CC BY
33
рез три часа равновесие устанавливается.
Исследования показали, что при максимальной концентрации 10 ммоль/л сорбция ионов кадмия на пищевом волокне составляет 0,4 ммоль/г.
С _ 1
Ä " Ам ■ К .„ где А,, - предельная сорбция (ммоль/г);
1
ЛГС'
на рисунке 4, значения констант Лш и К могут быть найдены следующим образом:
Л = ^а 1
К =
ммоль/л
Рисунок 3 - Изотерма сорбции ионов кадмия на пищевых волокнах масличных культур
В пищевых волокнах, полученных нами водным гидролизом, возможно, преобладают группы, создающие на поверхности ПВ отрицательный заряд, поэтому поверхность ПВ электростатически притягивает положительно заряженные катионы свинца. Кроме того, в составе функциональных групп, располагающихся на поверхности волокна, могут присутствовать катионы, способные к обмену с ионами металла, находящегося в растворе.
Проведено математическое описание процесса сорбции с использованием уравнения Ленгмюра. Графическое решение этого уравнения позволило рассчитать константы, характеризующие сорбент и растворенное вещество.
Уравнение Ленгмюра имеет вид:
Уравнение Ленгмюра в линейном виде:
К — константа сорбционного равновесия; С — концентрация (ммоль/л). Определены константы уравнения Ленгмюра для сорбции ионов кадмия на пищевом волокне (рисунок 4).
Рисунок 4 — Гоафическое описание процесса сорбции ионов кадмия на пищевом волокне
В соответствии с зависимостью, представленной
Ад) ■ 7,
где Z — отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.
Для пищевого волокна значения Аш и К равны, соответственно 0,52 ммоль/г и 5,70. Уравнение принимает вид:
Как видно из полученных данных, в изученном интервале температур сорбционная способность ПВ по отношению к ионам кадмия невелика. Можно предположить, что ионы кадмия электростатически притягиваются к отрицательно заряженным участка поверхности пищевого волокна. Кроме того, возможен обмен с положительно заряженными ионами функциональных групп (ионный обмен) на поверхности природного материала. Увеличить сорбционную активность ПВ можно добавлением других природных сорбентов (например, бентонитовой глины или цеолита). Создавая композиционные материалы с различным соотношением природных компонентов, можно варьировать сорбционную активность - увеличивать или уменьшать ее, добиваясь нужного конечного результата по связыванию ионов кадмия.
Список литературы
1 Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и
экологии человека. М.: Издат. дом «ОНИКС XXI век»: Мир, 2004. 216 ^
2 Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ,
1994. 237 с.
3 Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб.: Химиздат, 2001.
304^
4 Дудкин М.С.,Черно Н.К., Казанская И.С. и др. Пищевые
волокна. Киев: Урожай, 1988. 152 с.
УДК 544.72:57.044
Л.В. Мосталыгина, М.А. Баймышева, К.П. Двухватская, ЛА. Кискина, С.Н. Елизарова, А.В. Костин
Курганский государственный университет
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ СВИНЦА НА ПИЩЕВОМ ВОЛОКНЕ
Аннотация. Изучен процесс сорбции ионов свинца на пищевом волокне масличных культур Зауралья. Показано, что скорость сорбции максимальна в первые 5 минут.
Ключевые слова: пищевое волокно, ионы свинца, сорбция, загрязнение окружающей среды.
82
ВЕСТНИК КГУ, 2012. №3
L.V. Mostalygina, M.A.Baimyshev,
K.P. Dvukhvatskaya, L.A. Kiskina, S.N. Elizarova,
A.V. Kostin
Kurgan State University
STUDY OF LEAD IONS SORPTION USING DIETARY FIBRE
Abstract. The process of lead ion sorption using dietary fiber of the Zauralye region oil crops is studied. It is shown that the speed of sorption is maximal during the first 5 minutes.
Index terms: dietary fiber, lead ions, sorption, environmental pollution.
