CC BY
40
УДК 544.723.212
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ НА СОРБЦИОННУЮ
СПОСОБНОСТЬ К ИОНАМ Fe (III)
INFLUENCE OF ELECTROKINETIC POTENTIAL VALUE OF MODIFIED CARBON SORBENTS ON ABILITY OF SORPTION OF Fe (III) IONS
Д.Е. Смальченко, Н.Г. Габрук, Е.А. Гудкова D.E. Smalchenko, N.G. Gabruk, E.A. Gudkova
Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Россия, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85
Belgorod State National Research University, 85 Pobedа St, Belgorod, 308015, Russia
E-mail: dsmalchenko@gmail.com
Аннотация
Отходы после переработки початков кукурузы (стрежни початков кукурузы (СПК)) использовались для получения активированных углей. Для развития поверхности СПК обрабатывали растворами серной и азотной кислот, а также растворами №я2ЭДТА различной концентрации с последующей карбонизацией при 450 °C. Полученные материалы были охарактеризованы: определены физические и физико-химические параметры. В статье описывается влияние электрокинетического потенциала поверхности углей на поглотительную способность к ионам Fe3+ из модельных растворов.
Abstract
Wastes from processing of corn cobs were used to obtain activated carbons. For increasing surface area of activated carbon the samples were processed by solution of sulfuric and nitric acids, Na2EDTA and after that carbonized at 450°C. Obtained materials were characterized by physical and physico-chemical parameters. In present investigation electrokinetic potential of obtained samples was measured and a dependence of absorption of Fe (III) ions on the electrokinetic potential value was determined.
Ключевые слова: электрокинетический потенциал, активные угли, сорбенты, ионы железа (III), спектрофотометрия.
Keywords: electrokinetic potential, active carbon, sorbent, ferric ion, spectrophotometry.
Введение
Основными источниками для получения активированных углей являются древесина в виде опилок, торф, торфяной кокс. Также в литературе приводятся сведения о возможности использования большого числа других углеродсодержащих материалов: скорлупа различных видов орехов (например, скорлупа грецкого ореха), фруктовых косточек, асфальта, карбидов металлов, углеродсодержащих отходов разного рода [Kienle, Bader, 1980].
Стержни початков кукурузы (СПК), как отход производства в агропромышленном комплексе (АПК), в мире получил широкое применение в качестве сырья для получения активированного угля. Для активации возможно использование широкого спектра химических соединений, таких как: КОН [Diya'uddeen et al., 2008], газообразный СО2 [Kazmierczak et al., 2013], ZnCl2 [Hanvajanawong et al., 1986], острый
водяной пар [Buah et al., 2016]. Также возможно использование угля без обработки, но тогда эффективная площадь поверхности будет гораздо меньше, по сравнению с углями, прошедшими активацию. Активированные угли на основе СПК возможно использовать в качестве поглотителей в системах очистки газов [Kazmierczak et al., 2013], сточных вод [Buah et al., 2016], а также очистки от горюче-смазочных материалов при попадании последних в открытые водоемы [Diya'uddeen et al., 2008].
Белгородская область в 2015 году по валовому сбору кукурузы на зерно заняла 3 место среди регионов Российской Федерации. Объем сбора составил 997.8 тыс. тонн, из которых около 220 тыс. тонн составили отходы при переработке: лузга и СПК [Министерство сельского хозяйства РФ, 2016]. Это позволяет говорить об экономической целесообразности разработки сорбентов на основе СПК.
Так как тяжелые металлы (ТМ) способны, даже в микроколличествах, отрицательно влиять на здоровье человека, очистка сточных вод от подвижных форм ТМ является обязательной.
В результате проведенных ранее исследований [Смальченко, 2016] были установлены физические и физико-химические характеристики сорбентов, полученных из СПК и химически модифицированных.
Целью настоящей работы было установление корреляции между величиной электрокинетического потенциала поверхности полученных сорбентов и их сорбционной активностью по отношению к ионам Fe (III).
Материалы и методы исследования
Использовали углеродные сорбенты на основе СПК, подвергшиеся кислотному модифицированию. В качестве реагентов использовали растворы азотной и серной кислот в концентрациях 1, 3 и 10 моль/дм3, а также растворы Л0г2ЭДТА в концентрациях 0.1, 0.3 и 0.5 моль-экв/дм . По окончании модифицирования образцы отделяли от жидкой фазы фильтрованием на воронке Бюхнера, карбонизировали при температуре 450 °С и отмывали до нейтральной реакции среды с последующим высушиванием при температуре 120 °С в течение 24 часов. Фракционный состав, полученных образцов был представлен частицами размером <100 мкм.
