CC BY
11
SCIENCE TIME
■
ИЗУЧЕНИЕ ЦИКЛОВ «СОРБЦИЯ-ДЕСОРБЦИЯ» В ХОДЕ ОЧИСТКИ МОДЕЛЬНОЙ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (II)
Силайчева Марина Владимировна, Степанова Светлана Владимировна, Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань
E-mail: silmarina93@mail.ru
Аннотация. Целью статьи является исследование возможности повторного применения кленового опада в качестве сорбционного материала для очистки модельной воды, загрязненной ионами железа (II). Сорбционный процесс проводился в течение 60 мин. Регенерация сорбционного материала осуществлялась раствором соляной кислоты с концентрацией 1 моль/дм3 в течение 45 мин. Было последовательно проведено несколько циклов «сорбция-десорбция» для установления момента истощения сорбционного материала.
Ключевые слова: модельная вода, ионы железа (II), сорбция, кленовый опад, десорбция.
Присутствие тяжелых металлов (ТМ) в окружающей среде является серьезной проблемой по причине их токсичности, тенденции к биоаккумуляции, что является угрозой, как для жизни человека, так и для живых объектов природной среды. Общеизвестным является факт, что ТМ могут навредить нервной системе и костям человека, а также могут блокировать функциональные группы важнейших ферментов [1]. В последнее время в природных и сточных водах наблюдается повышенное содержание ионов железа, которые способны вызывать нарушение слизистой оболочки кишечника и развитие печеночной недостаточности у людей, механическое повреждение и асфиксию рыб и икры [2].
В настоящее время большое внимание уделяется внедрению различных путей очистки, не требующих больших вложений финансовых средств и не оказывающих негативного влияния на окружающую природную среду. Актуальным видится использование в качестве сорбентов и их модификатов
I
SCIENCE TIME
I
различных отходов от переработки природного сырья. К таковым отходам относится и листовой опад, ежегодно накапливающийся на территории населенных пунктов [3]. В данной работе в качестве сорбционного материала (СМ) применялся кленовый листовой опад (КЛО) деревьев вида Acer platanoides (клен остролистный). Известно, что опад клена остролистного содержит: лигнина - 17,3 %, целлюлозы - 16,3 % [4], дубильных веществ - 1,6 % [5].
Наличие данных веществ способствует протеканию хемосорбционных процессов с участием функциональных групп в составе названных биополимеров.
Ранее в работах [6, 7] показана возможность сорбции кленовым опадом ионов железа (II), содержащихся в модельных водах. Также рассматривалась кинетика и механизм сорбционного процесса при различных температурах с вычислением термодинамических параметров и констант скоростей процесса. Установлено, что оптимальное время сорбции составляет 60 мин. Однако, в ходе проведенных экспериментов возник вопрос о повторном использовании отработанного сорбционного материала, поскольку КЛО, содержащий ионы железа (II), может стать причиной вторичного загрязнения окружающей среды
В работе [8] предлагается использовать для регенерации в статическом режиме водные растворы соляной и серной кислот следующего разбавления: от 1:1 до 1:9. Установлено, что при использовании соляной кислоты, оптимальными являются разбавления 1:6 и 1:8, что соответствует молярной концентрации 1,01,2 моль/дм . В случае применения серной кислоты оптимальными также являются разбавления 1:6 и 1:8, что соответствует молярной концентрации 1,11,2 моль/дм .
Для проведения экспериментов в настоящем исследовании в качестве модельного поллютанта использовался FeSO4 ■ 7Н20, причем навески брались с учетом кристаллизационной воды. Эксперименты по определению кратности использования КЛО для сорбции ионов железа из модельного раствора проводились путем выдерживания СМ в модельной воде при постоянном перемешивании в течение 60 мин при комнатной температуре. Соотношение массы СМ (г) к объему модельной воды (см ) составило 2,5:100. Проводилось по три параллельных опыта.