ВВЕДЕНИЕ
Постоянно усиливающееся антропогенное давление на объекты окружающей среды приводит к увеличению содержания в них токсичных элементов, которые могут появиться и в пищевых продуктах, а затем и в организме человека. Наиболее важными в гигиеническом контроле пищевых продуктов (в соответствии с требованиями, предъявляемыми к пищевым продуктам объединенной комиссией ФАО (Продовольственная организация ООН) и ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения), представленными в документе «Кодекс алиментариус») являются восемь элементов: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, медь, цинк, олово и железо. В России сюда относят еще никель, хром, селен, алюминий, фтор и йод. Среди наиболее опасных элементов - свинец и кадмий. Эти элементы, накапливаясь во внутренних органах человека, провоцируют возникновение и развитие тяжелых заболеваний. Наиболее активно накапливается кадмий (в почках), свинец (в почках, печени, замещает кальций в костях).
Устойчивое загрязнение среды обитания человека соединениями кадмия и свинца провоцирует поиски методов уменьшения содержания этих элементов в организме. Можно использовать два пути: воздействие на вредные факторы среды и воздействие на организм. Второй путь включает и использование эн-теросорбентов природного происхождения (минералы, растительное сырье и т.п.). Эффективные энтеросор-бенты не только уменьшают содержание вредных, но и являются источником полезных веществ. Часто необходимо снижать концентрацию того или иного иона не «до бесконечности», а до определенного предела, то есть «мягко» регулировать его концентрацию в живом организме. В этом плане актуальным является создание композиционных материалов на основе двух и более природных сорбентов, варьируя состав которых можно добиваться необходимого результата.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
При выполнении количественного химического анализа были использованы следующие средства измерений, оборудование, материалы и реактивы:
1) рН-метр-иономер Эксперт-001;
2) индикаторный электрод — свинецселективный ХС-РЬст.-001;
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 5
3) электрод сравнения — хлорсеребряный в KCl насыщенном;
4) весы лабораторные аналитические марки GR-200 Эй энд Ди(Япония);
5) встряхиватель марки АВУ-6с;
6) шкаф сушильный электрический с терморегулятором;
7) колбы мерные, вместимостью 50, 100, 200, 500, 1000 мл;
8) колбы конические, вместимостью 100 мл;
9) стаканы химические, вместимостью 50, 100, 400, 500 мл;
10) пробки резиновые;
11)воронки;
12) бюксы стеклянные;
13) ступка фарфоровая;
14) чашки выпаривательные фарфоровые, вместимостью 200 мл;
15) палочка стеклянная;
16) бумага фильтровальная;
17)вода дистиллированная;
18) калия хлорид;
19) свинец азотнокислый.
Для анализа использованы пищевые волокна (ПВ), которые выделяли из жмыха масличных культур Зауралья методом водного гидролиза. К навеске жмыха массой 3,0000 г добавляли 300 мл дистиллированной воды и кипятили в течение часа. После чего воду сливали, добавляли вновь 300 мл дистиллированной воды и операцию повторяли еще дважды. После отстаивания и декантации пищевое волокно сушили в течение трех часов при температуре 1000С в сушильном шкафу [1]. Такая обработка приводила к удалению из жмыха свободного крахмала, диоксида серы, других веществ, растворимых в воде. Содержание общего крахмала уменьшалось с 10-12% до 4-5%, белковых веществ на 1-2%.
Основной стандартный раствор нитрата свинца готовили растворением навески соли массой 33,1200 г в мерной колбе вместимостью 100 мл. Концентрация данного раствора 1 моль/л. Для исследований процессов сорбции растворы с меньшими концентрациями 10, 7, 5, 2, 1, 0,7, 0,5 ммоль/л готовили последовательным разбавлением исходного раствора.
Для построения калибровочного графика использовали стандартные растворы нитрата свинца с концентрацией 10"7-10-1 моль/л, которые готовили из основного стандартного раствора последовательным разбавлением.
