CC BY
7
УДК 544.723 + 677.027.6+ 533.9
И. Г. Шайхиев, И. Ш. Абдуллин, Э. М. Хасаншина, К. И. Шайхиева
ВЛИЯНИЕ НА СОРБЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЬНЯНОЙ КОСТРЫ ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ ЖЕЛЕЗА (III) ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ ВЧ ПЛАЗМОЙ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: льняная костра, ионы железа (III), сорбция, плазма пониженного давления, обработка
Исследовано влияние параметров высокочастотной плазмой пониженного давления на сорбционные характеристики льняной костры по отношению к ионам железа (III). Найдено, что наибольшая сорбционная емкость по ионам Fe3+ наблюдается при обработке плазмой в атмосфере аргона. Определены режимы, при которых достигается наибольшее значение сорбционной емкости образцов льняной костры по отношению к ионам железа (III).
Keywords: linen scutch, iron ions (III), sorption, low pressure plasma processing
Influence of parameters of high-frequency low pressured plasma to the sorption characteristics of linen scutch towards to iron (III). Founded that maximum adsorption capacity observed Fe3 + ions during the plasma treatment in an argon atmosphere. Defined modes in which the greatest value of the sorption capacity of linen scutch samples towards to iron (III) achieves.
В продолжение экспериментальных работ по использованию целлюлозосодержащих отходов переработки сельскохозяйственного сырья в качестве сорбционных материалов (СМ) для удаления ионов тяжелых металлов (ИТМ) из водных сред [1, 2], исследована возможность удаления ионов железа (III) отходами льнопереработки.
Сорбция ИТМ целлюлозосодержащими отходами переработки сельскохозяйственных культур - перспективное направление в области охраны водных ресурсов. В частности, работами отечественных и зарубежных исследователей проведены исследования по возможности удаления ионов Fe3+ из водных сред с использованием рисовой шелухи [3, 4], соломы злаковых культур [5], отходов от выжимки апельсинового сока [6], кожицей фасоли [7, 8] и др.
Ранее сообщалось о возможности извлечения ионов Zn(II) [9, 10], Co(II) [11], Cu(II) [12], Cd(II) [10] и Ni(II) [13] продуктами переработки льняного сырья.
В настоящей работе исследовалась сорбция ионов Fe(III) льняной кострой из модельных стоков.
Первоначально строились изотермы сорбции ионов Fe3+ льняной кострой в нейтральной и кислой средах и определялась максимальная сорб-ционная емкость. В плоскодонные колбы емкостью 250 см3 помещались навески льняной костры массой по 1 г. Затем в колбы заливалось по 200 см3 растворов, содержащих ионы Fe(III) в концентрациях от 20 до 4000 мг/дм3. В модельных растворах в качестве поллютанта использовался Fe2(SO4)3-9H2O. Навески сульфата железа (III) брались с учетом кристаллизационной воды. Колбы с находящимися в них навесками льняной костры и соответствующими растворами плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение 3 часов. Затем реагент удалялся фильтрацией, а в фильтратах определялись остаточные концентрации ионов Fe(III) согласно стандартной методики [14]. Из графиков изотерм сорбции (рис. 1) определено, что с увеличени-
ем концентрации ионов Рв3+ в растворе сорбционная ёмкость льняной костры линейно увеличивается.
Рис. 1 - Изотермы сорбции ионов железа (III) льняной кострой в кислой и нейтральной средах
Проведенными исследованиями найдено, что максимальная сорбционная емкость по отношению к ионам Fe(III) составляет: в кислой среде -41,9 мг/г, в нейтральной среде - 47,9 мг/г, что несколько ниже таковых показателей, найденных для ионов Co2+ [11].
В дальнейшем определялось кинетика удаления ионов Fe(III) с концентрацией 100 мг/дм3 в статических и динамических условиях из модельных растворов. Для проведения экспериментов в статических условиях в плоскодонные колбы емкостью 250 см3 помещались навески льняной костры по 0,1 г., что соответствовало содержанию последней в дозировке 1 г/дм3. В колбы приливалось по 100 см3 модельных растворов с концентрацией ионов Fe3+ 100 мг/дм3. Колбы с находящимися в них модельными растворами и навесками льняной костры плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение 5 часов. Через определенные промежутки времени пробы отфильтровывались от исследуемого сорбционного материала, в фильтратах определялись остаточные концентрации исследуемых ионов. Отмечено, что снижение концентрации ионов железа (III) происходит линейно с течением времени. Проведенными экспериментами
определено, что остаточная концентрация последних в модельном растворе после 5 часов контактирования с реагентом составила: в нейтральной среде - 53,9 мг/дм3, в кислой среде - 97,1 мг/дм3, что соответствует значению сорбционной емкости 46,1 мг/г и 2,9 мг/г соответственно. Как видно из приведенных данных, в кислой среде сорбции ионов Ре(!1!) на поверхности льняной костры практически не происходит.