Процесс сорбции проводился в несколько этапов до полного насыщения СМ. На I этапе сорбции в плоскодонную колбу объемом 250 см приливалось 200
"3 л
см модельной воды, содержащей ионы железа (II) с концентрацией 1000 мг/дм , и насыпался предварительно высушенный и измельченный до размера фракции 5 мм КЛО в количестве 5 г. Далее, содержимое колбы подвергалось перемешиванию при помощи лабораторного шейкера в течение 60 мин. После окончания процесса сорбции содержимое колб отделялось от СМ, который
при попытке его утилизации.
| SCIENCE TIME Щ
высушивался до достижения постоянной массы, а в фильтратах определялась концентрация ионов Fe(II) комплексонометрическим методом [9].
Аналогично проводились эксперименты сорбции (II-IV), где в качестве СМ брался отработанный кленовый опад предыдущего этапа, до достижения остаточной концентрации ионов железа в фильтратах 1000±0,5 мг/дм . Исходная концентрация модельной воды C(Fe)ucx (мг/дм ), остаточная концентрация ионов
-5
железа C(Fe)ocm (мг/дм ), степень очистки ф (%) и погрешность эксперимента s (%) представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты экспериментов «сорбция I-IV»
Процесс C(Fe)ucx, мг/дм3 C(Fe)ocm, мг/дм ф ± s, %
528,08
Сорбция I 621,60 50,81 ± 6,15
495,60
908,88
Сорбция II 908,88 2,48 ± 2,28
929,60
936,32
Сорбция III 940,80 0,69 ± 0,48
925,68
Сорбция IV 999.4 999.5 999.6 0,01 ± 0,01
На основе данных таблицы 1, можно сделать вывод, что эффективность очистки на первом этапе сорбции составляет ф1 = 50,81 %. После проведения процесса сорбции II становится ясно, что эффективность удаления ионов железа (II) резко снижается и составляет всего ф2 = 2,48 %. На стадии сорбции III можно говорить о приближении к истощению сорбционных свойств КЛО, поскольку поглощение ионов железа (II) практически не происходит (эффективность ф3 = 0,69 %), что также подтверждается проведенным нами процессом сорбции IV, где степень очистки практически равна нулю (<р4 = 0,01 %). Таким образом, после осуществления 4-х этапов сорбции, наступает полное истощение сорбционных свойств КЛО. Суммарное содержание ионов железа (II) после проведения 4-х этапов сорбции и полного насыщения СМ составило 596,49 мг, сорбционная емкость СМ - 23,86 мг/г.
Следующим ступенью исследования являлось определение возможности регенерации отработанного КЛО после сорбции ионов железа.
Эксперименты по десорбции проводились следующим образом: отработанный СМ (после этапа сорбции) выдерживался в молярном растворе соляной кислоты (1М НС1) при постоянном перемешивании в течение 45 мин и
I SCIENCE TIME Щ
температуре 20±3 °C в соотношении 2,5:100 - масса отработанного СМ (г) к
-5
объему 1М раствора HCl (см ). Проводилось три параллельных опыта.
После окончания процесса десорбции содержимое колб отделялось от регенерированного СМ, который высушивался до достижения постоянной массы, а в фильтратах определялась концентрация ионов Fe (II) комплексонометрическим методом [9].
Аналогично проводились эксперименты по десорбции (II-III), где в качестве навески брался регенерированный кленовый опад предыдущего этапа, до достижения постоянной концентрации ионов железа в фильтратах. Количество ионов Fe(II), выделившееся в фильтрат после десорбции х (%) и погрешность эксперимента в (%) приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты экспериментов «десорбция I-III»
Процесс C(Fe)ocm, мг/дм3 X ± в, %
245,28
Десорбция I 181,44 35,55 ± 13,37
209,44
124,88
Десорбция II 120,40 20,81 ± 1,79
127,12
160,72
Десорбция III 162,40 27,13 ± 1,03
162,40
На основании данных, приведенных в таблице 2, сделан вывод, что после процесса I этапа десорбции в фильтрат выделилось лишь х1 = 35,55 % от числа поглощенных ионов железа (II), следовательно, основная часть адсорбированных в ходе сорбции I ионов Fe(II) остается на поверхности и в массе СМ, что обусловлено взаимодействием ионов железа (II) с функциональными группами лигнина, целлюлозы и дубильных веществ [3, 10]. В ходе процесса десорбции II этапа продолжается выделение в фильтрат ранее адсорбированных ионов Fe(II), их количество составляет х2 = 20,81 % от общего числа поглощенных ионов. На стадии десорбции III этапа происходит дальнейшее выделение ионов Бе(П) в фильтрат, при этом количество выделившихся ионов железа (II) несколько возросло по сравнению с десорбцией II стадии (х3 = 27,13 %). Проведение IV стадии десорбции не осуществлялось, поскольку истощение КЛО практически наступило после стадии сорбции III, что подтверждается сорбцией IV, следовательно, проведение стадии десорбции IV нецелесообразно.