Содержание ионов свинца в модельном растворе до и после контакта с пищевым волокном измеряли ионометрически. Ионоселективный электрод подключали к высокоомному (индикаторному) входу иономе-ра, а электрод сравнения — к входу «вспомогательный». Хлоридсеребряный электрод сравнения заполняли насыщенным раствором KCl и использовали с электролитическим ключом с малым истечением.
Ионоселективный электрод промывали дистиллированной водой, а затем проводили калибровочные измерения в приготовленных стандартных растворах, последовательно меняя концентрацию раствора от
83
меньшей к большей. Измерения потенциала при калибровке и последующем определении концентрации свинца в анализируемом растворе проводили в стандартных условиях.
По окончании измерений электрод промывали дистиллированной водой до потенциала, ниже соответствующего потенциала в самом разбавленном растворе на 5-10 мВ.
По полученным данным построили график зависимости потенциала электрода от отрицательного логарифма концентрации ионов свинца в растворе (рисунок 1).
лены в виде кривых сорбции ионов свинца (II) (рисунок 3).
Рисунок 1 - Калибровочный график
Для исследования скорости сорбции ионов свинца на ПВ в конические колбы вместимостью 100 мл помещали навески сорбента массой 0,5000 г, добавляли по 50 мл раствора свинца с исходной концентрацией 5,0 ммоль/л. Полученную смесь встряхивали на приборе для встряхивания и через 5, 15, 30, 45, 60, 90, 180 мин проводили измерения равновесной концентрации ионов свинца(И) в растворе ионометрически.
Сорбционную способность пищевых волокон определяли в диапазоне концентраций ионов свинца (II) от 0,5 до 10 ммоль/л (0,5, 0,7, 1,0, 2,0, 5,0, 7,0, 10,0 ммоль/л). В конические колбы вместимостью 100 мл вносили по 0,5000 г пищевого волокна. В каждую колбу наливали по 50 мл раствора РЬ^03)2 соответствующей концентрации. После этого систему оставляли при периодическом перемешивании на 24 часа. Через сутки равновесную концентрацию (С ммоль/л) ионов свинца (II) в растворе определяли ионометрически.
Сорбцию рассчитывали по формуле:
(С0 - С) ■ V
А =
т
где С0 - исходная концентрация ионов РЬ2+ (моль/л); С - концентрация ионов свинца после сорбции (равновесная концентрация) (ммоль/л); V - объем раствора РЬ^03)2 (л); т - масса сорбента (г).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение зависимости величины сорбции ионов свинца на ПВ от времени (режим встряхивания, без предварительного смачивания сорбента) показало, что наибольшая скорость сорбции наблюдается в первые 5 минут и составляет 0,24 ммоль/лмин (рисунок 2).
Изучена эффективность сорбции ионов свинца (II) пищевым волокном. Экспериментальные данные представ-84
Рисунок 2 - Зависимость сорбции ионов свинца на пищевых волокнах от времени контакта с сорбентом
Рисунок 3 - Изотерма сорбции ионов свинца пищевыми волокнами масличных культур
Максимальная величина сорбции ионов свинца на ПВ составила 0,17 ммоль/г при исходной концентрации раствора соли свинца 5 ммоль/л.
Проведенное исследование показало, что пищевое волокно сорбирует ионы свинца. Известно, что основные компоненты пищевых волокон - целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, пектин, альгиновая кислота. По структуре ПВ разнообразны, но в большинстве своем это полисахариды [2]. Однако близость структуры не приводит к схожести свойств. Отсюда следует вывод, что необходимо изучать разные виды волокон. ПВ могут существенно отличаться по сорбционным свойствам. Известно, что волокна содержат в своем составе огромное количество функциональных групп несущих положительный или отрицательный заряд. А значит, волокна могут быть и катионо- и анионообмен-никами. Могут различаться и механизмы сорбции: ионный обмен, комплексообразование, электростатическое притяжение, образование водородных связей.
