ОЧИЩЕННЯ ВОД ВіД ХРОМУ(VI) ТА УРАНУ(VI) З ВИКОРИСТАННЯМ іММОБіЛіЗОВАНОГО НАНОДИСПЕРСНОГО FE0 Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

-:-7° -;----

Дослiджено фiзико-хiмiчнi особливостi

процеыв очищення вод вид сполук хрому(У1) та урану(У1) з використанням сорбцшно-видновлювальних матерiалiв на основi нано-розмiрного Рв° i глинистих мiнералiв. Методом макроелектрофорезу визначено електрокте-тичш властивостi композицшних сорбентiв. Встановлено, що перебк сорбцшних процеыв обумовлений структурою поверхш одержа-них матерiалiв, яка метить рiзнi за своею хiмiчною поведткою функщональш групи

Ключовi слова: iммобiлiзоване нанороз-мiрне Гв°, сорбцшна здаттсть, сполуки хро-му(У1) та урану(У1), електроповерхневi вла-стивостi

□-□

Исследованы физико-химические особенности процессов очистки вод от соединений хрома(У1) и урана(У1) с использованием сорбционно-восстановительных материалов на основе наноразмерного Гв° и глинистых минералов. Методом макроэлектрофореза определены электрокинетические свойства композиционных сорбентов. Установлено, что протекание сорбционных процессов обусловлено структурой поверхности полученных материалов, которая содержит разные по химическому поведению функциональные группы

Ключевые слова: иммобилизованное нано-размерное Гв°, сорбционная способность, соединения хрома(У1) и урана(У1), электроповерхностные свойства _

УДК 628.315+546.76+546.791

|doi: 10.15587/1729-4061.2015.48885|

ОЧИЩЕННЯ ВОД В1Д XPOMY(VI) ТА УРАНУ(Ш) З ВИКОРИСТАННЯМ 1ММОБ1Л1ЗОВАНОГО НАНОДИСПЕРСНОГО Fe0

В. Ю. To6iл ко

Асистент* E-mail: v_tobilko@mail.ru О. Л. Маковецький

Кандидат техшчних наук, провщний шженер* E-mail: olekslavr@ukr.net I. А. Ковальчук Кандидат хiмiчних наук, старший науковий сшвробЬник 1нститут сорбцп та проблем ендоекологи НАН УкраТни вул. Генерала Наумова, 13, м. КиТв, УкраТна, 03164 E-mail: kov_irina73@mail.ru Б. Ю. Ко р н i л о в и ч Член-кореспондент НАН УкраТни, Доктор хiмiчних наук, професор, завщувач кафедри* E-mail: b_kornilovych@kpi.ua *Кафедра хiмiчноТ технологи керамки та скла Нацюнальний техшчний уыверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056

1. Вступ

Серед неоргашчних забруднювачiв водного басей-ну одними з найбшьш небезпечних е сполуки хро-му^1) та урану(VI), котрi в значних юлькостях мш-тяться в спчних водах гальванiчних виробництв або в рщких вiдходах видобутку та переробки уранових руд. Для цих сполук характерна висока токсичшсть поруч зi значною розчиннiстю у водi. При суттевому Тх вмiстi в забруднених водах i при утвореннi за Тх участю псев-доколоТдiв, колодав або великих за розмiром комп-лексних iонiв доцiльно використовувати таю методи водоочищення як коагуляцiя-спiвосадження, а також ф^ьтрування, ультра- та наноф^ьтращя. Досягнення ж високих ступенiв очищення, що вщповщае сучасним стандартам, можливе, перш за все, з використанням сорбцiйних методiв iз застосуванням високоефектив-них оргашчних i неорганiчних iонообмiнникiв, що за-безпечують практично повне видалення юнних форм цих елементiв [1].

Однак сорбцшне очищення таких складних за своею хiмiею забруднених вод потребуе використання до-статньо дорогих синтетичних юнообмшниюв. Роботи по розширенню кола сорбцiйних матерiалiв, що про-являють високi iонообмiннi властивостi ^ в той же час

можуть вироблятися на 0CH0Bi дешевоТ сировини, такоТ як, наприклад, природнi алюмосилжати, провадяться Hapa3i в багатьох лабораторiях. Перспективними для видалення хрому(VI) та урану^1) i3 забруднених вод е природнi алюмосилiкати, на поверхнi яких iммобiлi-зованi частинки нанорозмiрного Fe0 [2, 3].

У зв'язку з цим актуальшсть роботи обумовлена не-обхщшстю розробки сорбцiйних технологiй глибокого очищення вод, що забруднеш сполуками хрому^1) та урану(VI), з використанням високоефективних деше-вих сорбуючих матерiалiв.

2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми

Складшсть сорбцiйного видалення хрому^1) та урану(VI) обумовлена тим, що у водних розчинах вони можуть знаходитись у анюнних формах, яю погано сорбуються на звичайних катюнообмшниках, таких як глинистi мшерали, цеолiти, тощо. Так, основними формами Сг^1) у водному середовищi е НСЮ4- та СЮ42-. При рН<4 домiнуючою формою е НСЮ4-, а при рН>9 переважають хромат - iони [4].

