CC BY
6EFFECT OF ANIONS OF CL- AND SO42 -SALTS ON THE VALUE OF FE3+ SORPTION ON
INDUSTRIAL CARBON SORBENTS
Gaydukova A.,
Ph.D.
associate professor, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,
Miusskaya sq. 9, Moscow, 125047Russia
Kon'kova T., D.Sc.
Professor, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Miusskaya sq. 9, Moscow, 125047Russia
Stoyanova A., Ph.D.
senior lecturer, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,
Miusskaya sq. 9, Moscow, 125047Russia
Napreeva A.
master's student, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,
Miusskaya sq. 9, Moscow, 125047 Russia
ВЛИЯНИЕ АНИОНОВ СОЛЕЙ И SO42- НА ВЕЛИЧИНУ СОРБЦИИ FE3+ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТАХ
Гайдукова А.М.,
к.т.н.
Доцент, РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047Москва, Миусская пл., д.3 Конькова Т.В., д.т.н.
профессор, РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047Москва, Миусская пл., д.3 Стоянова А.Д., к.т.н.
старший преподаватель, РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047Москва, Миусская пл., д.3 Напреева А.Д.
магистр, РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047Москва, Миусская пл., д.3
Abstract
The study of the sorption of iron (III) ions from aqueous solutions of salts on two types of carbon sorbents (powdered coals of the brands "OU-A", "UAF" and granular "MEX-O") was carried out. It is established that the maximum value of adsorption is observed in an acidic environment when using the wood sorbent "OU-A". The isotherms of the adsorption of iron (III) ions on the studied sorbents from solutions of salts of 1 g/l NaCl, Na2SO4, NaNO3 were obtained. The textural characteristics of the coals are determined.
Аннотация
Проведено изучение сорбции ионов железа (III) из водных растворов солей на двух типах углеродных сорбентов (порошковые угли марок «ОУ-А», «УАФ» и гранулированный «МеКС-О»). Установлено, что максимальная величина адсорбции наблюдается в кислой среде при использовании древесного сорбента «ОУ-А». Получены изотермы адсорбции ионов железа (III) на исследуемых сорбентах из растворов солей 1 г/л NaCl и 1 г/л Na2SO4. Определены текстурные характеристики углей.
Keywords: carbon sorbents, iron ions, adsorption.
Ключевые слова: углеродные сорбенты, ионы железа (III), адсорбция.
Железо - часто встречающийся компонент шахтных вод, оборотных вод ряда промышленных предприятий, загрязнитель подземных и поверхностных вод. Крайне нежелательно повышенное содержание данного элемента в питьевой воде, минеральных солях, в оборотных и сточных водах, в технологических растворах большинства отраслей
промышленности (гидрометаллургической, текстильной, бумажной и др.) [1]. Очистка сточных вод различных промышленных производств в настоящее время является одной из актуальных задач экологии. При этом контроль за соблюдением норм предельно допустимых концентраций ионов тяжелых металлов в водных растворах имеет важ-
ное значение. Наиболее распространенным методом очистки сточных вод является реагентный метод, который включают нейтрализацию и осаждение металлов в виде их малорастворимых соединений с последующим фильтрованием. Однако, наличие минеральных солей (№С1, Na2SO4, NaNOз и др.) в составе промышленных сточных вод затрудняет очистку и без применения дополнительных методов очистки использовать полученные в результате такой обработки стоки для систем оборотного водоснабжения предприятий нельзя. Сорб-ционный метод является одним из универсальных методов очистки вод как от органических примесей, так и от ионов тяжелых металлов [2, 3]. Однако, при использовании данного метода сохраняется необходимость выбора сорбента, обладающего высокой селективностью по отношению к ионам металлов на фоне высоких концентраций солей [4].
В данной работе были проведены исследования по определению величины сорбции Fe3+ на промышленных углеродных сорбентах в статическом режиме и установлено влияние анионов солей О-, SO42- на скорость протекания процесса.
В качестве объектов исследования выбраны порошковые угли марок «ОУ-А», «УАФ» и зерне-ный уголь марки «МеКС-О» (производство «ЭНПО «Неорганика»). Сорбционные испытания проводили в статическом режиме при постоянном перемешивании раствора с сорбентом в течении определенного времени. Далее сорбент отделяли отстаиванием и фильтрованием. Анализ влияния фоновых
25 п
20 -
солей на величину сорбции ионов металлов проводили, используя модельные растворы солей 1 г/л №0 и Na2SO4. Величину сорбции (А, мг/л) определяли по формуле:
мг
/г ,А =
(со-ср)^
(1)
где С0 - начальная концентрация, Ср - остаточная концентрация загрязняющего вещества в растворе или равновесная концентрация, V - объем обрабатываемого раствора, т - масса сорбента.
Сорбционные испытания проводили в кислой среде при рН = 2,5. При увеличении значений рН солевых растворов (рН >2,5) протекает процесс начала образования малорастворимых форм исследуемых металлов, которые в процессе фильтрации задерживаются на фильтрах вместе с углеродным сорбентом. При этом возникают трудности в определении истинной величины сорбции ионов металлов на углеродном сорбенте.
