Сорбционная активность и селективность углеродных материалов к ионам тяжелых металлов

Валинурова Э. Р.; Гимаева А. Р.; Миниахметова Р. Р.; Кудашева Ф. Х.; Фазылова Г. Ф.

УДК 541.183

СОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ К ИОНАМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел./факс: + 7 (34 7) 273 6 7 01.

Е-таП: gimair@mail. ги

Исследованы активированные и модифицированные углеродные волокнистые адсорбенты для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов. Рассчитаны коэффициенты селективности, характеризующие эффективность разделения ионов. Изучено влияние присутствия ионов щелочных и щелочноземельных металлов на степень извлечения тяжелых металлов. Волокно, окисленное концентрированной азотной кислотой, проявляет высокую селективность при поглощении отдельных компонентов в большом избытке конкурирующих ионов.

Ключевые слова: сорбция, ионы тяжелых металлов, углеродные адсорбенты.

Для извлечения и концентрирования ионов тяжелых металлов из жидких сред используются сорбенты-катионообменники, в том числе углеродные, как зерненные [1], так и волокнистые [2]. Последние обладают преимуществом, обусловленным высокой скоростью установления сорбционного равновесия и возможностью создания различных форм фильтрующих материалов (ткань, жгут, лента, войлок и т.п.) [3]. Сорбционную селективность адсорбентов повышают путем целенаправленного модифицирования их поверхности разными способами. Например, жидкофазное окисление концентрированными серной и азотной кислотами приводит к значительному росту кислотных центров разной силы: карбоксильных, карбонильных, лактон-ных, фенольных и сульфо-групп [3, 4].

Целью данной работы явилось изучение сорбционной активности углеродных материалов по отношению к ионам тяжелых металлов. В качестве адсорбентов были взяты активированное углеродное волокно (АУВ) - отход производства углеродных перевязочных материалов и его окисленные образцы (ОАУВ). Окисление исходного материала осуществляли кипячением его в течение 1 ч в концентрированных азотной и серной кислотах. Для сравнения сорбционной способности исследуемых материалов был взят уголь марки БАУ-А. Исследования проводили в статических условиях, для чего навески адсорбентов по 0.05 г помещали в колбы с водными растворами солей тяжелых металлов с концентрациями от 10 до 100 мг/л объемом 50 мл. Экспериментально были подобраны оптимальные параметры сорбции (время, рН, температура). Концентрации ионов металлов определяли фотометрически по известным методикам [5]. Были рассчитаны значения величин адсорбции (ат, мг/г), степени извлечения (Ки, %). Для количественной оценки распределения катионов между сорбентом и рас-

KД =

твором рассчитывали значение коэффициента распределения Кд в области низких концентраций:

(С - Ср V,

1000^

а коэффициент селективности D, характеризующий эффективность разделения катионов А и В, определяли по формуле:

ОВ/А = Кд(А)/Кд(В), где С0, СР - исходная и равновесная концентрации ионов тяжелых металлов (мг/л), V - объем раствора (мл), q - масса навески адсорбента (г).

В табл. 1 приведены некоторые физико-

химические характеристики адсорбентов, из которой следует, что активированное углеродное волокно и его модифицированные образцы характеризуются большей удельной поверхностью и большим сорбционным объемом пор, чем БАУ-А.

Как известно, полнота ионного обмена сорбата с поверхностными группами сорбента существенно зависит от выбора рН раствора, поэтому была проведена проверка влияния кислотности среды на полноту извлечения ионов металлов. Установлено, что Сё + наиболее полно извлекается при рН = 6 на всех адсорбентах, №2+ и Си2+ - при рН = 3-5, Ге3+ -при рН = 3. Извлечение Сг207 - зависит от типа сорбента: на исходном волокне, характеризующимся большей восстановительной способностью, максимальная сорбция наблюдается при рН = 5, на угле БАУ-А - при рН = 3, на ОАУВазотн - при рН = 2.

При обработке кислотами общая кислотность адсорбентов возрастает в 2-5 раз и преимущественно за счет увеличения концентрации карбоксильных групп. Чем больше содержание карбоксильных групп на поверхности адсорбентов, тем выше значения величины адсорбции и степени извлечения ионов тяжелых металлов из воды (табл. 2).

Таблица 1

Физико-химические характеристики углеродных адсорбентов

Адсорбент Удельная поверхность, м2/г Предельный адсорбционный объем пор, см3/г Общая кислотность мг-экв/г

по воде по бензолу

БАУ-А 740-840 0.20 0.ЗЗ 1.З

АУВ 1288 0 0.S9 1.0

ОАУВсфн 1060 0.10 0.S8 2.0

ОАУВ оа у Вазотн 101S 0.10 0.S8 S.0

* автор, ответственный за переписку

308

раздел ХИМИЯ

Сорбционная способность углеродных адсорбентов по отношению к ионам тяжелых металлов

Таблица 2

Адсорбент Содержание групп СООН, мг-экв/г ат, мг/г

Сг2072- Бе3+ Си2+ Кі2+ са2+

БАУ-А 0.2 28.0 3.3 2.4

АУВ 1.0 36.0 - 12.2 5.4 9.7

ОАУВСерн 2.0 37.2 13.5 12.7 14.6 28.2

ОАУВ оа у Вазотн 3.0 42.0 10.2 16.6 19.0 13.8

Воды, подлежащие очистке, как правило, содержат фон, представленный ионами №+, Са2+, М^2+ в концентрациях, превышающих концентрацию токсичных ионов на 2-5 порядков. В водах с умеренной жесткостью содержится до 1.5-3.0 ммоль/л ионов Са2+, Mg2+, которые также селективно поглощаются карбоксильными группами сорбентов, что создает конкуренцию ионам тяжелых металлов за ионообменные центры. В табл. 3 приведены результаты сорбционного извлечения вышеуказанных ионов из водных и минерализованных растворов с содержанием щелочных и щелочноземельных металлов до 500 мг/л.

Полученные данные свидетельствуют о том, что модифицирование углеродных адсорбентов сульфированием и окислением азотной кислотой

способствует повышению селективности извлечения ионов тяжелых металлов даже из достаточно минерализованных растворов. Для ионов Си2+, Сё2+ и Сг3+, способных к донорно-акцепторным взаимодействиям с поверхностными группами сорбентов, присутствие ионов щелочных и щелочноземельных металлов практически не оказывает влияния, в отличие от ионов №2+, комплексообразующая способность которого выражена слабее. Ионы железа в водных растворах подвергаются гидролизу, что усложняет процесс его извлечения [6].

Расчет коэффициентов селективности показал, что избирательное извлечение одного из ионов тяжелых металлов из смесей возможно с применением как исходных, так и модифицированных углеродных волокон (табл. 4).

Таблица 3

Степени извлечения ионов тяжелых металлов из растворов углеродными волокнами, %

Адсорбент Бе3+ Сг2072- Сё2+ Си2+ Кі2+

АУВ Вода 50 35 27 20

ОАУВсерн 44 54 55 30 20

ОАУВ \_/гл. л вазотн 70 65 71 47 40

АУВ Раствор ЫаС1 22 30 22 15

ОАУВ серн 22 40 54 25 15