CC BY
171
УДК 541.183:66.002
Е. Н. Калюкова (к.х.н., доцент), М. В. Бузаева (к.х.н., доцент), Е. А. Пустынникова (студ.), Е. С. Климов (д.х.н., проф., зав. каф.)
Сорбционные свойства природного сорбента доломита по отношению к катионам цинка
Ульяновский государственный технический университет, кафедра химии 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, тел. (842)2778132; е-та1: [email protected]
E. N. Kaljukova, M. V. Buzaeva, E. A. Pustynnikova, E. S. Klimov
Sorption properties of the natural sorbent dolomite in relation to zinc cations
Ulyanovsk State Technical University, Chair of Chemistry 32, Severny Venetz str, 432027, Ulyanovsk, Russia, ph. (8422) 778132; e-mail: [email protected]
Исследована сорбция катионов цинка из раствора сульфата цинка на природном сорбенте доломите. Построена изотерма и определены количественные характеристики адсорбции. Проведен анализ зависимости степени адсорбции катионов цинка от их концентрации в растворе.
Ключевые слова: адсорбция; доломит; изотерма; катион цинка; концентрация, сорбент.
The sorption of zinc cation from a solution of zinc sulphate of on a natural sorbent dolomite is investigated. The isotherm is constructed and quantitative characteristics of adsorption are defined. The analysis of dependence of degree of adsorption zinc cation from their concentration in a solution is carried out.
Key words: adsorption; dolomite; isotherm; concentration; sorbent; zinc cation.
Ионы тяжелых металлов являются распространенными загрязняющими веществами в сточных водах многих промышленных предприятий. Одним из наиболее перспективных методов очистки природных и сточных вод является сорбция на различных природных материалах, что позволяет повторно использовать очищенную воду в замкнутых системах водного хозяйства предприятий. Увеличение масштабов применения природных сорбентов обусловлено тем, что при развитой удельной поверхности они обладают хорошими сорбирующими свойствами и в десятки раз дешевле синтетических. В связи с этим упрощается их технологическое применение, часто исключается стадия регенерации 1-3.
В качестве природного сорбента нами использован природный доломит — осадочная карбонатная горная порода от белого до темно-серого цвета, преимущественно состоящая из породообразующего минерала класса карбонатов — доломита, СаМ^(С03)2.
Дата поступления 16.12.09
Целью работы явилось изучение сорбци-онных свойств доломита по отношению к катионам цинка и выяснение закономерностей процесса адсорбции.
Экспериментальная часть
В работе использовали сорбент, являющийся отходом основного производства одного из предприятий, перерабатывающего природный доломит месторождения Ульяновской области для получения магния 4. Сорбционные свойства доломита по отношению к катионам цинка определяли динамическим методом.
Использовали сорбент в виде гранул с размером зерен 1—2 мм. Для экспериментов готовили модельные растворы сульфата цинка с известной концентрацией. Растворы пропускали через адсорбционную колонку, заполненную сорбентом (масса сорбента 30 г). В полученном растворе определяли остаточную концентрацию катионов цинка (II) фотометрическим методом (ПНД Ф 14.1:2:4.165-2000).
Результаты анализов обрабатывались с помощью программы Microsoft Excel с вы-
числением среднего арифметического значения (х) , его отклонения (й = X - х), стандарт-
ного отклонения
и дове-
рительного интервала (х ± еа или Значение заданной доверительной вероятности, а = 0.95. Общее число определений, п = 4; число степеней свободы, К = п — 1=3. Значение коэффициента Стью-дента 1аК составляет 3.18 5.
Обсуждение результатов
Количественно адсорбция (Г) определяется избытком вещества на границе фаз по сравнению с равновесным количеством данного вещества в растворе. Сравнивая значения исходной концентрации катиона в растворе с остаточной концентрацией ионов металла после контакта раствора с сорбентом, можно сделать вывод об адсорбционной способности сорбента по отношению к иону и свойствах самого сорбента.
Экспериментально величину адсорбции (Г) растворенных веществ на твердом сорбенте и степень извлечения (а) вычисляли по уравнениям (1, 2):
а ■■
(С - С )
\ исх равн /
С~
•100%
1в Г = 1ё в+С п
и определяют значение Гмакс., которое соответствует полному насыщению поверхностного слоя.
