400 во времени и установили, что в течение первых 30 минут идет активное насыщение, а после скорость поглощения уменьшается. Качественное поведение разных марок угля идентично.
По полученным результатам была рассчитана степень очистки для данного раствора при адсорбции на активных углях и установлено влияние времени сорбции на степень очистки (рис. 1, 2).
Соединения хрома с разной окисления Сг3+ Сг6+
ПДКрыб-хоз, мг/л 0,07 0,02
ВД^льт-бьт мг/л 0,5 0,05
6 5
I*
Ъг С 1
о
0,5 1,5 2,5
Время, ч
Рис.1. Зависимость степени очистки от времени сорбции 0,1М раствора &6+ на угле марки F-400
3
0,5
О -,-,-,-
0,5 1,5 2,5 3,5
Время, ч
Рис.2. Зависимость степени очистки от времени сорбции раствора &6+ на угле марки СКТ
Как мы видим из полученных зависимостей, процесс сорбции различен на разных марках углей при одинаковых условиях проведения эксперимента. При адсорбции на угле марки F-400 степень очистки 0,1 М раствора степень очистки со временем уменьшается, что говорит о протекающих процессах десорбции в растворе. Для 0,1М раствора время поглощения ограничивается 1,5 часами и в это время
скорость поглощения максимальна, а дальше начинается процесс десорбции, поэтому степень очистки раствора уменьшается во времени.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что кинетика и механизм протекающих сорбционных процессов зависит от природы происхождения угля, не смотря на идентичные размеры пор разных марок.
Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования имени Д. И. Менделеева за помощь в проведении исследований.
Литература
1. Булкин С.И., Бобков Г.С., Шарифуллина Л.Р. Изоморфизм в комплексных кристаллах алюмокалиевых и хромокалиевых квасцов //Международный студенческий научный вестник.
2016. № 3-3. С. 472.
2. Веденяпина М.Д., Шарифуллина Л.Р., Кулайшин С.А., Веденяпин А.А., Лапидус А.Л. Адсорбция 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты на активированном угле // Химия твердого топлива.
2017. №2. С.51-57.
3. Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных абсорбентов. М.: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 2012г. 308 с.
4. Шарифуллина Л.Р., Михайлова С.М. Выбор сорбента для улавливания токсичных продуктов пиролиза // Образовательная среда сегодня и завтра: материалы XI Международной научно-практической конференции. НОУ ВО Московский технологический институт. 2016. С. 399-400.