На основе анализа полученных данных, можно утверждать, что СМ целесообразно использовать только для первичной сорбции, поскольку в дальнейшем происходит резкий спад в поглощении загрязняющих ионов ТМ, в
I
SCIENCE TIME
I
данном случае ионов Fe(II), а последующая регенерация не позволяет полностью восстановить сорбционную способность КЛО в полном объеме. Данный факт свидетельствует об экономической нерациональности проведения процесса десорбции, т.к. для возврата СМ на повторное использование после регенерации требуется обеспечить высокую степень десорбции иона металла (выше 95 %) [11]. В нашем случае степень десорбции после каждого процесса регенерации не превышала 35,55 %. В качестве рекомендаций по улучшению процесса регенерации отработанного СМ могут выступать: увеличение времени десорбции и концентрации раствора соляной кислоты.
Литература:
1. Varma G. A comparative study on the removal of heavy metals by adsorption using fly ash and sludge: A review / G. Varma, R.K. Singh, V. Sahu // IJAIEM. - 2013. -Vol. 2, № 7. - Р. 45-56.
2. Железо. Электронный ресурс: сельскохозяйственная электронная библиотека знаний [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.cnshb.ru/ AKDiL/0033a/base/k0090006.shtm, свободный.
3. Юсупова А.И. Очистка сточных вод, содержащих ионы металлов, сорбентами и экстрактами из таннинсодержащих отходов: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 03.02.08 / Юсупова Альбина Ильшатовна; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. -2015. - 16 с.
4. Milton Ward G. Lignin and cellulose content of benthic fine particulate organic matter (FROM) in Oregon Cascade Mountain streams / G. Milton Ward // J.N. Am. Benthol. Soc. - 1986. - Vol. 5. - №2. - Р. 127-139.
5. On the issue of environment-oriented measures to eliminate the causes and reduce the effects of technogenic impact on the territory / S.A. Sedov et al // Biosci. Biotech. Res. Asia. - 2014. - Vol. 11. - P. 169-172.
6. Использование кленового опада для очистки водных объектов от ионов железа (II) / М.В. Силайчева, О.А. Гальблауб, С.В. Степанова. Сборник докладов II Международной молодежной научной конференции «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов». - Белгород, Ч. 2. - стр. 235237. - 2014.
7. Силайчева М. В. Кинетика сорбции ионов железа (II) кленовым опадом / М.В. Силайчева, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18, №20. - С. 257-259.
8. Сырых Ю.С. Сорбционная доочистка производственных стоков от ионов тяжелых металлов: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.23.04 / Сырых Юлия Сергеевна; Иркутск. гос. тех. ун-т. - 2010. - 19 с.
I
SCIENCE TIME
I
9. Ю.Ю. Лурье, Аналитическая химия промышленных сточных вод, Химия, Москва, 1984. - С. 112-113.
10. Демин В.А. Химия процессов целлюлозно-бумажного производства. Часть I. Структура, свойства и химические реакции лигнина: учебное пособие для подготовки дипломированного специалиста / В.А. Демин. - Сыктывкар: СЛИ, 2008. - 64 с.
11. Аронбаев С.Д. Изучение сорбции ионов тяжелых металлов биосорбентом на основе клеточных стенок дрожжей, иммобилизованных в Са-альгинатный гель в статическом и динамическом режимах / С.Д. Аронбаев // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. - 2016. - №6 (24) [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/3255 (дата обращения: 21.07.2016).