Характерною рисою водних розчинiв сполук урану е можлившть гiдролiзу найб^ьш типовоТ форми

©

ypaHy(VI) - урашл ioHy UO22+ - з утворенням рiзних за складом i зарядом гiдроксокомплексiв UO2OH+, (UO2)3(OH)5+, (UO2)4(OH)7+ та iH. При цьому по Mipi змiни величини рН вщ кисло! областi до лужно! част-ка iонiв урашлу, що добре зв'язуються катюнооб-мшниками зменшуеться, а кiлькiсть нейтральних та негативно заряджених складних гщроксокомплекав (UO2)(OH)2, [(UO2)(CO3)3]4-, [(UO2)(CO3)2(H2O)2]2-та iн., якi не сорбуються, зростае [3, 4].

Особливштю сполук шестивалентних хрому та урану е 1х редокс-чутливкть. 1они CrO42- i UO22+ легко вщновлюються до три- або чотирьохвалентного стану, вщповщно, навiть в достатньо м'яких умовах. Так вщ-новлення урану^1) вiдбyваеться за реакцiею:

UO2++ 4H++ 2e U4+ + 2H2O, E0 = 0,327B,

lgK = 9,017. (1)

Важливим з технолопчно! точки зору е те, що спо-луки цих елементiв в нижчих ступенях окиснення е малорозчинними i це обумовлюе 1х подальше осаджен-ня з розчинiв:

U4+ + 2H2O UO2 + 4H+, lgK = 4,832. (2)

В зв'язку з цим, перспективним пщходом до вирь шення проблеми глибокого очищення забруднених сполуками хромy(VI) та урану^1) вод е поеднання сорбцшного та вiдновлювального механiзмiв в одному процесь Саме таким вимогам задовольняють технологii, що базуються на використанш компо-зицiйних сорбцiйно-вiдновлювальних матерiалiв на основi нанорозмiрного Fe0 i природних глинистих мiнералiв [5]. Використання при синтезi такого роду композиив неорганiчноi матрицi, на поверхнi яко! iммобiлiзyються первиннi зародки Fe0, забезпечуе пщвищену дисперснiсть нанорозмiрного залiза та перешкоджае його агрегацii [6, 7]. В якоси останньо! можуть виступати природш глинистi мiнерали, ха-рактерним для яких е здатшсть до утворення мщних поверхневих комплексiв з юнами металiв за рахунок значно! кiлькостi активних центрiв, якi можуть зна-ходитись як на базальних, так i на бiчних гранях крис-талiв [8]. Крiм природних мiнералiв в якостi стаб^-заторiв нанодисперсного залiза також застосовують алюмосилжати, модифiкованi рiзними органiчними речовинами [9, 10].

Оксидно-гiдроксидний шар, що складае зовшшню оболонку нанодисперсних частинок Fe0 (<100 нм) з типовою, так званою, «core-shell» структурою, проявляе висок анюнообмшш або, навггь, одночасно катюно-i анiонообмiннi властивосп [11]. З iншого боку, ме-талiчне залiзо е ефективним донором електрошв, що може забезпечити практично повне сорбцшно-вщнов-лювальне осадження сполук хрому(Ш) та yранy(IV) з розчишв [12]:

Fe0 ^ Fe2+ + 2e, E0 =-0,440B. (3)

Fe2+^ Fe3+ + e, E0 =-0,771B. (4)

Таким чином, використання композицшних мате-рiалiв, якi мiстять нанодисперсне Fe0, iммобiлiзоване

на неорганiчнiй матриц може дати змогу вирiшити проблему глибокого очищення вод, забруднених спо-луками хрому та урану. При цьому використання дешевих природних матерiалiв дозволить суттево зни-зити витрати на вiдповiднi технолопчш процеси.

3. Цiль та задачi дослiдження

Метою роботи е встановлення фiзико-хiмiчних особливостей процесiв очищення забруднених вод вщ таких небезпечних токсиканпв, як сполуки хро-му(VI) та урану^1) з використанням композицiйних силжатних сорбентiв.

Для досягнення поставлено! мети необхщно було вирiшити наступнi задача

- визначити електроповерхневi властивостi частинок глинистих мiнералiв з нанесеним шаром нано-розмiрного Fe0, як обумовлюють перебiг сорбцiйних процесiв в цих системах;

- дослщити фiзико-хiмiчнi особливостi процесiв сорбцiйного очищення забруднених вод вщ сполук хрому(VI) та урану^1) з використанням нанодисперсного реакцшноактивного матерiалу на основi глинистого мшералу.

