CC BY
2Человек и среда его обитания
С.Н. Елизарова, А.В. Костин, Л.В. Мосталыгина
Сравнительный анализ сорбции ионов свинца пищевыми волокнами и бентонитовыми глинами Курганской области
В работе представлены результаты изучения сорбции ионов свинца природными сорбентами Зауралья — бентонитовыми глинами Зырянского месторождения, пищевыми волокнами, выделенными из жмыха масличных культур и их смесями. Показана возможность мягкого регулирования сорбционной способности материалов в отношении ионов свинца за счет изменения состава смеси.
Ключевые слова: загрязнение окружающей среды; природный сорбент; пищевое волокно; бентонитовая глина; сорбция; ионы свинца.
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) — наиболее интенсивными поллютантами — потенциально опасно, так как ионы металлов из гидро- и литосферы через метаболические и трофические цепи попадают в живые организмы, в том числе и в организм человека. Содержание ТМ в живом организме может многократно возрастать по сравнению с его содержанием в объектах окружающей среды. В настоящее время острым и опасным является загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями. К концу ХХ века в мире накоплено 20 млн т свинца [1: с. 151]. Поэтому актуальным становится поиск способов очистки объектов окружающей среды от ионов свинца. Пути воздействия на опасное вещество могут быть непосредственными (в живом организме) и опосредованными (воздействие на объекты среды — почву, воду, воздух и т. п.). Природные сорбенты (минералы, растительное сырье и т. п.) выгодно отличаются от других сорбционных материалов тем, что не только уменьшают содержание опасных веществ, но и обеспечивают поступление в живой организм полезных компонентов. Известно, что многие ионы должны присутствовать в организме в микродозах, уменьшать их содержание необходимо не до бесконечно-
сти, а до определенного предела, поэтому требуются сорбенты, которые способны «мягко» регулировать концентрацию веществ в живом организме. В этом плане актуальным является создание композиционных материалов на основе двух и более природных сорбентов, варьируя состав которых можно добиваться необходимого результата. Композиционный материал благодаря его сложному составу позволит удалять различные загрязнения чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости. Использование природных сорбентов исключает вторичное загрязнение окружающей среды. Такими сорбентами являются исследуемые нами материалы — бентонитовые глины (БГ) Зырянского месторождения Курганской области и пищевые волокна (ПВ) районированных масличных культур (ПВ) [2: с. 13]. Известно, что ПВ в организме человека могут связывать канцерогены и радионуклиды [3: с. 66]. Впервые нами проведено сравнительное исследование сорбции ионов свинца на бентонитовой глине, пищевых волокнах, а также созданы и изучены смеси на их основе.
Нами исследована сорбционная активность в отношении ионов свинца на-тивной бентонитовой глины (НБГ) и активированной бентонитовой глины (АБГ) пищевыми волокнами, выделенными из жмыха подсолнечника однолетнего (Helianthus annuus), сорта Иртыш, водным гидролизом. Изучена сорбционная способность смесей данных сорбентов. Исследована кинетика сорбции. Проведен сравнительный анализ процесса сорбции ионов свинца на бентонитовой глине, пищевых волокнах и их смесях. Проведено математическое описание процессов сорбции.
Разработанные нами способы очистки можно использовать как для объектов окружающей среды (почвы, воды, воздуха), так и в случае интоксикации живых организмов.