Таким образом, особенности структуры и химического состава приводят к различной субстрат-свя-зывающей способности пищевых волокон по отношению к веществам, то есть одно и то же волокно ведет себя по-разному в отношении различных веществ (неорганических и органических). Кроме того, разные виды волокон обладают неодинаковой способностью к сорбции одного и того же вещества. Полученные результаты, несомненно, расширят наши представления о свойствах волокон, выделенных из масличных культур Зауралья. Интересным было бы выявить за-
ВЕСТНИК КГУ, 2012. №3
кономерности сорбционных равновесий при наличии в модельном растворе двух и более ионов, что нам еще предстоит выяснить.
В пищевых волокнах, полученных нами водным гидролизом, возможно, преобладают группы, создающие на поверхности ПВ отрицательный заряд, поэтому поверхность ПВ электростатически притягивает положительно заряженные катионы свинца. Кроме того, в составе функциональных групп, располагающихся на поверхности волокна, могут присутствовать катионы, способные к обмену с ионами металла, находящегося в растворе.
Проведено математическое описание процесса сорбции (использовали уравнение Ленгмюра). Его графическое решение позволяет найти константы, характеризующие сорбент и растворенное вещество.
Уравнение Ленгмюра в общем виде:
Уравнение Ленгмюра в линейном виде:
С А
А„ ■ К
1
■TlfYl
где Лх - предельная сорбция (ммоль/г); К — константа сорбционного равновесия; С — концентрация (ммоль/л). Определены константы уравнения Ленгмюра для сорбции ионов свинца на пищевом волокне (рисунок 3).
Рисунок 3 - Гоафическое описание процесса сорбции ионов
свинца на пищевом волокне (уравнение Ленгмюра)
В соответствии с представленной на рисунке 3 зависимостью, построенной с использованием экспериментальных данных, реальные значения констант Aœ и К, могут быть найдены следующим образом: 1
К =-,
Ац, ■ Z
где Z — отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.
Для пищевого волокна значения Aœ и К равны соответственно 0,23 ммоль/г и 0,64.
Уравнение принимает вид:
С 11
.
А 0,23-0,64 0,23
Сорбционная способность ПВ по отношению к ионам свинца невелика, однако использование его в
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 5
сочетании с другими природными сорбентами (глины, цеолиты) в различных соотношениях могло бы способствовать созданию материалов с заранее заданной сорбционной активностью. Такие материалы можно применять в качестве дешевых экологичных природных сорбентов для очистки природных объектов и организма человека и животных от тяжелых металлов.
Список литературы
1 Дудкин М.С.,Черно Н.К., Казанская И.С. и др. Пищевые
волокна. Киев: Урожай, 1988. 152 с.
2 Шатнюк Л.Н. Пищевые волокна зерновых культур: новые
тенденции // Хлебопекарное производство. 2011. №2. С.64-66.
УДК 544.774.2 А.В. Шаров
Курганский государственный университет
ВЛИЯНИЕ МОЛЯРНОГО СООТНОШЕНИЯ ВОДЫ И ТЕТРАЭТОКСИСИЛАНА НА СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В СИЛИКАГЕЛЯХ
Аннотация. В работе выявлено минимальное молярное соотношение воды и тетраэтоксисила-на, необходимое для синтеза силикагелей, не содержащих остатков органических веществ.
Ключевые слова: силикагель, золь-гель метод, термический анализ.
A.V. Sharov Kurgan State University
INFLUENCE OF MOLAR RATIO OF WATER AND
TETRAETHOXYSILANE ON ORGANIC CARBON CONTENT IN SILICA GELS
Abstract. The article has defined the minimum molar ratio of water and tetraethoxysilane required for synthesizing silica gels without gel residues of organic substances.
Index terms: silica, sol-gel method, thermal analysis.
ВВЕДЕНИЕ
В синтезе силикагелей как матриц для ковалент-ной и нековалентной иммобилизации различных веществ особое внимание следует уделять их чистоте. При получении силикагелей традиционным методом кислотного гидролиза силиката натрия необходимо применять отмывку продукта от солей натрия [1]. Если в качестве исходного вещества используется тетра-алкоксисилан, среди продуктов, загрязняющих обра-
85