4. Матерiали та методи дослщження процесiв сорбцп

4. 1. Синтез сорбцшних матерiалiв та методика ви-значення ¡х електроповерхневих властивостей

Дослщження проводили з використанням шарува-того силжату з набухаючою структурою (структурний пакет 2:1) - монтморилошту (ММТ) та шарувато-стрiч-кового силжату палигорськiту (ПГ) (обидва мшерали Черкаського родовища, Украша). Очищення вихщних мiнералiв вiд домiшок та модифжування 1х поверхнi нанодисперсним Fe0 з використанням FeCl3 ■ 6Н20 та №ВН4, як вiдновника проводили за методиками, що були детально описаш рашше [13, 14]. Одержа-ну дисперию композицiйного сорбенту вiддiляли вщ рiдкоi фази центрифугуванням, промивали спиртом, а далi висушували пiд вакуумом при температурi 60 °С та подрiбнювали до отримання фракцп <0,1 мм. Масове спiввiдношення мiж складовими композицш-ного сорбенту (Fe0- ММТ) становило 0,1 г Fe0 на 1г глинистого мiнералу. Феригiдрит ^е503(0Н)9) був синтезований за методикою [15].

Дослщження електроповерхневих властивостей (£,-потенщал, ц - електрофоретична рухливiсть) син-тезованих сорбенпв проводили на модифiкованiй електрофоретичнш установцi [16, 17]. принципова вщмшшсть вiд вiдомих полягае в тому, що, для пщ-ведення напруги для створення електричного поля в суспензп та боковiй рiдинi, замiсть агарових ключiв, традицiйно приготовлених на концентрованих роз-чинах КС1 (вiд 10-1 М до насичених), використано агаровi ключi, приготовленi на основi дисперсшно-го середовища дослiджуваноi колощно! системи (на практищ концентрацiя його знаходиться в межах 10-110-4 М). Таким чином пщвищуеться точнiсть визначен-ня, оскiльки виключено дифузiйний перешс хлористого калiю iз агарових ключiв у дослiджувану дисперсну систему, що в процеа вимiрювання призводило до

у5

змши електропроввдност боково1 рiдини та електро-кiнетичних властивостей системи.

Пiдготовка зразюв для визначення електрокшетич-них характеристик включала наступне: суспензн монт-морилонггу та свiжосинтезованого феригiдриту (об'ем -50 см3) обробляли ультразвуком (частота - 22 кГц). 1н-тенсившсть випромшювання для алюмосилiкату скла-дала 12,4 Вт / см2, тривалкть обробки - 3 хв, а для фери-пдриту - 2,5 Вт /см2 та 30 с ввдповвдно. Композицшний сорбент Fe0- MMT диспергуванню не пiддавали. Всi зразки ввдмивали та приводили у рiвновагу з розчи-ном NaCl (10-2 М): залiзовмiснi матерiали феригiдрит i Fe0 - MMT промивали 6 разiв, змiнюючи розчин пiсля перемшування та вiдстоювання, а ММТ - 5 разiв з цен-трифугуванням при 2400 g протягом 12 хвилин. Ввдми-вання сорбенпв закiнчували, коли електропроввдшсть розчину пiсля промивання вiдрiзнялась вiд тако1 для розчину NaCl (10-2 М) не бiльш шж на 3 %.

4. 2. Методи дослщження процесiв сорбцп хро-My(VI) та ypaHy(VI)

Сорбцiю важких металiв i радiонуклiдiв глинисти-ми мшералами та композицiйними силiкатними сорбентами проводили в статичних умовах при юмнатнш температурi та заданш iоннiй силi (I = 0,01) при безпе-рервному струшуваннi зразюв (об'ем розчинiв - 50 см3, наважка сорбенту - 0,1 г). Шсля встановлення адсор-бцiйноi рiвноваги водну фазу вiддiляли центрифугу-ванням та визначали в нш рiвноважну концентращю металу спектрофотометричним методом на прилад1 UNICO 2100UV з використанням реагенту дифешлкар-базиду при довжиш хвилi 540 нм для хрому, та реагенту Арсеназо III при довжиш хвилi 665 нм для урану [18].

5. Результати дослщжень електроповерхневих властивостей сорбенив i ф1зико-х1м1чних особливостей процеав сорбци

Для характеристики електроповерхневих властивостей синтезованих композищйних сорбент1в було проведено експериментальне визначення £, - потенща-лу - основного параметру, що описуе електрокшетичш властивост1 днсперсннх систем. Результати експери-ментального визначення електрокшетичних характеристик суспенз1й сорбенпв наведеш в табл. 1. Кр1м того, були дос.гпджеш електроповерхнев1 властивосп вихщ-них дисперий монтморилошту та ферипдриту.

Таблиця 1

Умови* та результати визначення електрокшетичних характеристик суспензш сорбентiв методом макроелектрофорезу

Суспенз1я Масова концентра-щя твердоi фази C, % Град1ент електрич-ного поля в суспензй' E, B-м-1 Електро-форетична рухливють частинок М, м2-с-1-В-1 Дзета потенщап мВ

Na - ММТ °,5° 284 -2,4 -3°

Ферипдрит °,1° 275 4,4 56

Fe° - MMT °,25 319 -1,6 -2°

ПримШка: * - дисперсшне середовище - водний розчин NaCl (10-2 М)

При встановленш фiзико-хiмiчних особливостей очищення природних вод вщ забруднення хро-мом(VI) з використанням композицшних сорбенпв на основi глинистих мiнералiв, модифiкованих нано-розмiрним залiзом, було дослiджено вплив основних факторiв на процес сорбцii, а саме: дисперсноси час-тинок сорбенту, стввщношення основних компонен-тiв в складi композицiйного сорбенту та рН водного середовища. Ефективнiсть вилучення хрому модифь кованими силiкатними матерiалами порiвнювали з сорбцшною здатнiстю дисперсiй синтезованого нано-розмiрного Fe°.