Используемые природные сорбенты подвергали предварительной подготовке. Бентонитовую глину Зырянского месторождения сушили на воздухе, измельчали и затем высушивали при температуре 105° С в сушильном шкафу три часа. Хранили в плотно закрытых склянках. Пищевое волокно, выделенное методом водного гидролиза из жмыха масличных культур Зауралья (районированные сорта), также измельчали и высушивали при температуре 100° С в сушильном шкафу. Такая обработка приводила к удалению из жмыха свободного крахмала, диоксида серы, белковых веществ, других растворимых в воде веществ. Для исследований всегда брали навеску 0,5000 г сорбента. Растворы нитрата свинца с молярной концентрацией от 0,5 ммоль/л до 10 ммоль/л готовили из основного стандартного раствора (концентрация 1 моль/л) методом последовательного разбавления. Для построения калибровочного графика использовали стандартные растворы нитрата свинца с концентрацией 10-7-10-1 моль/л. Объем раствора соли свинца всегда был 50 мл. Содержание ионов свинца в модельном растворе до и после контакта с сорбентом измеряли ионометрически (рН-метр-иономер Эксперт-001, индикаторный электрод — свинецселективный ХС-РЬст.-001, электрод сравнения — хлорсеребряный в KCl насыщенном).
Изучали зависимость сорбции от времени контакта модельного раствора соли свинца (концентрация 5,0 ммоль/л) с сорбентом (НБГ, АБГ, ПВ, ПВ + БГ) в статических условиях (при встряхивании) методом ограниченного объема. Измеряли остаточную концентрацию ионов свинца в растворе через 5, 15, 30, 45, 60, 90, 180 минут.
Получены изотермы сорбции ионов свинца на всех исследуемых сорбентах. Сорбцию ионов свинца (а, ммоль/г) на природных сорбентах определяли по формуле:
а
(С - ср) • К
т
где С0 — исходная концентрация ионов РЬ2+ (ммоль/л); Ср — равновесная концентрация ионов свинца после сорбции (ммоль/л); V — объем раствора РЬ (N0^ (л); т — масса сорбента (г).
Изучение зависимости величины сорбции ионов свинца (исходная концентрация ионов свинца в модельном растворе составляла 5 ммоль/л) на природных сорбентах различной природы от времени контакта показало, что наибольшая скорость сорбции наблюдается в первые 5 минут и составляет — 0,91 ммоль/л • мин (АБГ с содержанием №2С03 4 % (по массе); 0,90 ммоль/л • мин (смесь АБГ (с содержанием Ш2С03 4 % по массе): пищевое волокно = 9 : 1 (содержание ПВ составляло 10 % (по массе)); 0,80 ммоль/л-мин (АБГ с содержанием Ш2С03 2,5 % (по массе); 0,73 ммоль/лмин — НБГ; 0,57 ммоль/л-мин (смесь НБГ: ПВ = 1 : 1); 0,24 ммоль/л-мин (ПВ) (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость сорбции ионов свинца на природных сорбентах от времени контакта
Далее процесс на всех сорбентах замедляется. Сорбционное равновесие на всех используемых сорбентах практически устанавливается через 1,5 часа.
Таким образом, максимальная скорость сорбции в начальный момент времени наблюдалась на активированной содой глине и при введении в активированную глину 10 % (по массе) пищевого волокна. В процессе активации глины происходит замена обменных катионов Mg2+ и Са2+ на катионы №+, которые эффективнее обмениваются на катионы РЬ2+ из модельного раствора.
Получены изотермы сорбции ионов свинца (II) на НБГ, АБГ с содержанием соды 2,5 % и 4 % по массе и ПВ, а также на смеси активированной глины и пищевого волокна (содержание ПВ составляло 10 % по массе) и на смеси нативной глины и пищевого волокна в соотношении 1 : 1 (по массе). Экспериментальные данные представлены в виде изотерм сорбции ионов свинца (II) исследованными сорбентами (рис. 2-4).