Значения названного параметра, определенного в динамических условиях, несколько ниже: 40,9 мг/г - в нейтральной среде и 18,3 мг/г - в кислой среде. Для определения названных значений в сорбционные колонки набивалось по 5 г льняной костры и пропускался раствор с концентрацией ионов Ре(!!!), равной 100 мг/дм3. Посредством дозатора устанавливался расход прохождения модельной сточной воды (СВ) через слой костры, равный 20 см3/мин; общий объем прошедшего раствора - 2,4 дм3. Через определенные промежутки времени определялись остаточные концентрации вышеназванных ионов в растворе, прошедшего через слой реагента. По полученным данным строились графики зависимости остаточной концентрации ИТМ в растворе после очистки от времени прохождения модельной воды через слой сорбционного материала в нейтральной и кислой среде.
Тем не менее, как отмечалось выше, сорб-ционная емкость льняной костры по ионам ге невысока. В этой связи исследовалась возможность повышения сорбционных характеристик к названным ионам металла исследуемого СМ путем обработки последнего в потоке высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления.
Для выявления наиболее подходящего режима обработки варьировались следующие параметры плазменной обработки: давление в рабочей камере плазмотрона (Р) - от 13,3 до 26,6 Па, расход плазмообразующего газа - от 0,02 до 0,06 г/с, сила тока на аноде (1а) - от 0,3 до 0,9 А, напряжение на аноде плазмотрона (иа) - от 1,5 до 7,5 кВ, время обработки (Т) - от 1 до 30 мин. Начальная концентрация ионов ге в модельном растворе составила 300 мг/дм3.
Первоначально исследовалась зависимость поглотительной способности костры от природы плазмообразующего газа. В качестве последних использовались воздух, аргон, смеси аргона с воздухом и аргона с пропаном в соотношениях 70:30. Гистограммы зависимости количества ионов Ге(!!!), сорбированных образцами костры после плазмооб-работки, приведены на рис. 2. Одновременно, при прочих равных параметрах, варьировалось давление в рабочей камере (13,3 и 26,6 Па).
Как видно из гистограмм, приведенных на рис. 2а, при давлении в рабочей камере плазмотрона 13,3 Па обработка костры плазмой в среде аргона приводит к наибольшему значению сорбци-онной емкости по отношению к ионам ге(!!!). При давлении в рабочей камере плазмотрона, равной 26,6 Па, наибольшие значения сорбционной емкости наблюдаются для образцов костры плазмообрабо-танных в атмосфере аргона с воздухом и аргона с
пропаном. В связи с вышеизложенным, в дальнейшем производилась обработка льняной костры ВЧ плазмой при пониженном давлении (26,6 Па) с варьированием параметров в среде аргона и смеси аргона с воздухом.
Р=13,ЭПа, 1=0,5А, и=7.5кВ,Т=1 мин, 0=0,02г/сек
Ю
® неходкая костра аргон аргон* еоздух аргон*пропан еоздух
| Среда
о
а
Р=26,6Па, l=0t5A, U=7,5kB, Т=1мин,й=0,06г/сек
z
s 30 ]
т Исходная костра аргон аргон* воздух аргон* пропан воздух
3 Среда
б
Рис. 2 - Зависимости сорбционной емкости плаз-мообработанных образцов льняной костры по ионам железа (III) в зависимости от вида и давления с расходом плазмообразующего газа а) Р=13,3 Па и Q=0,02 г/сек; б) Р=26,6 Па и Q = 0,06 г/сек
Первоначально изучалось влияние анодного напряжения на аноде плазмотрона на сорбционную емкость льняной костры по отношению к ионам Fe(III). Гистограммы количества последних, поглощенных образцами костры после плазмообработки, в зависимости от значений Ua и вида плазмообразующего газа, приведены на рис. 3.
Найдено, что увеличение значений Ua приводит к проявлению экстремальных зависимостей. Так, например, при плазмообработке в среде аргона сорбционная емкость костры по отношению к ионам Fe3+ с увеличением анодного напряжения до 2 кВ повышается, затем понижается.
