CC BY
188
УДК 541.183:66.002
Е. Н. Калюкова (к.х.н., доцент), М. В. Бузаева (к.х.н., доцент), Ю. С. Кахановская (студ.), Е. А. Пустынникова (студ.), Е. С. Климов (д.х.н., проф., зав. каф.)
Сорбционные свойства природных сорбентов -опоки и магнезита по отношению к сульфат-ионам
Ульяновский государственный технический университет, кафедра химии 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, тел. (842)2778132; e-mail: [email protected]
E. N. Kalyukova, M. V. Buzaeva, U. S. Kahanovskaya, E. A. Pustynnikova, E. S. Klimov
Sorption properties of natural sorbents - silica clay and magnesite in relation to sulphatic ions
Ulyanovsk State Technical University, Chair of Chemistry 32, Severny Venetz str, 432027, Ulyanovsk, ph. (842 2) 778132; e-mail: [email protected]
Исследована сорбция сульфатных ионов на природных сорбентах — опоке и магнезите. Построены изотермы, и определены количественные характеристики адсорбции. Проведен сравнительный анализ зависимости адсорбции сульфат-ионов от типа сорбента.
Ключевые слова: адсорбция; изотерма; магнезит; опока; сорбент; сульфат-ион.
The sorption of sulphatic ions on natural sorbents silica clay and magnesite is investigated. Isotherms are constructed and quantitative characteristics of adsorption are defined. The comparative analysis of dependence of adsorption sulphatic ions of sorbent type is carried out.
Key words: adsorption; isotherm; magnesite; silica clay; sorbent; sulphatic ion.
Одним из перспективных методов очистки природных и сточных вод является сорбция на различных материалах, позволяющая снизить содержание в воде загрязнений органического и неорганического происхождения. Применение сорбции для очистки сточных вод различных отраслей промышленности приобретает в настоящее время все большее распространение, поскольку позволяет повторно использовать очищенную воду в замкнутых системах водооборота предприятий.
Наличие местных эффективных природных сорбентов в районах их потребления стимулирует внедрение новых адсорбционных технологических процессов, в том числе для решения вопросов защиты окружающей среды 1,2.
В данной работе исследована возможность использования в качестве сорбента природных минералов Ульяновской области — опоки и магнезита 3.
Опока представляет собой кремнезем с мезопористой структурой (около 50% от объема). Кроме SiO2 (75-80 %) и А12О3 (18-23 %) в ее состав входят оксиды кальция, железа, магния.
Магнезит состоит преимущественно из MgCO3 (около 50%) и оксидов различных металлов (кальция, железа, хрома и других).
Целью данной работы явилось изучение сорбционных свойств опоки и магнезита по отношению к сульфат-ионам, а также сравнительный анализ полученных количественных характеристик.
Экспериментальная часть
Сорбционные свойства сорбентов по отношению к сульфат-ионам определяли динамическим методом. Растворы сульфата цинка с содержанием сульфат-ионов от 2 до 60 мг/л пропускали через адсорбционную колонку с сорбентом (масса сорбента 30 г). Использовали сорбенты с размером частиц 2—3 мм. Концентрацию сульфат-ионов в растворе определяли фотометрическим методом по ГОСТ 19728.14-2001.
Результаты анализов обрабатывались с помощью программы Microsoft Excel с вычислением среднего арифметического значения (X), его отклонения (d = X - X), стандарт-
Дата поступления 16.12.09
ного отклонения
и дове-
рительного интервала (х±еа или х ± 5 х 1;аК /п). Значение заданной доверительной вероятности а = 0.95. Общее число определений, п=4; число степеней свободы, К=п — 1=3. Значение коэффициента Стыодеи-та / ,, к=3.18 4.
Обсуждение результатов
Количественно адсорбция (Г) определяется избытком вещества на границе фаз по сравнению с равновесным количеством данного вещества в растворе.
Экспериментально величину адсорбции (Г) растворенных веществ на твердом сорбенте и степень извлечения (а) вычисляли по уравнениям {1, 2):
(С -С ■) ■ V
I ■ _ V . раин ' 1>-р<!
т
горб
а ■
(С -С >
V исх равч'
с
•100%
(1)
(2)
где Сжсх и Сравн — исходная и равновесная концентрация ионов в растворе; тсор6. - масса сорбента.
По величине адсорбции можно сделать вывод об адсорбционной способности сорбента по отношению к адсорбируемому веществу.
На практике для анализа и расчетов часто используют эмпирическое уравнение Фрейнд-лиха 5 следующего вида:
Г= /ЗС1 "
где Р и 1 /п — константы;
С — равновесная концентрация.
(3)
\%Г = \щ/3+ -1ёС п
проведенных экспериментов была рассчитана адсорбция (Г) ионов БО^- из растворов сульфата цинка и построены изотермы адсорбции (рис. 1).