Концентрацию Fe3+ в растворах определяли фотометрическим методом в присутствии суль-фосалициловой кислоты. Оптическую плотность растворов измеряли на спектрофотометре СФ -2000 на длине волны 500 нм.
В результате проведенных экспериментальных исследований сорбционного процесса извлечения ионов Fe3+ было установлено, что на сорбционную емкость исследуемых сорбентов существенное влияние оказывает наличие в растворе анионов солей (рис. 1-2).
15
U10 -
5 -
0
0
10
Т-1-1-1-1
20 30 40 50 60 ср, мг/л
Рис. 1. Изотермы адсорбции ионов Ев3+ из раствора 1г/л ЫаС1 на сорбентах: 1 - УАФ, 2 - ОУ-А, 3 - МеКС-О
25 20 £ 15
S
и-10 -5 0
3
0
10
20
т
30
40
50
ср, мг/л
т
2
Рис. 2. Изотермы адсорбции ионов Ев3+ из раствора 1г/л Ыа2804 на сорбентах: 1 - УАФ, 2 - ОУ-А, 3 - МЕКС-О
Установлено, что в области низких равновесных концентраций ионов железа (III) до 2 мг/л в растворах солей изотермы адсорбции на порошковом сорбенте «ОУ-А» параллельны оси ординат, что позволяет отнести их к типу Н по классификации Гильса. Данный тип изотерм наблюдается в случае специфического взаимодействия иона с поверхностными функциональными группами сорбента.
При увеличении концентрации ионов Fe3+ в растворах хлорида и сульфата натрия величина адсорбции на сорбенте «ОУ-А» практически не меняется, что свидетельствует о насыщении адсорбента.
Полного насыщения адсорбента «МЕКС-О» Fe3+ следует ожидать при достижении более высоких равновесных концентраций, что позволяет сделать вывод о перспективности его использования для извлечения ионов железа (III) из растворов солей при более высоких концентрациях (> 20 мг/л). Данные результаты можно связать с большим значением суммарного объема пор (1,06 см3/г) по сравнению с углями марок «УАФ» и «ОУ-А» (0,75 см3/г) (таблица 1).
Таблица 1
Текстурные характеристики исследу емых сорбентов
Sample ^уд, м2/г см3/г VM^ см3/г DMe, нм
ОУ-А 557 0.423 0.273 3.78
УАФ 496 0.363 0.228 3.64
МеКС-О
1220
0.695
0.645
3.96
Для характеристики пористой структуры адсорбента были получены изотермы адсорбции-десорбции азота при 77 К с использованием объемно-метрического прибора Nova 1200e (Quantachrome, США). Перед регистрацией изотерм адсорбции образцы подвергали активации при 200°C при остаточном давлении 10-3 мм.рт. ст в течение 4 ч.
Удельная площадь поверхности ^уд) образцов была рассчитана методом BET. Объем микропор (Уми) определяли по уравнению Дубинина-Радуш-кевича. Диаметр мезопоры (Оме) - методом Бар-ретта-Джойнера-Халенды по ветви десорбции изотермы. Общий объем микро- и мезопор (Ve) был получен при относительном давлении 0,995.
Следует отметить низкие значения сорбцион-ной емкости углеродного материала марки «УАФ», что, по-видимому, связано с меньшим содержанием кислотных групп различного состава. Количество поверхностных кислородсодержащих групп было определено по упрощенной методике кислотно-основного титрования по методу Боэма [5]. Количество поверхностных функциональных групп кислотного типа на поверхности углеродных сорбентов определяли исходя из предположения, что при взаимодействии с раствором гидроксида натрия нейтрализуются карбоксильные, фенольные и лак-тонные группы, а с раствором соляной кислоты взаимодействуют основные группы.
Таким образом, сорбционные свойства активных углей в значительной степени зависят от характера пористой структуры, активных углей, ионного состава среды, а также наличия поверхностных функциональных групп.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева (проект З-2020-003).
References
1. Kolesnikov A.V., Kryuchkova L.A., Kisilenklo P.N., Kolesnikov V.A. Electroflotation extraction of heavy non-ferrous metal ions in the composition of multicomponent mixtures from waste waters of electroplating industries // Galvanotekhnika I obrabotka pov-erkhnosti. 2015. V. 23. No. 4. P.43-50. (in Russian)
2. Kyriakopoulos G., Doulia D. Adsorption of Pesticides on Carbonaceous and Polymeric Materials from Aqueous Solutions: A Review // Separation and Purification Reviews. 2006. V. 35. No. 3. P. 97-191. https://doi.org/10.1080/15422110600822733
3. López-Ramón M.V., Fontecha-Cámara M.A., Álvarez-Merino M.A., Moreno-Castilla C. Removal of diuron and amitrole from water under static and dynamic conditions using activated carbons in form of fibers, cloth, and grains // Water Research. 2007. V. 41. No. 13. P. 2865-2870. https://doi.org/10.1016/j.wa-tres.2007.02.059.
4. Lach J. Influence of sulphate and chloride anions presence on sorption magnitude of chromium Cr(VI) // Engineering and Protection of Environment. 2002. T. 5. № 2. P. 137-148.
5. H. P. Boehm Surface oxides on carbon and their analysis: a critical assessment, Carbon. 40 (2002) 145—149.