Определение электрокинетического потенциала. Навеску исследуемого образца (0.5±0.01 г) помещали в пенициллиновый пузырек, приливали 10 см бидистиллированной воды и оставляли на 15 минут. Полученную суспензию отфильтровывали через фильтр Шотта и помещали в кювету для определения электрокинетического потенциала. Анализ выполняли в трех повторностях на приборе MALVERN ZETASIZER NANO ZS.
Определение сорбционной активности к ионам Fe (III). Навеску исследуемого углеродного материала (0.0500±0.0001 г) помещали в конические колбы, приливали 25 см3 стандартного раствора с концентрацией ионов Fe (III) 0.01 г/дм3. Содержимое колб выдерживали в течение 2 часов (с постоянным перемешиванием) и контролировали остаточное содержание железа через каждые 30 минут, предварительно центрифугируя полученную суспензию. Содержание ионов железа (III) определяли по градуировочному графику спектрофотометрически на приборе «Specord 210 PLUS» по реакции с сульфосалициловой кислотой в щелочной среде. Предельную сорбцию ионов железа (III) рассчитывали по формуле:
где: а - предельная сорбция, ммоль/г; Сст - концентрация ионов Fe (III) в стандартном растворе, г/дм3; С - остаточная концентрация ионов Fe (III) в растворе после сорбции, г/дм ; m - масса воздушно-сухого сорбента, г; М - молярная масса железа, г/моль; Ур -объем стандартного раствора ионов Fe (III), см3.
По полученным данным строили кинетические кривые поглощения ионов Fe (III) в координатах а = f(t) и сопоставляли их с полученными значениями электрокинетического потенциала.
Результаты и их обсуждение
Изменение величины электрокинетического потенциала является важной характеристикой при рассмотрении устойчивости дисперсных систем, а также позволяет уточнять ионообменный механизм сорбционных процессов. Для сравнения был взят активный уголь, полученный из стержней початков кукурузы. В таблице 1 представлены значения электрокинетического потенциала для исследуемых углей.
Таблица 1 Table 1
Электрокинетический потенциал полученных образцов Electrokinetic potential of carbon materials
№ п/п Образец ^-потенциал, мВ Напряжение, В
1 Необработанный уголь СПК -15.80
2 СПК-1^03 -10.30
3 СПК-3^^3 -11.02
4 СПК-10^03 -12.15
5 СПК-1^ 5.48 148.58
6 СПК-3^04 11.10
7 СПК-Ю^ 15.12
8 СПК-0.1 МЯ2ЭДТА -9.45
9 СПК-0.3 №я2ЭДТА -15.62
10 СПК-0.5 №Я2ЭДТА -22.48
Как видно, с увеличением концентрации модификатора происходит рост электрокинетического потенциала. Образцы, обработанные растворами азотной кислоты, имеют потенциал в интервале -12.15-10.30 мВ, что незначительно превышает значение электрокинетического потенциала необработанного угля СПК (-15.80 мВ). В образцах, обработанных растворами серной кислоты, наблюдаем явление перезарядки поверхности от 5.48 до 15.12 мВ. В образцах, обработанных растворами №2ЭДТА, электрокинетический потенциал отрицательный и лежит в пределах -22.48-9.45 мВ, причем потенциал образца СПК-0.5 Л0г2ЭДТА в 1.42 раза ниже, чем у необработанного угля СПК.
Полученные значения электрокинетического потенциала образцов позволяют предположить возможность ионообменного механизма протекания сорбционных процессов на поверхности полученных образцов углеродсодержащих сорбентов.
Важным условием при определении поглотительной способности сорбентов к ионам железа является рН, при котором проводят испытания. Это связано с ПР (Бе(ОН)3). Контроль рН позволяет не смешивать процессы осаждения и сорбции. Во время эксперимента рН испытуемой среды поддерживали в интервале 1-2. Кинетические кривые и данные о величине сорбции представлены на рисунке.
Рис. Кинетические кривые поглощение ионов Fe (III) (C0(Fe3+)=0.01 г/дм3) Fig. Kinetic curves of absorption of ferric ions (C0(Fe3+)=0.01 g/L)
На основании кинетических кривых была высчитана предельная сорбция ионов Fe (III). Данные представлены в таблице 2.
