CC BY
23
УДК 544.723
А. А. Овчинникова, И. Г. Шайхиев ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОРБЦИИ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (III)
ЖОМОМ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
Ключевые слова: жом сахарной свеклы, ионы железа (III), сорбция, влияние различных параметров.
Исследовано влияние различных параметров (рН водной среды, дозировка сорбционного материала, концентрация ионов железа (III), наличие анионов SO^', Cl, NO3~ и PO43') на эффективность удаления ионов Fe3+ с начальной концентрацией 100 мг/дм3 из модельных растворов жомом сахарной свеклы, модифицированных слабым раствором уксусной кислоты. Найдено, что наибольшая степень удаления ионов Fe(III) наблюдается при рН = 4. С увеличением дозировки жома сахарной свеклы эффективность удаления сорбата повышается. Присутствие в модельном растворе сульфат-, хлорид- и фосфат-ионов значительно снижают эффективность сорбционного процесса.
Key words: sugar beet pulp, iron (III) ions, sorption, influence of various parameters.
The effect of various parameters (pH of the aqueous medium, the dosage of the sorption material, the concentration of iron ions (III), the presence of SO42- Ct, NO3' andPO43 anions) on the removal efficiency of Fe3 + ions with an initial concentration of 100 mg /dm3 from model solutions by pulp Sugar beet, modified with a weak solution of acetic acid. It was found that the greatest degree of removal of Fe (III) ions is observed at pH = 4. With increasing dosage of sugar beet pulp, the sorbate removal efficiency is increased. The presence of sulfate, chloride and phosphate ions in the model solution significantly reduces the efficiency of the sorption process.
В продолжение работ по использованию многотоннажного отхода переработки
свекловичного сырья - жома сахарной свеклы (ЖСС) в качестве сорбционного материала для извлечения нефтепродуктов [1-3] и ионов тяжелых металлов [4, 5] из водных сред, в настоящей работе исследовалось влияние некоторых параметров на эффективность удаления ионов Ге(Ш) из модельных растворов жомом. Ранее [5] показано, что обработка ЖСС 3 %-ным раствором уксусной кислоты способствует увеличению максимальной сорбционной емкости с 39 до 74 мг/г по ионам железа (III).
Первоначально исследовалось влияние рН водного модельного раствора на эффективность извлечения ионов ¥е3+ ЖСС. Значение рН водной среды оказывает определенное влияние на сорбцию поллютантов сорбционными материалами. Так, в частности, исследована сорбция ионов С<1(П) и РЬ(11) нативным ЖСС и определено, что максимальная сорбционная емкость по ионам кадмия (46,1 мг/г) достигается при рН = 5,3, а по ионам свинца (43,5 мг/г) - при рН - 5,0 [6]. По ионам Си(11) максимальная сорбционная емкость (30,9 мг/г) достигается при значении рН = 5,5, а по ионам 7п(П) - 35,6 мг/г - при рН = 6 [7]. В тоже время, указывается, что максимальная степень извлечения ионов Си(11) наблюдается при рН = 4 [8]. Причем, меньшие и большие значения рН приводят к резкому снижению эффективности извлечения ионов меди.
Исследована сорбция ионов двухвалентных металлов (Са2+, Cd2+1 Си2+, М2+, РЬ2+ и гп2+) пульпой ЖСС [9]. Отмечено, что с увеличением значений рН, эффективность поглощения названных ионов повышается. По степени удаления ЖСС, ионы металлов расположились в следующий ряд: Си2+ ~ РЬ2+ >> Cd2+ ~ гп2+ > > Са2+. Сведений о зависимости эффективности удаления ионов Ге3+
ЖСС от значения рН водной среды в настоящее время в литературе не найдено.
В связи с вышеизложенным, первоначально определялось влияние рН водного раствора на степень извлечения ионов Ге(Ш) ЖСС, предварительно обработанным 3 %-ным раствором уксусной кислоты в течение 60 минут, согласно условиям, приведенных в работе [5]. Суть эксперимента заключалась в следующем: готовились модельные растворы с значениями рН от 1 до 6 путем добавления 1 М растворов H2SO4. В плоскодонные колбы емкостью 250 см3 наливалось по 100 см3 приготовленных растворов с различными значениями рН и вносилась рассчитанная навеска сульфата железа (III) для достижения концентрации ионов Ге3+ в колбах 100 мг/дм3. Навески реагента растворялись и в сосуды вносились по 1 гр ЖСС. Колбы с находящимися в них навесками и соответствующими растворами плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение трех часов. Затем сорбент отфильтровывался, и в фильтратах определялись остаточное содержание ионов Ге+3. Графическая зависимость изменения эффективности извлечения ионов железа (III) от значений рН приведена на рис. 1.
Рис. 1 - Зависимость изменения эффективности извлечения ионов Fe(Ш) от значений рН
Как следует из графической зависимости, приведенной на рис. 1, степень удаления ионов Fe3+ имеет параболический характер; максимум наблюдается при рН = 4 и составляет 57 %.
Последующая экспериментальная работа заключалась в определении эффективности сорбционного извлечения исследуемых ионов от массы сорбционного материала. Для этого в шесть плоскодонных колб емкостью 250 см3 заливалось по 100 см3 раствора Fe+3 с концентрацией последнего 100 мг/дм3 и рН = 4. Затем в колбы помещались навески модифицированного ЖСС массой 1; 3; 5; 10; 15 и 20 гр (соответственно, 10-200 г/дм3). Колбы с находящимися в них навесками и соответствующими растворами плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение трех часов. Затем сорбент отфильтровывался, и в фильтратах определялись остаточное содержание ионов Fe+3. По полученным данным построена графическая зависимость, приведенная на рис. 2.