Основные сведения о сорбционных свойствах материала могут быть получены из изотерм адсорбции, характеризующих зависимость сорбционной способности от концентрации сорбируемого компонента.
По результатам проведенных экспериментов была рассчитана адсорбция (Г) катионов цинка на доломите при различных концентрациях ионов в исходном растворе. На основании расчетов построена изотерма адсорбции (рис. 1).
(1)
(2)
где Сисх. и Сравн. — исходная и равновесная концентрация ионов в растворе;
тсорб. — масса сорбента.
На практике для анализа и расчетов часто используют эмпирическое уравнение Фрейнд-лиха 6 следующего вида:
Г = вс1/п
где в и 1/п — константы;
С — равновесная концентрация.
(3)
Константы уравнения Фрейндлиха находят при логарифмировании уравнения (3) и его графическом построении (уравнение 4):
(4)
Для определения максимальной адсорбции (Гмакс.) строят зависимость 1/Г = Д1/С)
Рис. 1. Изотерма адсорбции катионов цинка на доломите: Г (ммоль/г) — адсорбция; С (ммоль/л) — равновесная концентрация катионов цинка в растворе
По классификации Брунауэра, Эммета и Теллера изотерма, полученная для процесса адсорбции катионов цинка на доломите, относится к ^-в типу, характерному для макропористых сорбентов. Выпуклый участок на изотерме указывает, что адсорбция протекает и за счет микропор сорбента.
Процесс адсорбции катионов цинка на исследуемом сорбенте заметно возрастает при исходной концентрации катионов цинка в растворе выше 40 мг/л (Сравн. > 0.5 ммоль/л). Вероятно, при этой концентрации начинается многослойная адсорбция.
Об этом свидетельствует и Б-образный характер изотермы. Нижняя часть Б-образной кривой от начала координат до точки перегиба соответствует образованию мономолекулярного слоя. При дальнейшей адсорбции катионов цинка идет образование полимолекулярного слоя.
Исходя из графического построения уравнения (4) были вычислены константы уравнения Фрейндлиха, величина адсорбции (Г) и значение максимальной адсорбции (Гмакс.):
Г = 0.003 • С058 ммоль/г;
Гмакс. = 0.0028 ммоль/г.
Исследованный сорбент доломит характеризуется довольно невысокой адсорбционной способностью по отношению к катионам цинка. При высоких концентрациях растворов сорбционная способность доломита по отношению к катионам цинка увеличивается.
В то же время степень извлечения катионов цинка с увеличением концентрации растворов уменьшается в пределах 70—30 %. Максимальная степень извлечения наблюдается при относительно невысокой исходной концентрации, Сисх. = 5 мг/л (рис. 2).
о
3 5 60
1Г
Ё 40
£
п 20
о
о1_I_I_I_I
2 5 Ю 20 ?0
С\ ыг 'л
Рис. 2. Степень извлечения катионов цинка на доломите в зависимости от их концентрации в исходном растворе
Подобное изменение степени извлечения катионов цинка из растворов связано, по нашему мнению, с тем, что с увеличением концентрации раствора увеличивается ионная сила раствора, а активность самих ионов понижается.
Таким образом, природный сорбент доломит по отношению к катионам цинка характеризуется относительно невысокой сорбцион-ной способностью. При увеличении концентрации растворов адсорбция увеличивается, а степень извлечения уменьшается. Степень извлечения катионов цинка на доломите при небольших концентрациях растворов достигает 70%, что позволяет рекомендовать этот сорбент для доочистки промышленных сточных вод.
Литература
1. Дистанов У. Г., Михайлов А. С., Конюхова Т. П. Природные сорбенты СССР.— М.: Недра, 1990.- 208 с.
2. Лисичкин Г. В. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе и хроматографии. - М.: Химия, 1986.- 556 с.
3. Бузаева М. В. // Безопасность жизнедеятельности.- 2008.- Т. 3.- С. 28.
4. Калюкова Е. Н., Иванская Н. Н. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т. 16, №3.- С. 54.
5. Урбах В. Ю. Математическая статистика для биологов и медиков.- М.: АН СССР, 1983.267 с.
6. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды.-Л.: Химия, 1982.- 168 с.
