CC BY
14
УДК 628.31
Северова Н.С., Костылева Е.В.
СОРБЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ ЦИНКА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Северова Наталья Сергеевна - бакалавр 4-го года обучения кафедры промышленной экологии; ssevnatasha@inbox.ru.
Костылева Елена Валерьевна -кандидат химических наук., доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
В работе рассмотрено сорбционное извлечение ионов цинка из водных сред. Изучена сорбционная способность сильно- и слабокислотных катионитов и сорбентов на основе природных материалов по отношению к ионам цинка в статических условиях. Проведено исследование извлечения ионов цинка в динамических условиях на катионите КУ-2-8.
Ключевые слова: сорбция, ионный обмен, сорбенты, очистка сточных вод
RESEARCH OF SORPTION OF ZINC FROM HYDROUS CALCIUM IONED SOLUTIONS
Severova N.S., Kostyleva E.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the sorption of zinc ions from hydrous medium. The sorption capacity of strongly and weakly acidic cationites and sorbents based on natural components with respect to zinc ions in static conditions was studied. The study of the extraction of zinc ions in dynamic conditions on KU-2-8 cationite was carried out. Key words: sorption, ion-exchange resin, sorbents, wastewater treatment
Введение
К высоко опасным и широко распространенным загрязняющим веществам относят ионы тяжелых и цветных металлов. Основными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в сточные воды являются машиностроение, горнодобывающая промышленность, цветная и черная металлургия и др. [1].
На сегодняшний день существуют различные методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Выбор способа очистки зависит от эффективности очистки, соответствующей экологической и экономической составляющих и других факторов.
Эффективным методом извлечения ионов тяжелых и цветных металлов из водных сред является их сорбционная очистка. Сорбционные методы позволяют получить высокие степени очистки. В процессе сорбционной очистки возможна регенерация сорбента с извлечением ценных компонентов. Также достоинствами метода является возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и реализуемость способа при малой величине концентраций извлекаемых компонентов.
Для очистки вод от тяжелых и цветных металлов, в том числе от цинка, применяют природные адсорбенты [2 - 4], ионообменные смолы [5 - 8], сорбенты на основе природных материалов [9 - 11].
Цель данной работы - оценка в статических условиях сорбционной способности различных сорбентов по отношению к ионам цинка и исследование их извлечения в динамических условиях с использованием наиболее эффективного из них.
Экспериментальная часть
Для исследования сорбции ионов цинка в статических условиях в качестве сорбентов были выбраны катиониты КУ-2-8 и DOWEX МАС-3 и адсорбент тяжелых металлов АТМ-1В.
КУ-2-8 - это сильнокислотный синтетический катионит на основе сополимера стирола и дивинилбензола, содержащий функциональные сульфогруппы. Применяется в процессах водоподготовки, очистки сточных вод во всех отраслях промышленности.
DOWEX МАС-3 представляет собой макропористую слабокислотную катионообменную смолу на основе полиакрил-дивинилбензольной матрицы, содержит карбоксильные функциональные группы. Также используется для водоподготовки и очистки сточных вод.
Адсорбент Тяжелых Металлов (АТМ-1В) представляет собой термомодифицированный брусит с алюмосиликатной кристаллической решёткой. Предназначен для эффективного и длительного удаления металлов из питьевых, сточных, технологических и природных вод.
Исследование сорбции ионов цинка в статических условиях проводили на модельной воде с концентрацией цинка 45,65 мг/дм3 при рН растворов 6,00±0,05. Объем раствора составлял 50 см3, навеска высушенного при температуре 105°С до постоянной массы сорбента - 0,2 ± 0,002 г, время контакта - 7 суток. Определение содержания цинка в воде осуществляли фотометрическим методом с сульфарсазеном [12]. Результаты исследования приведены в таблице 1 и на рисунке 1.
Таблица 1. Сорбция ионов цинка в статических
Сорбент Конечная массовая концентрация цинка, мг/дм3 Сорбционная ёмкость сорбента, мг/г Коэффициент распределения, см3/г
КУ-2-8 в Na+- форме < 0,005* < 11,41 <2281109
КУ-2-8 H+- форме < 0,005* < 11,41 <2281109
DOWEX MAC-3 Na+- форме 5,59 10,01 1791
DOWEX MAC-3H+- форме 24,25 5,35 221
АТМ-1В 0,189 11,36 60104
*- ниже пределов обнаружения
99,99 99,99 99,59
КУ-2-S КУ-2-8 DOWEX DOWEX ATM (Na+) (Н+) МАС-3 IVEAC-3 (Na+) (Н+)
Рис. 1. Эффективность сорбции водных сред при использовании различных сорбентов
Сорбционная ёмкость по иону цинка определяли по формуле:
Cr = (Сн - Ск) х V/g, где: Cr - ёмкость сорбента, мг/г; Сн - исходная концентрация (до сорбции) иона металла в растворе, мг/дм3;
Ск - равновесная концентрация (после сорбции) иона металла в растворе, мг/дм3; V - объём раствора, дм3; g - навеска сорбента, г
Коэффициент распределения по иону металла рассчитывали по формуле:
K = Cr х 103/ Ск, где: K - коэффициент распределения, см3/г Cr - ёмкость сорбента, мг/г;
Ск - равновесная концентрация иона металла в
растворе, мг/дм3;
103 - коэффициент пересчета;
Как видно из представленных данных, наиболее высокой сорбционной способностью по отношению к ионам цинка обладает сульфокатионит КУ-2-8 в H+- и Ка+-формах. Об этом свидетельствуют равновесная статическая сорбционная ёмкость сорбента в условиях эксперимента, высокий коэффициент распределения и эффективность очистки. Хорошие результаты показал и адсорбент АТМ-1В. Катионообменная смола MAC DOWEX-3 в целом хуже сорбирует ионы цинка из водной среды, особенно в H+- форме. Это обусловлено низкой способностью к диссоциации слабокислотных групп при pH=6,00.