1&Г = 1ёр + ~1аС п
(4)
Константы уравнения Фрейндлих а находят при графическом построении логарифмического вида уравнения (3):
(4)
Сведения о сорбционных свойствах материала могут быть получены из изотерм сорбции, характеризующих зависимость сорбцион-ной способности от концентрации сорбируемого компонента при постоянной температуре.
На сорбентах опоке и магнезите нами исследованы процессы адсорбции сульфат-ионов из растворов сульфата цинка при различных концентрациях. По результатам
Рис. 1. Изотермы адсорбции сульфат-ионов на оно ке и магнезите: 1 — магнезит; 2 — опока; Г (ммоль/г) — адсорбция; С (ммоль/л) — равновесная концентрация сульфат-ионов в растворе
Величина адсорбции определяется химической природой поверхности сорбента и размером пор. Поверхность сорбента может содержать функциональные группы, способные к специфическим взаимодействиям, образованию водородных связей, диполь—дипольному взаимодействию.
Изотермы, полученные для адсорбции сульфат-ионов на опоке и магнезите, по классификации Брунауэра, Эммета и Теллера относятся к IV-б типу. Небольшие выпуклые участки изотерм позволяют сделать предположение, что частично процесс адсорбции сульфат-ионов протекает за счет микропор.
Достаточно выраженный Б-образный характер изотерм указывает, что после образования мономолекулярного слоя (нижняя часть кривой до перегиба) на поверхности сорбента начинает формироваться полимолекулярный слой (часть кривой после точки перегиба).
Следовательно, адсорбция сульфат-ионов на опоке и магнезите протекает как полимолекулярная адсорбция. Нижние участки изотерм, соответствующие образованию монослоя, примерно одинаковы.
Для определения констант уравнения Фрейндлиха изотермы адсорбции построены в координатах (1§Г— ^С), Из полученных графиков определены коэффициенты уравнений, описывающих процесс адсорбции сульфатных ионов на исследуемых сорбентах (табл. 1).
Башкирский химический журнал, 2010. Том 17. ЛЬ 2
127
Таблица 1
Адсорбция сульфат-ионов на опоке и магнезите (а - степень извлечения)
Сорбент а, % Уравнение Фрейндлиха Г, ммоль/г Сравн. = 0.02 ммоль/л Г, ммоль/г Сравн. = 0.10 ммоль/л
Опока 75-85 Г = 0.026 -С1'18 2.57 - 10-4 1.72 - 10-3
Магнезит 67-83 Г = 0.032 -С137 2.96 - 10-4 2.69 - 10-3
Величины адсорбции сульфат-ионов на опоке и магнезите, рассчитанные по уравнению Фрейндлиха для равновесной концентрации 0.02 ммоль/л, имеют близкие значения. При более высокой концентрации (0.10 ммоль/л) величина адсорбции выше на магнезите, что соответствует полученным изотермам адсорбции.
Степень извлечения сульфат-ионов также зависит от их концентрации в растворе сульфата цинка. После пропускания растворов с концентрациями 2—10 мг/л через колонки с опокой и магнезитом равновесная концентрация в растворе для опоки несколько ниже по сравнению с магнезитом, а степень извлечения сульфат-ионов выше (рис. 2).
При дальнейшем увеличении концентрации исходного раствора равновесные концентрации становятся примерно одинаковыми. Степень извлечения сульфат-ионов из растворов на опоке и магнезите увеличивается и имеет близкие значения.
Степень извлечения сульфат-ионов на исследуемых сорбентах довольно высока и составляет 67—85 %. В данном случае процесс адсорбции сульфат-ионов мало зависит от природы сорбента.
Таким образом, адсорбция сульфат-ионов на опоке и магнезите протекает как полимолекулярная адсорбция. Величина адсорбции и степень извлечения на опоке и магнезите имеют близкие значения и возрастают с увеличением концентрации исходного раствора. Степень извлечения сульфат-ионов на опоке и магнезите достигает 85%, что позволяет рекомендовать эти сорбенты для очистки промышленных сточных вод.
1.
2.
И Опока ЕЭ Магнезит
ои ыг-лЭ.
4.
Рис. 2. Степень излечения сульфат-ионов на опоке и магнезите при различных исходных концентрациях
5.
Литература
Лисичкин Г. В. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе и хроматографии.— М.: Химия, 1986.- 556 с.
Бузаева М. В. // Известия Самарского научного центра РАН.- Самара.- 2005.- Т. 2.-С. 256.
Калюкова Е. Н., Иванская Н. Н. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т 16, №Э.- С. 54. Урбах В. Ю. Математическая статистика для биологов и медиков.- М.: АН СССР, 1983.267 с.
Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды.-Л.: Химия, 1982.- 168 с.