Таблица 2 Table 2
Величина предельной сорбции ионов Fe (III) Values of limiting sorption of ferric ions (III)
№ п/п Образец а, ммоль/г Степень сорбции ионов из раствора, % масс Время достижения равновесия
системы, мин
1 Необработанный уголь СПК 0.088 49.32 90
2 СПК-Ш03 0.076 42.57 90
3 СПК-3^03 0.083 46.59 30
4 СПК-10^03 0.086 48.16 90
5 СПК-1^04 0.075 41.95 90
6 СПК-3^04 0.071 39.83 60
7 СПК-10^04 0.052 29.16 90
8 СПК-0.1 МягЭДТА 0.079 44.25 30
9 СПК-0.3 МаьЭДГА 0.086 48.27 90
10 СПК-0.5 МаьЭДТА 0.087 48.77 60
Как видно, степень сорбции ионов необработанным углем СПК составила 49.32% и сорбция модифицированными углями не превышает этого значения. В образцах, активированных растворами азотной кислоты, степень сорбции ионов железа увеличивается с ростом концентрации модификатора и находится в пределах 42.57-48.16%. В образцах, модифицированных растворами серной кислоты, степень сорбции ионов уменьшается с ростом концентрации модификатора, что связано с перезарядкой поверхности сорбента. В образцах, модифицированных растворами Л0г2ЭДТА, степень сорбции ионов увеличивается с ростом концентрации модификатора и находится в пределах 44.25-48.77%.
Значения электрокинетического потенциала и предельной сорбции ионов Fe (III) представлены ниже (табл. 3).
Таблица 3 Table 3
Зависимость степени поглощения ионов Fe (III) от величины электрокинетического потенциала Dependence of absorption of Fe (III) ions on the electrokinetic potential value
№ п/п Образец ^-потенциал, мВ Степень поглощения ионов железа, % масс
1 Необработанный уголь СПК -15.80 49.32
2 СПК-1ЛЮ3 -10.30 42.57
3 СПК-3ЛЮ3 -11.02 46.59
4 СПК-10МР3 -12.15 48.16
5 СПК-1^04 5.48 41.95
6 СПК-3^04 11.10 39.83
7 СПК-10^04 15.12 29.16
8 спк-0.1 ла2здтА -9.45 44.25
9 спк-0.3 ла2здтА -15.62 48.27
10 СПК-0.5 Ла2ЭДТА -22.48 48.77
По данным, представленным в таблице 3, можем сделать вывод, что степень поглощения ионов Fe (III) напрямую связана с величиной электрокинетического потенциала, а также с пространственным расположением активных центров модификатора. Для всех модификаторов отмечается изменение сорбционной активности в зависимости от увеличения по модулю значений ^-потенциала. Однако совершенно очевидно, что механизм ионного обмена зависит не только от заряда поверхности, но и от расположения ионогенных групп. Так, молекула ЛОтгЭДТА достаточно громоздкая и при различной ориентации может затруднять взаимодействие обменивающихся ионов. Это предположение подтверждает практически не изменяющаяся от концентрации модификатора степень поглощения ионов железа (III).
Список литературы References
1. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации. 2016. Агропромышленный комплекс России в 2015 году. Основные показатели АПК Российской Федерации. М., 702.
Ministry of Agriculture of the Russian Federation. 2016. Agro-industrial complex of Russia in 2015. Main indicators of the agroindustrial complex of the Russian Federation. Moscow, 702.
2. Смальченко Д.Е. 2016. Получение сорбционных материалов из растительного сырья. Кучменко. В кн.: Физическая и коллоидная химия - основа новых технологий и современных методов анализа в химической и пищевой отраслях промышленности. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 120-летию со дня рождения С.Е. Харина. ВГУИТ: 170.
Smal'chenko D.E. 2016. Poluchenie sorbtsionnykh materialov iz rastitel'nogo syr'ya. Kuchmenko. In: Fizicheskaya i kolloidnaya khimiya - osnova novykh tekhnologiy i sovremennykh metodov analiza v khimicheskoy i pishchevoy otraslyakh promyshlennosti [Physical and colloid chemistry is the basis of new technologies and modern methods of analysis in the chemical and food industries]. Materials of the All-Russian scientific-practical conference with international participation, dedicated to the 120th anniversary of the birth of S.E. Harin. VGUIT: 170.
3. Buah W., MacCarthy J., Ndur S. 2016. Conversion of Corn Cobs Waste into Activated Carbons for Adsorption of Heavy Metals from Minerals Processing Wastewater. International Journal of Environmental Protection and Policy, 4 (4): 98-103.
4. Diya'uddeen B.H., Mohammed I.A., Ahmed A.S., Jibril BY. 2008. Production of Activated Carbon from Corncobs and its Utilization in Crude Oil Spillage Clean Up. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal, 10: 1025-1032.
5. Hanvajanawong N., Tansuwan S., Wanratanakorn S. 1986. Production of activated carbon from corn cobs. In: 12 Conference on Science and Technology of Thailand (20-22 October 1986). Bangkok (Thailand).
6. Kazmierczak J., Nowicki P., Pietrzak R. 2013. Sorption properties of activated carbons obtained from corn cobs by chemical and physical activation. Adsorption, 19 (2-4): 273-281.
7. Kienle H., Bader E. 1980. Aktivkonhle und ihre industrielle anwendung. Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, 216.