Как следует из приведенных гистограмм (рис. 3), плазмообработка в среде аргона приводит к несколько большему значению сорбционной емкости льняной костры по ионам железа по сравнению с образцами, обработанными в среде аргона. В дальнейшем исследовалось влияние силы тока на аноде плазмотрона на сорбционные характеристики исследуемого СМ. Гистограммы зависимости последних в зависимости от вида плазмообразующего газа и силы тока приведены на рисунке 4.
б
Рис. 3 - Значения сорбционной емкости плазмо-обработанных образцов льняной костры по ионам железа (III) в зависимости от напряжения на аноде и плазмообразующего газа: а) в атмосфере аргона; б) в атмосфере аргона с воздухом
б
Рис. 4 - Зависимости значений сорбционной емкости льняной костры по ионам железа от силы тока и вида плазмообразующего газа: а) в атмосфере аргона; б) в атмосфере аргона с воздухом
Как следует из приведенных на рис. 4 данных, наибольшее значение сорбционной емкости достигается для образцов, обработанных ВЧ плазмой пониженного давления в среде аргона при силе тока на аноде плазмотрона 1а = 0,5 А.
Зависимости показателя сорбционной емкости для исследуемого СМ по ионам Рв3+ в зависимости от времени плазмообработки приведены на рис. 5.
а)
б
Рис. 5 - Значения сорбционной емкости образцов льняной костры по ионам железа (III) в зависимости от времени плазмообработки и вида плаз-мообразующего газа: а) в атмосфере аргона; б) в атмосфере аргона с воздухом
Как следует из приведенных на рис. 5 гистограмм, увеличение времени обработки плазмой в среде аргона приводит к экстремальным зависимостям: сначала значение сорбционной емкости несколько повышается, далее - несколько понижается. Плазмообработка костры в среде аргона с воздухом приводит к несколько иной картине: с увеличением времени нахождения образцов исследуемого СМ в рабочей камере плазмотрона значение сорбционной емкости несколько повышается. Тем не менее, следует отметить, что варьирование показателей плаз-мообработки не приводит к значительным изменениям сорбционных показателей льняной костры по ионам Fe(III) как, например, при сорбции ионов Co(II) [11].
Проведенными экспериментами найдено, что наибольшее значение сорбционной емкости по ионам железа достигается при обработке льняной костры ВЧ плазмой пониженного давления при следующих показателях: плазмообразующий газ - ар-
а
а
гон, Р = 26,6 Па, Ia = 0,5 А, Ua = 1,5 кВ, Т = 10 мин
Литература
1. С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 1, 181-184 (2014).
2. С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 166-168 (2014).
3. Е. СИоскаН^ат, Б. БиЪгататап СНетозрНеге, 62, 5, 699-708 (2006).
4. И.В. Шевелева, А.Н. Холомейдик, А.В. Войт, Л.А. Земнухова, Химия растительного сырья, 4, 171-176 (2009).
5. О.В. Броварова. Автореф. дисс. канд. хим. наук, Архангельский гос. техн. ун-т, Архангельск, 2006. 20 с.
6. Я.Р. БИака1, К.№ ОЫтте, К. 1ппоие, Ш&оте1а11иг£у, 79, 182-190 (2005).
7. Патент РФ 2394776 (2010).
8. В.П. Пухова. Автореф. дисс. канд. техн. наук, СевероКавказский гос. технол. ун-т, Владикавказ, 2014. 24 с.
9. Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, С.В. Натареев, Е.А. Дубкова, Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, 57, 3, 91-97 (2014).
10. Т. Е. Никифорова [и др.], Тезисы докладов Междун. научно-техн. конф. «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях», Кострома: КГТУ, 123124 (2002).
11. И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Э.М. Хасаншина, К.И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 9, 61-64 (2014).
12. Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, Н.А. Багровская, Химия растительного сырья, 4, 45-52 (2005).
13. Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, Е.А. Модина, Химия растительного сырья, 4, 23-30 (2010).
14. ПНД Ф 14.1:2.50-96. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации общего железа в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой / М.:Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - 1996. - 16 с.
© И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., проректор по научной работе КНИТУ; К. И. Шайхиева - студ. каф. инженерной экологии КНИТУ; Э. М. Хасаншина - к.т.н., асс. каф. экологии Альметьевского муниципального института.
© I. G. Shaykhiev - Prof. KNRTU, ildars@inbox.ru; I. Sh. Abdullin - Prof. KNRTU; E. M. Khasanshina - stud. KNRTU; K. I. Shaykhieva - associate professor, Almetevskian municipal institute.