Для визначення оптимальних умов сорбцп хрому залiзовмiсними матерiалами було вивчено вплив часу контакту сорбенпв iз розчином (I = °,°1, Ccr(vi)= =1°°° мкмоль / дм3). На рис. 1 представлен кшетичш залежностi, отриманi при рН 7.

I год

Рис. 1. Юнетика сорбци Cr(VI) залiзовмiсними сорбентами: 1 - нанорозмiрне Fe0; 2 - Fe - ММТ (0,01:1)

Для визначення ефективноси вилучення хро-му^1) Fe0 було дослвджено сорбцiйнi властивост зразкiв залiза рiзноi дисперсностi. На рис. 2 представлеш iзотерми сорбцп хрому(VI), отримаш при рН 6.

Ср, ыкмоль/дм3

Рис. 2. 1зотерми сорбци xpoMy(VI) залЬом Fe0 p¡3HoT дисперсностi: 1 - Fe0 (<0,1 мм); 2 - Fe0 - Merck (10 мкм); 3 — синтезоване Fe0 (<100 нм)

Отримаш даш вказують на те, що максимальна величина сорбцп хрому дослщженими зразками Fe°

а, мкмоль/г

о

К)

W

^ ж.

1 ^

-п -I

ф - •

0 ISO

1 I

2 ^

^ т= Z1 I

(D

0 •

1 GO

-5 Ф —i =>

i

" ? ê п

I —

-i ы

w о

M

ы g ~о s ы' о , i о s -о ж о\

Ш -Е.

12

I S

II * ф о

° s

TW

о V s

я г

й S

i i

г n О Td о\ к э

К

X

X X M

и

S

n н S и

0 й rD

Ы

M

1 X

X

Со M

S

: -S s= к

X

X

й й FT К

Со о

M tí

г, К

со о

Р К

¡5 »

>н Ч

о

Р s

о к

к £

Ei: Td S

о

g к

м й rD

Ы s

H №

Cd

й'

n

= и t

Й V! n О "d о\

rD X

H

V!

Ю U1

• о "d S

й о

s.

h' V! n О "d o\ td S. S

H=

К н

S V!

2 и

S Td

й о »

S g

•H s

» n

и к

Cd

m Cd S

В

n О "d o\ к

s= к

V! Со Й м

Й g

И ь

о ¡Э.

Cd со i—•

й £

Ei: К

m м

* g й и

о Td

л S S я "d S "d о й К S

к=

Со

S

„

к 2

u H

Я^

S S

CD M

Й K

rD g »

S И 5. M

К й

К S

K= О "d m о g № И

О н

о ^

H

h- V!

5. r-

S I ^ S

ь n

й H

К

M

Я

О

o\

M M

TS я о H

Я s

Со о

о о o\Td

• "d о\

• » к Ы s;

rD

к s

Ei: Td

со К

О V!

H -

о

« н

S Td

м S

о g

О Ei:

Td я o\ S.

5. Я Td

Я H

M M

Я W

Td ж

Td •

й Ö

Я и

о »

^ о я

« Cd'

3 к

Я iû

з i

? s

Я Й м м ^ й О м

о и

м

II Н

ч я

ojTd

\ № ч и

rD S'

О §

Я к

S °

3. о

и о\

¡Ü 5.

V! Я

^ 3 К

Ei: m

Я к

ñ О

Я g

^ С

rD Я Й rD о Td

H M

м й и ^

о

Я [о

^ s

d ° 1-1 й

Я

и ье-

g §

S cd

q's

b4 о

Я О м

Я Я

rD Ei:

О щ

2 о

О W

2 о ^ со

О Я

Я ^

о 5'

ÏÏ я

s »

X Td

g я

fca S

И 0J

S

1—I й

я

Ei: со

n О Td о\ к

"О

s о s р

I H CD

S _

О ы

К) ~п тз s ь 0 1 о и ф тз s

ф о й* о s о

s о

=1 тз о\

тз s

—1 —:

тз CZ

"о п:

СЛ II <

<т> '—'

Ï? КЗ го s

GO

I I

Z -П

Û) ф

<=

I I

to о о

о о

n

тз

о\ о о

О ш й п о\ й 0\ щщпяяд

а, мкмоль/г Е S ^ S Ж Й

M

Д Г s Ч С'Кй W и S И ^ Я

Ê gü» Я SßKj »

а ™ K'B« H t3 » S= S= В. £ o\ „

¡2. Я ° s= К к К Д g » s 2

Si g I § S S ¡'S E « B * S s-p S S n s ° Й. S 3 ° g » I О

В S3" «SKagnu^sSog fi я I 'S 8 ф И о 2 2 : Е

в м rö ä ь ° - - » 5 я к Э к s

О £ о M " ^

£ ш g S s. § q g ^ 3 s 3 g e

^ g g ™ a -g. ° g g g g

u я \ s S -, о I« 5 • s 3

К' Я Ж " 2 £ .мдОКид°

2 « " V 1 Й я о м "

a, мкмоль/г

il

0) —

* Й О О

о 3 8 1 В. s i

о 1' О

■ s -S

— о\

О н

-I I I

w а> ^

» ЮС

о ы <

=• I

ti . ¿' s

тл-s

О

s

2 S 2

W

тз s

"О

s о

° -г-

ф II

XJ CD К)

о

тз

V! M

к

V!