На основании полученных результатов для изучения динамики сорбции ионов цинка был выбран катионит КУ-2-8 в Na+- форме. Условия эксперимента: концентрация модельного раствора 56,4 мг/дм3; масса сухого катионита - 2,25 г; высота
условиях
слоя набухшего катионита - 40 мм; внутренний диаметр колонки - 12 мм. Модельный раствор подавали в колонку перистальтическим насосом с расходом 17 мл/мин (линейная скорость - 9,0 м/ч). За начало проскока был принят момент отклонения выходной динамической кривой от параллельности с осью абсцисс.
Выходная кривая сорбции в динамических условиях изображена на рисунке 2.
60,000
50,000
40,000
: зо.ооо
■J
20,000
10,000 0.000
0 100 200 BOO 400 500 600
Рис. 2. Выходная кривая сорбции ионов цинка в динамических условиях
Проскок наблюдали на 140 минуте от начала эксперимента, при этом объем пропущенного модельного раствора до проскока составил 2380 см3, динамическая обменная емкость (ДОЕ) сорбента -59,66 мг/г.
Процесс проводили до достижения на выходе из колонки концентрации, равной исходной. В процессе эксперимента весь элюат собирали для определения полной динамической объемной емкости (ПДОЕ), которую рассчитывали по формуле:
ПДОЕ = M/m, где М - количество цинка, сорбированного всем объемом катионита, мг; m - масса слоя анионита, г.
Количество цинка, сорбированного всем объемом катионита определяли по формуле:
M = Ур х (Со - Сэ), где Vр - объем пропущенного раствора, дм3;
Со - начальная концентрация цинка в модельном растворе, мг/дм3;
Сэ - концентрация цинка в элюате, мг/дм3.
При объеме пропущенного раствора 8440 мл и концентрации цинка в элюате 8,04 мг/л количество цинка, сорбированного всем объемом, составило 408,1 мг, ПДОЕ - 181,39 мг/г.
Заключение
На основании проведенных исследований в статических условиях показано, что наибольшей эффективностью сорбции ионов цинка из водных сред обладает сильнокислотный катионит КУ-2-8 в Н+ и №+- формах. Использование катионита КУ-2-8 в динамических условиях позволяет достигать высокой степени извлечения цинка из водных сред за счет его высокой емкости.
Список литературы
1. Огрызкова Л. В. Способы оценки загрязнения природных и сточных вод тяжелыми металлами / Л. В. Огрызкова, Н. Н. Ященко // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: Тезисы докладов XXIV Российской молодежной научной конференции, посвященной 170-летию открытия химического элемента рутений (Екатеринбург, 23-25 апреля 2014 г.). — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. — С. 108-110.
2. Мосталыгина Л.В., Елизарова С.Н., Костин А.В. Бентонитовые глины Зауралья: экология и здоровье человека: Монография.- Курган: Изд-во Курганского государственного университета, 2010. -148 с.
3. Пат. 2661213 Российская Федерация, МПК Б0и 20/10, Б0и 20/22, Б0П 20/283, Б0П 20/288. Сорбент на основе модифицированного силикагеля / Морозова Т. В.; заявитель и патентообладатель Морозова Т. В. - № 2017123455; заявл. 03.07.17; опубл. 13.07.18, Бюл. № 20.
4. Пат. 2051112 Российская Федерация, МПК С 02 Б 1/28, С 02 Б 101/20, С 02 Б 101/22, С 02 Б 103/16.
Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и шестивалентного хрома / Непряхин А.Е., Садыкова Н.П., Чайкин В.Г.; заявитель и патентообладатель Центральный научно-исследовательский институт нерудных полезных ископаемых. - № 5054313/26; заявл. 20.04.92; опубл. 27.12.95, Бюл. № 36.
5. Koliehova A., Trokhymenko H., Magas N. Extraction of Cu2+, Zn2+ and Ni2+ cations from industrial wastewater by ionite KU-2-8. Ecology and environmental technology. 2019. No. 5/3 (49). P. 22-27.
6. Кеймиров М.А. Очистка промывных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов ионообменным способом // Вестник технологического университета. 2020. Т. 23. № 12. С. 76-79.
7. Recovery of precious metals from Dashkesan mineral tailings by combined methods / A. A. Haydarov, Ch. M. Kashkay, A. A. Guliyeva [et al.] // Azerbaijan Chemical Journal. - 2016. - No 3. - P. 121-129.
8. Паршина И.Н., Стряпков А.В. Сорбция ионов металлов органическими катионитами из карьерных растворов//Вестник ОГУ. - 2003. - №5. -С.107 - 109.
9. ООО НПО "ЭКОСЕРВИС", Сорбент АВЕСОРБ [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ecoservis.info/ru/index.php (дата обращения: 29.04.2022).
10. ООО "Сарма" [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.sarma-ltd.ru/doc/?id=22 (дата обращения: 29.04.2022).
11. ООО «Квант Минерал», Промышленный адсорбент ГЛИНТ — фильтрующий материал для комплексной очистки воды [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://kvantmmeral.com/ffltruyushhij-material (дата обращения: 29.04.2022).
12. ПНД Ф 14.1:2.195-2003 (издание 2012 г.): Методика измерений массовой концентрации ионов цинка в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфарсазеном, официальное издание ФБУ ФЦАО.
