CC BY
50
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т 1, №2
УДК 541.183
ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
USE OF CELLULOSE MATERIALS FOR SOLUTION PURIFICATION FROM HEAVY
METAL IONS
D.E. Zaharov, A.A. Bykov, S.V. Natareev
Аннотация. Работа посвящена экспериментальному исследованию процессов очистки растворов от ионов тяжелых металлов с помощью целлюлозосодержащих адсорбентов, полученных на основе сердцевины стеблей топинамбура и льняного волокна. Методом низкотемпературной адсорбции азота определены удельная поверхность адсорбентов, размеры и объем пор. Сняты изотермы ионообменной сорбции ионов меди на целлюлозосодержащих сорбентах. Равновесные закономерности удовлетворительно описываются уравнением изотермы Ленгмюра. Даны рекомендации по использованию природных адсорбентов для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов.
Ключевые слова: ионный обмен; тяжелые металлы; адсорбент.
Abstract. The paper is devoted to experimental study of the processes of purification solutions from heavy metals ions by using a cellulose-containing adsorbents derived from the pith of the stems of artichoke and linen fibers. By low-temperature nitrogen adsorption determined the specific surface of adsorbents, the dimensions and pore volume. Ion-exchange isotherms of sorption of copper ions on cellulose-containing sorbents have been found. Equilibrium patterns satisfactorily described by the Langmuir isotherm equation. Recommendations on the use of natural adsorbents for treatment of industrial wastewater from heavy metal ions were given
Keywords: ion exchange; heavy metals; adsorbent.
Ежегодно предприятия химической, гидрометаллургической, машиностроительной и других отраслей промышленности выбрасывают в окружающую природную среду значительное количество жидких отходов, содержащих в своем составе кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и другие токсичные вещества. На сегодняшний день существует острая необходимость в решении проблемы предотвращения загрязнения окружающей природной среды токсичными сточными водами предприятий [1]. Одним из наиболее эффективных методов извлечения ионов тяжелых металлов из растворов и сточных вод является ионный обмен, который по сравнению с другими методами, например, реагентным методом, экстракцией, коагуляцией, позволяет извлекать вредные вещества до норм ПДК, возвращать очищенную воду обратно в производство и утилизировать ценные вещества, извлеченные из регенерационных растворов. При ионообменной обработке растворов все большее применение находят целлюлозосодержащие сорбенты, которые в отличие от синтетических ионитов являются дешевыми и простыми в получении.
Для оценки сорбционной способности природных сорбентов важно знать следующие их характеристики: удельную площадь поверхности, размеры и объем пор. Исследование природных адсорбентов на основе сердцевины стеблей топинамбура и льняного волокна, проведенные на приборе Quantochrome NOVA 1200e [2] методом низкотемпературной адсорбции азота, показали, что удельная поверхность STO топинамбура достигает 29,25 м2/г,
2 3
средний диаметр пор - 2,03 нм и общий объем пор сорбента составляет 1,488-Ю см /г для
Д.Е. Захаров, А.А. Быков, С.В. Натареев
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
пор диаметром менее 180,5 нм. Для льняного волокна удельная поверхность Sw равна 15,9 м2/г, средний диаметр пор dcp = 1,7 нм, а общий объем пор сорбента составляет 7,2-10"3 см3/г для пор диаметром менее 183,8 нм. Изотермы адсорбции - десорбции на целлюлозосодержащих адсорбентах, а также распределение пор по размерам в интегральной форме представлены на рис. 1-3.
Рисунок 1 - Изотерма адсорбции (1) -десорбции (2) азота на топинамбуре
Рисунок 2 - Изотерма адсорбции (1) -десорбции (2) азота на льняном волокне
Исследование равновесия ионного обмена в системе природный адсорбент - водный раствор сульфата меди заключалось в экспериментальном нахождении изотерм адсорбции статическим методом и определении констант равновесия. Для получения изотерм сорбции в серию пробирок помещали навески сорбента по 0,1 г, заливали их 10 мл водного раствора сульфата меди с начальными концентрациями 0,0003 - 0,1 кг-экв/м3. Раствор с сорбентом выдерживали при заданной температуре в термостате до установления состояния равновесия. Затем раствор отделяли от сорбента фильтрованием. В фильтрате определяли равновесную концентрацию ионов титриметрическим методом или методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «Сатурн» [3, 4].