К

M

S

р

Ol

я

rD Й П H M Cd й

о

о\ к

СП

V! й О

й о п й й' Ы

rD

к

о

H M

и о

о •в о\ к

э к

V! О) й M H

К

о

Ср, мкмоль/дм3

Рис. 7. 1зотерми сорбцп урану сорбентами на основi палигорсьюту: 1 - Са - ПГ; 2 - Fe3+/Fe0 - ПГ

6. Обговорення результаив дослщження фiзико-хiмiчних характеристик композицiйних матерiалiв

Дисперая монтморилонiту з нанесеним шаром Fe0 представляв собою нестiйку систему, що коагулюе пiд дieю електричного поля в електрофоретичнш комiр-цi. Величина £,-потенщалу складала для неТ -20 мВ (табл. 1). В той же час величини £,-потенщалу для компонент сорбенту - чистого монтморилошту i синтезо-ваного нанорозмiрного Fe0 значно вiдрiзняються мiж собою ^ навiть, мають рiзнi знаки: -30 мВ i +12 мВ [19, 20] вiдповiдно. Для порiвняння визначена величина для £,-потенщалу феригiдриту становить 56 мВ.

Це свщчить про мозаТчну структуру поверхнi ком-позицiйних сорбенпв: базальнi поверхнi плоских гек-сагональних частинок монтморилошту можуть бути шдльно вкрит шаром нанорозмiрного залiза, в той час як бiчнi гран зберiгають свiй первинний стан. Така структура поверхш з наявнiстю рiзних за своею хiмiчною поведiнкою функщональних груп визначае

i сорбцiйнi властивост одержаних сорбентiв [19, 21].

Вивчення кшетики взаемоди водних розчинiв спо-лук Cг(VI) з композицiйними сорбентами показало, що процес протжае досить штенсивно (рис. 1). За першi 15-30 хвилин сорбуеться бiльша частина юшв хрому, а пiсля 1 год контакту величина адсорбцп практично не змшюеться. При цьому композицшний сорбент прояв-ляе крашi сорбцшш властивостi, нiж чисте нанорозмiрне залiзо, навiть, при невисокому вмiстi Fe0. Це обумовлено тим, що додавання глинистих мiнералiв у процесi синтезу такого типу сорбенпв тдвищуе сорбцiйну здатнiсть отриманих композитiв за рахунок збшьшення Тх диспер-сносп у зв'язку iз зменшенням агломерацп часточок на-норозмiрного залiза та тдвищенням при цьому питомоТ поверхш модифжованих сорбентiв [22].

Визначальне значення ролi дисперсностi частинок Fe0 в процесах сорбцп хрому^1) пiдтверджуеться iзотермами сорбцii (рис. 2). Максимальнi величини сорбцп спостерпаються для нанорозмiрного залiза i становить 100 мкмоль/г при рН=6,0.

Процес вилучення iонiв хрому^1) матерiалами на основi монтморилонiту та нанорозмiрного залiза можна умовно роздшити на декiлька стадiй: дифу-зж анiону хрому з розчину до поверхш сорбенту, сорбщю на зовшшнш поверхнi (тонкiй оболонцi iз змшаних оксидiв залiза) та дифузiю через захисний

оксидний шар до ядра частинки Fe0 з подальшим вщновленням хрому(VI) до хрому(Ш). Враховуючи хiмiю поверхнi нанодисперсного залiза, найбiльш вiрогiдним в окислювальному середовишi е вилучення ашошв хрому за рахунок утворення складних сполук типу Сг^е1-х(ООН) в результат процесiв сорбцii [23]. Проте, при очищенш пiдземних вод та створенш анаеробних умов, найб^ьш ймовiрним буде складний сорбцiйно-вiдновлювальний меха-нiзм цього процесу.

Зменшення величин сорбцп хрому при тдвищенш рН (рис. 3) пов'язано з властивостями поверхш заль зовмiсних сорбентiв. У водному середовищд оксипд-роксиди залiза, якi, як вiдомо, покривають тонким шаром ядро синтезованого Fe0, хiмiчно взаемодiють з молекулами води, що призводить до процеав протону-вання та депротонування поверхневих функщональних груп. При цьому поверхня може бути як позитивно (>ОН2+), так i негативно (>0-) зарядженою в залежно-стi ввд рН водного розчину. В кислому i нейтральному середовишi поверхня частинок нанодисперсного залiза мае позитивний заряд (рН iзоелектричноi точки знахо-диться бшя 8), що обумовлюе добру сорбщю анюнних форм хрому. З тдвищенням рН, при переходi в лужну область, ввдбуваеться змiна заряду поверхш до негативного, що i е причиною зменшення величин сорбцп.