Рис. 2. Изотермы сорбции ионов свинца (II) на НБГ, АБГ и ПВ
Рис. 3. Изотермы сорбции ионов свинца (II) на НБГ, ПВ и смеси НБГ: ПВ = 1 : 1
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Ср, ммоль/л
Рис. 4. Изотермы сорбции ионов свинца на АБГ, ПВ и смеси АБГ: ПВ = 9 : 1
Сравнение сорбционной способности различных видов глины и пищевого волокна (рис. 2) показало, что максимальная сорбция ионов свинца наблюдалась на активированной содой глине, величина сорбции при максимально изученной концентрации приближается к 1 ммоль/л. Минимальными сорб-ционными свойствами в отношении ионов свинца обладают исследуемые пищевые волокна. Здесь величина сорбции (для исходной концентрации ионов свинца в растворе 10 ммоль/л) составила 0,17 ммоль/г. Величины сорбции отличаются более чем в 5 раз. Нативная бентонитовая глина обладает более низкой сорбционной способностью по сравнению с активированной: при концентрации ионов свинца в модельном растворе 10ммоль/л величина сорбции составила 0,58 ммоль/г. За счет замены менее способных к обмену ионов кальция и магния в обменном комплексе глины на ионы натрия удается повысить сорбционные свойства глины почти в 2 раза. Заметим, что в зоне низких концентраций ионов свинца, вплоть до 2 ммоль/л, сорбционная способность НБГ, АБГ и ПВ примерно одинакова.
Проследили за изменением сорбционной активности нативной бентонитовой глины при введении в сорбент пищевого волокна (рис. 3). Сорбция ионов свинца при его исходной концентрации в модельном растворе 10 ммоль/л на смеси пищевого волокна: нативная бентонитовая глина в соотношении 1 : 1 (по массе) составляет 0,27 ммоль/г, на нативной бентонитовой глине — 0,58 ммоль/г, а на пищевом волокне — 0,17 ммоль/г. Полученные данные позволяют сделать вывод, что добавление пищевых волокон к нативной бентонитовой глине снижает ее сорбционные свойства. Видимо, варьированием соотношения компонентов можно будет тонко регулировать сорбционную способность композиционного материала. Такие исследования необходимо продолжить и выявить возможные закономерности в изменении сорбционных свойств в зависимости от состава материала.
Проведен сравнительный анализ сорбции ионов свинца на образцах активированной глины и смеси ее с пищевым волокном (рис. 4). Величина сорбции ионов свинца на АБГ (при исходной концентрации ионов свинца 10 ммоль/л) составляет 0,93 ммоль/г, добавление 10 % пищевого волокна к активированной бентонитовой глине привело к снижению сорбции до 0,90 ммоль/г. Известно, что пищевое волокно содержит как положительно, так и отрицательно заряженные функциональные группы на поверхности. Можно предположить, что в нашем случае на поверхности пищевого волокна имеется избыток положительного заряда, который может компенсировать отрицательный заряд поверхности глины, а значит, снизить ее активность в отношении положительно заряженных ионов свинца (за счет электростатического притяжения к поверхности).
Проведено математическое описание процесса сорбции (использовалось уравнение Ленгмюра). Его графическое решение позволяет найти константы, характеризующие сорбент и растворенное вещество. Уравнение Ленгмюра в общем виде:
К ■ С
а = а.
1 + К ■ С
Уравнение Ленгмюра в линейном виде:
С
а
а.
1—С, , ■ К а,„
где а^ — предельная сорбция (ммоль/г); К — константа сорбционного равновесия; С — концентрация (ммоль/л).
Определены константы уравнения Ленгмюра для сорбции ионов свинца на пищевом волокне, нативной и активированной глине (рис. 5-8).
Рис. 5. Определение констант уравнения Ленгмюра для нативной бентонитовой глины
Рис. 6. Определение констант уравнения Ленгмюра для пищевого волокна
С, ммоль/л
С, ммоль/л
Рис. 7. Определение констант Рис. 8. Определение констант уравнения Ленгмюра для активирован- уравнения Ленгмюра для активированной бентонитовой глины ной бентонитовой глины (содержание Na2CO3 4 % по массе) (содержание Na2CO3 2,5 % по массе)
В соответствии с представленными на рисунках 5-8 зависимостями, построенными с использованием экспериментальных данных, реальные значения констант a^ и К могут быть найдены следующим образом: a = ctg а;
K 1
a„ ■ Z
где 2 — отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.