По экспериментальным данным рассчитывали значения абсолютной и избыточной адсорбции. Значение избыточной адсорбции рассчитывали по формуле:
Г = У(Со - Ср)/т,
(1)
где т - масса навески сорбента, кг; С0 и Ср - исходная и равновесная концентрации раствора, кг-экв/м3.
Уравнение связи между абсолютной и избыточной адсорбцией для сорбируемых ионов определяется уравнением:
а = Г + C,
(2)
где а и Г - значения абсолютной и избыточной адсорбции, соответственно, кг-экв/кг. Концентрация подвижных ионов в сорбенте определяется по формуле:
C = (W+ Ср)/т,
где W - объем раствора в набухшем адсорбенте, м .
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице и на рис. 4.
Рисунок 3 - Интегральная кривая распределения пор по размерам: 1 -топинамбур, 2 - лен
Рисунок 4 - Изотермы сорбции в ионообменной системе природный сорбент -водный раствор СиБ04: 1- топинамбур, 2 - лен
Таблица 1 - Равновесие ионного обмена ЯСи2+ - №+ на природных адсорбентах
Адсорбент Значения показателей
С0, 3 кг-экв/м3 С, 3 кг-экв/м Г-103, кг-экв/кг С, кг-экв/кг а, кг-экв/м3
Топинамбур 0,00324 0,00320 0,15 0,04 0,19
0,00544 0,00533 0,42 0,06 0,48
0,01870 0,01852 0,68 0,2 0,88
0,04041 0,04015 0,95 0,44 1,39
0,08984 0,08952 1,17 0,99 2,16
Лен 0,00441 0,00440 0,08 0,01 0,09
0,01429 0,01427 0,22 0,02 0,24
0,03476 0,03474 0,35 0,04 0,39
0,05881 0,05878 0,46 0,07 0,53
0,09163 0,09159 0,48 0,11 0,59
Найденные равновесные зависимости удовлетворительно описываются уравнением изотермы Ленгмюра:
Г = а0Ь/(1+кСр), (4)
где а0 - обменная емкость адсорбента, кг-экв/кг; к - константа изотермы Ленгмюра.
На основании экспериментальных данных равновесия ионного обмена с помощью метода наименьших квадратов были рассчитаны константы изотерм Ленгмюра. Для обмена К№+ - Си на топинамбуре значение константы изотермы Ленгмюра составило 40, а для льна - 65.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод о возможности использования целлюлозосодержащих адсорбентов, полученных на основе сердцевины стеблей топинамбура и льняного волокна, для очистки водных растворов и сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов.
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Когановский А.М., Клименко А.Н., Левченко Т.М. и др. Очистка и использование сточных вод в промышленности. М.: Химия, 1983. 288 с.
2. Kocherbitov V., Ulvenlund S., Kober M. et al. Hydration of microcrystalline cellulose and milled cellulose studied by sorption calorimetry // J. Phys. Chem. B., 2008. V. 112. P. 3728-3734.
3. Львов Б.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М: Наука, 1966. 396 с.
4. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 1. Гравиметрический и титриметрический методы анализа: учеб. для химико-технол. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989. 320 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Захаров Дмитрий Евгеньевич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново, Россия, студент ИГХТУ, E-mail: [email protected]
Zaharov Dmitriy Evgenevich FSEI HPE «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Ivanovo, Russia, student ISUCT,
E-mail:[email protected]
Быков Александр Андреевич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново, Россия, аспирант ИГХТУ, E-mail: [email protected]
Bykov Aleksandr Andreevich FSEI HPE «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Ivanovo, Russia, graduate ISUCT
E-mail: [email protected]
Натареев Сергей Валентинович ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново, Россия, доктор технических наук, профессор ИГХТУ E-mail: [email protected]
Natareev Sergey Valentinovich FSEI HPE «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Ivanovo, Russia, Doctor of Technical Science, Professor ISUCT E-mail:[email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 153045, Россия, Иваново, ул. Победы, дом 59, кв 4. Захаров Д.Е. 89203629823, 89158238489