Характерною рисою одержаних композицшних сорбенпв е екстремальний характер залежносп сорб-цiйних характеристик вiд вмкту найбiльш реакцiйно здатного компоненту - Fe0 (рис. 4). Максимальнi значення величин сорбцп досягаються при ствввдношенш нанозалiзо - монтморилонiт 0,1: 1 при якому на поверх-ш глинистого мiнералу формуються найменшi за роз-мiром частинки Fe0. Сорбент, який мiстить 0,5 г Fe0 на 1 г глинистого мшералу проявляе нижчу сорбцшну здатнiсть, проте вищу, нiж чистий монтморилошт.

Перебiг процесiв сорбцii сполук урану^1) моди-фiкованим монтморилонiтом подiбний таким для сполук хрому^1) (рис. 5-7). Так, данi, представлен на рис. 5, вказують на те, що на процес вилучення урану, як i для хрому, суттево впливае розмiр часток дисперсного залiза. Синтезоване нанорозмiрне Fe0 ефективно вилучае уран iз водного середовища i величина максимальноТ адсорбцп при рН=6,2 становить 320 мкмоль/г, а б^ьш грубо дисперсне комерцшне за-лiзо значно прше сорбуе U(VI) як в атмосферi повiтря, так i в анаеробних умовах.

Модифжування глинистих мiнералiв (монтморилошту, палигорсьюту) нанодисперсним Fe0 приводить до значного покращення сорбцшних властивос-тей природних силiкатiв. Так, даш, представленi на рис. 6, вказують на те, що величина максимальноТ адсорбцп урану композицшним сорбентом на осшж монтморилонiту (спiввiдношення Fe0 до монтморило-нiту складае 0,1:1) при рН=6,2 становить 170 мкмоль/г, що майже в 3 рази перевищуе таку для чистого мшералу. В той же час, зразки з бшьшим вмктом залiза (0,5 г на 1 г мшералу), як i у випадку з сорбщею хрому, мають гiршi сорбцшш властивосп, хоча i суттево кращд, нiж чистий монтморилонiт (рис. 6). В свою чергу, палигор-сьют з нанесеним шаром нанодисперсного Fe0 у юль-костi, яка ввдповвдае катiонообмiннiй емкостi мiнералу, проявляе вищу сорбцшну здатшсть, чим природний си-лiкат (рис. 7), але нижчу, чим композицшш сорбенти на

0CH0Bi монтморилошту, що обумовлено значно б^ьшою катiонообмiнною eмкiстю останнього (майже у 4 рази) та особливостями структури алюмосилжапв.

Адсорбщя урану нанорозмiрним Fe° суттево зале-жить вiд електростатичноТ взаемодii мiж заряджени-ми функщональними групами оксидно-гiдроксидноi плiвки на поверхш частинок залiза та складними юнами U(VI) в розчинi. При вилученш сполук урану нанодисперсним Fe° можливе утворення складних поверхневих комплексiв [24]:

= FeOH + UO22+^= FeO - UO2 + + H+. (5)

= 2FeOH + UO22+ ^ (= FeO)2UO2° + 2H+. (6)

Формування саме таких складних комплексних сполук на поверхш модифжованих глинистих мшера-лiв е одшею з головних причин ефективного видален-ня небезпечних токсикантiв з забруднених вод.

7. Висновки

Експериментально визначено електроповерхневi властивост синтезованих композицшних сорбентiв. Встановлено, що дисперсiя монтморилошту з нанесе-ним шаром Fe° представляе собою нестiйку систему,

що коагулюе тд дiею електричного поля в електро-форетичнiй комiрцi, а величина £,-потенщалу складае для неТ -20 мВ. Показано, що електрокшетичний по-тенцiал для компоненив сорбенту - чистого монтморилошту i синтезованого нанорозмiрного Fe0 значно вiдрiзняються мiж собою i, навиь, мають рiзнi знаки: -30 мВ i +12 мВ вiдповiдно. Отриманi данi свiдчать про мозаТчну структуру поверхнi композицшних сор-бентiв, яка мае рiзнi за своею хiмiчною поведiнкою функцюнальш групи, що обумовлюе сорбцiйнi вла-стивостi одержаних матерiалiв.

Дослiджено фiзико-хiмiчнi особливостi процесiв сорбцiйного очищення забруднених вод вщ сполук хро-му^1) та урану(VI) з використанням нанодисперсного реакцшно активного матерiалу на основi глинистого мiнералу. Показано, що на ефектившсть видалення iонiв металiв суттево впливае рН водного середовища та юльюсть iммобiлiзованого нанорозмiрного Fe0 на поверхш алюмосилжапв. Встановлено, що композицш-ний сорбент проявляе крашi сорбцшш властивостi по вiдношенню як до хрому, так i до урану, шж чисте нано-розмiрне залiзо, що обумовлено додаванням глинистих мiнералiв у процесi синтезу. Це тдвищуе сорбцiйну здатнiсть отриманих композитiв за рахунок збшьшен-ня Тх дисперсносп у зв'язку iз зменшенням агломерацп часточок нанорозмiрного залiза та тдвищенням при цьому питомоТ поверхнi модифжованих зразкiв.