эффективности извлечения названных ионов от их начальной концентрации приведены на рис. 3.
Рис. 2 - Зависимость эффективности удаления ионов железа от массы ЖСС
Как следует из приведенной на рисунке 2 графической зависимости, с увеличением дозировки сорбционного материала, эффективность извлечения ионов Fe(Ш) возрастает, что вполне закономерно. Однако, с увеличением количества ЖСС возникают определенные трудности с разделением сорбционного материала. Последний разбухает и жидкость тяжело поддается фильтрации.
В дальнейшем исследовалось влияние начальной концентрации ионов железа (III) на эффективность удаления последних. Для этого в 7 плоскодонных колб емкостью 250 см3 наливалось по 100 см3 растворов, содержащих ионы Fe+3 в концентрациях: 50; 100; 200; 250; 300; 400 и 500 мг/дм3. Растворы предварительно подкислялись до достижения рН = 4. Затем в плоскодонные сосуды помещались навески ЖСС массой по 1 гр. Колбы с находящимися в них навесками и соответствующими растворами плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение трех часов на шейкере. По окончании указанного промежутка времени сорбционный материал отфильтровывался и в фильтратах определялись остаточное содержание ионов Fe+3. Зависимость
Рис. 3 - Зависимость эффективности удаления ионов железа от их концентрации
Как следует из приведенного на рисунке 3 графика, увеличение концентрации ионов Fe3+ приводит к уменьшению эффективности удаления последних из модельного раствора, что закономерно. Увеличение концентрации ионов железа (III) с 50 до 500 мг/дм3 способствует снижению эффективности извлечения с 68 % до 49%.
Наличие в водных растворах различных катионов и анионов существенно влияет на эффективность удаления ионов тяжелых металлов из водных сред. Так, в работе [10] показано, что присутствие в модельных растворах нитрат-ионов практически не влияет на степень извлечения пектиновыми веществами, содержащимися в ЖСС, ионов Cd2+, Си2+ и РЬ2+. В то же время, присутствие в растворах сульфат- и хлорид ионов снижает до 75 % эффективность очистки от названных катионов металлов.
В связи с вышеизложенным, представлялось интересным оценить влияние анионов на эффективность извлечения ионов Fe(Ш) сахарным жомом.
Суть эксперимента заключалась в следующем: в плоскодонные колбы емкостью 250 см3 помещались навески натриевых солей, содержащих анионы
С1-, N03 и Р04 -) в следующих
концентрациях от 10 до 100 мг/дм . Затем в колбы заливалось по 100 см3 модельного раствора, содержащего ионы Fe+3 с концентрацией 100 мг/дм3, помещались навески ЖСС по 1 г . Колбы с находящимися в них навесками и соответствующими растворами плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение трех часов. Затем сорбционный материал отфильтровывался, а в фильтратах определялись остаточное содержание Fe+3. Графические зависимости влияния дозировок и вида аниона на степень удаления ионов железа (III) приведены на рисунке 4.
Рис. 4 - Зависимость эффективности удаления ионов железа от концентрации и вида аниона
Как следует из графиков, приведенных на рис. 4, наличие в модельных растворах нитрат-ионов мало сказывается на эффективность извлечения рассматриваемого поллютанта. В то же время, присутствие в модельной жидкости хлорид-, сульфат- и фосфат-ионов резко снижаетстепень удаления ионов Fe3+. По всей видимости, имеет место конкурирующая сорбция.
Таким образом, выявлено влияние значение рН модельного раствора, концентрации ионов железа и дозировки ЖСС на эффективность извлечения ионов Fe3+. Определено, что нитрат-ионы мало влияют на сорбционные характеристики жома.
Наличие других анионов (SO/-, Cl-, и PO43-) нежелательно из-за существенного снижения степени удаления исследуемого поллюианта из модельных и сточных вод.
Литература
1. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 13, 246-248 (2015).
2. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 14, 236237 (2015).
3. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 17, 258-261 (2015).
4. И.Г. Шайхиев, В.Ю. Бегишева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 19, 4, 145-149 (2016).
5. И.Г. Шайхиев, А.А. Овчинникова, Вестник технологического университета, 20, 4, 143-148 (2017).
6. E. Pehlivan, B.H. Yanik, G. Ahmetli, M. Pehlivan, Bioresource Technology, 99, 9, 3520-3527 (2008).
7. E. Pehlivan, S. Cetin, B.H. Yanik, Journal of Hazardous Materials, 135, 1-3, 193-199 (2006).
8. Z. Aksu, Í.A. í§oglu, Process Biochemistry, 40, 9, 30313044 (2005).
9. V.M. Dronnet, C.M.G.C. Renard, M.A.V. Axelos, J.-F. Tbibault, Carbohydrate Polymers, 34, 73-82 (1997).
10. Y.N. Mata, M.L. Blázquez, A. Ballester, F. González, J.A. Munoz, Chemical Engineering Journal, 150, 289-301 (2009).
© А. А. Овчинникова - магистр кафедры инженерной экологии КНИТУ; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, [email protected].
© A. A. Ovchinnikova - Master of Department of Environmental Engineering Kazan National Research Technological University; I. G. Shaikhiev - PhD, Head of Department of Environmental Engineering Kazan National Research Technological University, [email protected].