Для нативной бентонитовой глины значения аи К равны соответственно 1,22 ммоль/г и 0,09; для пищевого волокна — 0,23 ммоль/г и 0,64; для активированной бентонитовой глины (содержание соды 2,5 % по массе) — 10,30 ммоль/г и 0,01; для активированной бентонитовой глины (содержание соды 4 % по массе) — 12,41 ммоль/г и 0,008.
Уравнение Ленгмюра для нативной бентонитовой глины примет вид:
С. 1 ,
а 1,22 • 0,09 1,22 для пищевого волокна:
+-!- • с,
а 0,23 • 0,64 0,23 для активированной бентонитовой глины (содержание соды 2,5 % по массе):
С-_!_
а 1 0, 3 0 • 0 , 0 2 1 0, 3 0 для активированной бентонитовой глины содержание соды 4 % по массе:
C =_!_
a 1 2 , 4 1 • 0 , 008 1 2 , 4 1
Анализ уравнения Ленгмюра и экспериментальные данные по сорбции ионов свинца на природных материалах позволяют расположить изученные сорбенты в порядке увеличения сорбционной способности в ряд: пищевое волокно < нативная бентонитовая глина < активированная бентонитовая глина (содержание соды 2,5 % по массе) < активированная бентонитовая глина (содержание соды 4 % по массе).
Таким образом, сравнительный анализ сорбционной способности нативной бентонитовой глины Зырянского месторождения Курганской области и пищевых волокон масличных культур позволяет говорить о возможности их использования в качестве эффективных природных сорбентов по отношению к ионам тяжелых металлов, в частности ионов свинца. Применение простых способов модификации позволяет еще более увеличить сорбционную способность данных материалов. А варьирование состава сорбентов (изменение соотношения «глина - пищевое волокно») позволяет мягко регулировать сорбционную способность материалов в отношении ионов свинца и применять их в качестве дешевых, экологически комфортных природных сорбентов для очистки природных объектов, организма человека и животных от ионов тяжелых металлов.
Литература
1. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. Природа - Человек - Техника: учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. 343 с.
2. Мосталыгина Л.В., Елизарова С.Н., Костин А.В. Бентонитовые глины Зауралья: экология и здоровье человека: монография. Курган: КГУ, 2010. 148 с.
3. Шатнюк Л.Н. Пищевые волокна зерновых культур: новые тенденции // Хлебопекарное производство. 2011. № 2. С. 64-66.
Literatura
1. Akimova T.A., Kuz'min A.P., Xaskin V.V. E'kologiya. Priroda - Chelovek - Texnika: uchebnik dlya vuzov. M.: YuNITI-DANA, 2001. 343 s.
2. Mostaly'gina L.V., Elizarova S.N., Kostin A.V. Bentonitovy'e gliny' Zaural'ya: e'kologiya i zdorov'e cheloveka: monografiya. Kurgan: KGU, 2010. 148 s.
3. Shatnyuk L.N. Pishhevy'e volokna zernovy'x kul'tur: novy'e tendencii // Xlebo-pekarnoe proizvodstvo. 2011. № 2. S. 64-66.
S.N. Elizarova,A.V. Kostin, L.V. Mostalygina
Comparative Analysis of Sorption of Lead Ions by Dietary Fibres and Bentonite Clays of Kurgan Region
The authors have studied sorption of lead ions by natural sorbents of the region beyond the Urals — bentonite clays of Zyryansky deposit, dietary fibre extracted from oil-cake of oilseeds and their mixtures. The possibility of soft regulation of sorption capacity of materials in respect of lead ions by changing the composition of the mixture is shown in the article.
Keywords: environmental pollution; natural sorbent; dietary fibre; bentonite clay; sorption; lead ions.