Лiтература

1. Коршлович, Б. Ю. Природоохоронш технологи в урановидобувнш та переробнш промисловост [Текст] / Б. Ю. Коршлович,

0. Г. Сороюн, В. М. Павленко, Ю. Й. Кошик. - Кш'в, 2°11. - 156 с.

2. Scott, T. B. Nano-scale metallic iron for the treatment of solutions containing multiple inorganic contaminants [Text] / T. B. Scott,

1. C. Poercu, R. A. Crane, C. Noubacter // Journal of Hazardous Materials. - 2°11. - Vol. 186, Issue 1. - Р. 280-287. doi: 1°.1°16/ j.jhazmat.2°1°.1°.113

3. Fu, F. The use of zero-valent iron for groundwater remediation and wastеwater treatment: A review [Text] / F. Fu, D. D. Dionysiou, H. Liu // Journal of Hazardous Materials. - 2°14. - Vol. 267. - P. 194-205. doi: 1°.1°16/j.jhazmat.2°13.12.°62

4. Гринвуд Н. Химия элементов: в 2-х кн. Т. 2 [Текст] / Н. Гринвуд, А. Эрншо. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2°1°. - 67° с.

5. Fan, M. Synthesis, characterization and size control of zerovalent iron nanoparticles anchored on montmorillonite [Text] / M. Fan, P. Yuan, T. Chen et. al. // Chinese Science Bulletin. - 2°1°. - Vol. 55. - P. 1°92-1°99.

6. Cheng, G. U. Synthesis of highly reactive subnano-sized zero-valent iron using smectite clay templates [Text] / G. U. Cheng, J. I. A. Han-zhong, H. Li et. al // Environmental Science & Technology. - 2°1°. - Vol. 44, Issue 11. - P. 4258-4263. doi: 1°.1°21/es9°38°1r

7. Shi, L.-N. Removal of Chromium (VI) from wastewater using bentonite- supported nanoscale zero-valent iron [Text] / L.-N. Shi, X. Zhang, Z.-L. Chen // Water Research. - 2°11. - Vol. 45, Issue 2. - P. 886-892. doi: 1°.1°16/j.watres.2°1°.°9.°25

8. Коршлович, Б. Ю. Ф1зична х1м1я кремнезему i нанодисперсних силша^в [Текст] / Б. Ю. Коршлович, О. Р. Андр1евська, М. М. Племяншков, Л. М. Спасьонова. - К.: Осв^а УкраТни, 2°13. - 176 с.

9. Li, Z. Enhanced Reduction of Chromate and PCE by Pelletized Surfactant-Modified Zeolite/Zerovalent Iron [Text] / Z. Li, H. K. Jones, R. S. Bowman // Environmental Science & Technology. - 1999. - Vol. 33. - Issue 23. - P. 4326-433°. doi: 1°.1°21/es99°334s

1°. Pang, Z. Debromination of decabromodiphenyl ether by organo-montmorillonite supported nanoscale zero-valent iron: Preparation, characterization and influence factors [Text] / Z. Pang, M. Yan, X. Jia, Z. Wang, J. Chen // Journal of Environmental Sciences. -2°14. - Vol. 26, Issue 2. - P. 483-491. doi: 1°.1°16/s1°°1-°742(13)6°419-2

11. Yan, W. Nanoscale zero-valent iron (nZVI): Aspects of the core-shell structure and reactions with inorganic species in water [Text] / Y. Weile., A. Herzing, C. J. Kiely, W. Zhang // Journal of Contaminant Hydrology. - 2°1°. - Vol. 118, Issue 3-4. - P. 96-1°4. doi: 1°.1°16/j.jconhyd.2°1°.°9.°°3

12. Cundy, A. B. Use of iron-based technologies in contaminated land and groundwater remediation: A review [Text] / A. B. Cundy, L. Hopkinson, R. L. D. Whitby // Science of The Total Environment. - 2°°8. - Vol. 4°°, Issue 1-3. - P. 42-51. doi: 1°.1°16/ j.scitotenv.2°°8.°7.°°2

13. Li, X. Zero-valent iron nanoparticles for abatement of environmental pollutants: materials and engineering aspects [Text] / X. Li, D. W. Elliott, W. Zhang // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. - 2°°6. - Vol. 31, Issue 4. - P. 111-122. doi: 1°.1°8°/1°4°843°6°1°57611

14. Shi, L.-N. Synthesis, characterization and kinetics of bentonite supported nZVI for the removal of Cr(VI) from aqueous solution [Text] / L.-N. Shi, Y.-M. Lin, X. Zhang, Z. Chen // Chemical Engineering Journal. - 2°11. - Vol. 171, Issue 2. - Р. 612-617. doi: 1°.1°16/j.cej.2°11.°4.°38

15. Schwertman, U. Iron Oxides in the Laboratory [Text] / U. Schwertman, R. M. Cornell. - WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republic of Germany), 2000. - 188 p.

16. Баранов, В. И. Практикум по коллоидной химии [Текст] / В. И. Баранов, Е. Е. Бибик, Н. М. Кожевникова и др. - М.: Высш. шк., 1983. - 100 с.

17. Мчедлов-Петросян, М. О. Колощна хiмiя [Текст] / М. О. Мчедлов-Петросян, В. I. Лебщь, О. М. Глазкова, О. В. Лебщь. -Харгав: ХНУ iM. В. Н. Каразша, 2010. - 500 с.

18. Лурье, Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод [Текст] / Ю. Ю. Лурье. - М.: Химия, 1989. - 448 с.

19. Sondi, I. Electrokinetic investigations of clay mineral particles [Text] / I. Sondi, V. Pravdic // In Interfacial electrokinetics and electrophoresis. Marcel Dekker, Inc. - New York, 2002. - P. 773-797.

20. Sun, Y.-P. Characterization of zero-valent iron nanoparticles [Text] / Y.-P. Sun, X. Li, J. Cao, W. Zhang, H. P. Wang // Advances in Colloid and Interface Science. - 2006. - Vol. 120, Issue 1-3. - P. 47-56. doi: 10.1016/j.cis.2006.03.001

21. Корнилович, Б. Ю. Электрокинетические свойства механически активированных глинистих минералов [Текст] / Б. Ю. Кор-нилович, В. Н. Морару, Ф. Д. Овчаренко // Доклады АН СССР. - 1984. - Т. 275, № 3. - С. 675-677.

22. Shi, L. Synthesis, characterization and kinetics of bentonite supported nZVI for the removal of Cr(VI) from aqueous solution [Text] / L. Shi, Y.-M. Lin, X. Zhang, Z. Chen // Chemical EngineeringJournal. - 2011. - Vol. 171, Issue 2. - Р. 612-617. doi: 10.1016/j.cej.2011.04.038

23. Cao, J. Stabilization of chromium ore processing residue (COPR) with nanoscale iron particles [Text] / J. Cao, W.X. Zhang // Journal of Hazardous Materials. - 2006. - Vol. 132, Issue 2-3. - P. 213-219. doi: 10.1016/j.jhazmat.2005.09.008

24. Shin, Y. Formation of surface mediated iron colloids during U(VI) and nZVI interaction [Text] / Y. Shin, S. Bae, W. Lee // Advances in Environmental Research. - 2013. - Vol. 2, Issue 3. - P. 167-177. doi: 10.12989/aer.2013.2.3.167

-□ □-

Стаття присвяченаретроспективному ана-лiзу змт складу води басейну р. &верський Донець та Червонооскшьського водосхови-ща (1зюмський район Хартвськог областi, Украгна). Встановлено основт причини погiр-шення екологiчного стану поверхневих джерел питного водопостачання. Запропоновано реко-мендаци з реконструкции очисних споруд каналi-зацп м. 1зюм, а також для &версько-Донецького басейнового управлтня водних ресурыв

Ключовi слова: поверхневi джерела, хiмiчний аналiз, питна вода, стiчна вода, солi жорстко-стi, ттрати, фосфати, сульфати, показники

якостi питног води

□-□

Статья посвящена ретроспективному анализу изменений состава воды бассейну р. Северский Донец и Краснооскольского водохранилища (Изюмскийрайон Харьковской области, Украина). Установлены основные причины ухудшения экологического состояния поверхностных источников питьевого водоснабжения. Предложены рекомендации по реконструкции очистных сооружений канализации г. Изюм, а также для Северско-Донецкого бассейнового управления водных ресурсов

Ключевые слова: поверхностные источники, химический анализ, питьевая вода, сточная вода, соли жесткости, нитраты, фосфаты, сульфаты, показатели качества питьевой воды

-□ □-

1. Вступ

Забезпечення населения Украши питною водою для багатьох регюшв краши е одшею з прюритетних проблем, розв'язання яко1 необхвдно для збереження

УДК 621.187.1

|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.51398|

П1ДВИЩЕННЯ Р1ВНЯ ЕКОЛОПЧНО1 БЕЗПЕКИ ПИТНОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ ХАРК1ВСЬКОГО РЕГ1ОНУ (УКРАША)

О. В. Третья ков

Кандидат техычних наук, доцент Кафедра «Охорони прац та безпеки життeдiяльностi»* E-mail: ovtr@mail.ru Т. О. Шевченко Кандидат техычних наук, доцент Кафедра «Водопостачання, водовщведення i очищення вод»* E-mail: tamarashevchenko@yandex.ru В. Л. Безсонний Провщний шженер ОсвЬнш центр «Мегаполю»* E-mail: bvl@bk.ru *Хармвський нацюнальний ушверситет мюького господарства iM. О. М. Бекетова вул. Революци, 12, м. Хармв, УкраТна, 61002

здоров'я, полшшення умов д1яльност1 та тдвищення р1вня життя населення.

Загальнодержавна програма «Питна вода Укра1-ни» на 2006-2020 роки (дал1 - Програма), що затвер-джена Законом Украши в1д 03.03.2005 р., № 2455-IV,

©