ВОЛОКНИСТЫЙ КАТИОНИТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) WATER SUPPLY, SEWER SYSTEM, CONSTRUCTION SYSTEMS OF PROTECTION OF WATER RECOURSES (TECHNICAL)

УДК 66.021.3

В ОЛОКНИСТЫЙ КАТИОНИТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

С. В. НАТАРЕЕВ1, Т. А. НИКОЛАЕВА1, Д. Г. СНЕГИРЕВ2

1ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, Российская Федерация, г. Иваново 2ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России Российская Федерация, г. Иваново E-mail: natoret@mail.ru

Обеспечение населения водой в условиях чрезвычайной ситуации является одним из важнейших инженерно-технических мероприятий. В настоящее время для очистки воды от ионов тяжелых металлов все больше применение находят ионообменные волокна. В экспериментальных исследованиях использовался волокнистый катионит, полученный на основе поликапроамидного волокна. Данное волокно получают из синтетического полимера - поликапроамида. Поликапроамидное волокно характеризуется высокой износостойкостью и механической прочностью. Оно устойчиво к действию большинства растворителей. Модифицирование поликапроамидного волокна проводили за счет химически инициированной привитой сополимеризации на его поверхности метакриловой кислоты. Таким образом, полученный ионит является сильнокислотным катионитом. В работе изучена кинетика ионообменной сорбции ионов меди, цинка и железа на волокнистом катионите и найдены значения коэффициентов внутренней диффузии ионов тяжелых металлов и энергии активации процесса диффузии ионов в зависимости от степени отработки сорбента. Проведены исследования процесса ионного обмена в динамических условиях и определены основные показатели процесса: динамическая обменная емкость катионита, время проскока концентрации сорбируемого иона и др. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о целесообразности применения модифицированного поликапроамидного волокна для очистки воды от ионов тяжелых металлов.

Ключевые слова: ионный обмен, волокнистый катионит, тяжелые металлы, кинетика и динамика процесса.

FIBROUS CATIONITE FOR PURIFICATION OF THE WATERS FROM HEAVY METAL IONS

S. V. NATAREEV1, T. A. NIKOLAEVA1, D. G. SNEGIREV2

1

Federal State budgetary educational Institution of higher Education «Ivanovo State University of Chemistry and Technology», Russian Federation, Ivanovo Federal State budgetary educational Institution of higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: natoret@mail.ru

Providing the population with water in an emergency is one of the most important engineering and technical measures. Currently, ion-exchange fibers are increasingly being used to purify water from heavy metal ions. In experimental studies, a fibrous cationite obtained from a polycaproamide fiber was used. This fiber is obtained from a synthetic polymer-polycaproamide. Polycaproamide fiber is characterized by high wear resistance and mechanical strength. It is resistant to most solvents. Modification of the polycaproamide

© Натареев С. В., Николаева Т. А., Снегирев Д. Г., 2020

31

fiber was performed by chemically initiated grafted copolymerization on its surface of methacrylic acid. Thus, the obtained ion exchanger is a strongly acidic cation exchanger. The kinetics of ion exchange sorption of copper, zinc, and iron ions on a fibrous cationite was studied. the values of the internal diffusion coefficients of heavy metal ions and the activation energy of the ion diffusion process were found depending on the degree of sorbent processing. The process of ion exchange in dynamic conditions and the main parameters of the process: dynamic exchange capacity of cation, the breakthrough time of the concentration of sorbed ion, etc. On the basis of conducted research we can conclude about the feasibility of using a modified poly-caproamide fibers for water purification from ions of heavy metals.

Key words: ion exchange, fibrous cationite, heavy metals, kinetics and the dynamics of the process.

Обеспечение населения водой в условиях чрезвычайной ситуации является одним из важнейших инженерно-технических мероприятий. Следует учесть, что в возникшей ситуации могут подвергнуться разрушению ряд сооружений и сетей водоснабжения или заражение источников воды. Ориентировочная потребность в воде для хозяйственно-питьевых и специальных нужд составляет: 10 л в сутки на одного человека; 100 л в сутки на одного пораженного, находящегося на стационарном лечении, включая питьевые нужды; 45 л на обмывку одного человека, из расчета санитарной обработки 50 % общего количества легко-пораженных и 25 % личного состава сил гражданской обороны, работающих в зоне бедствия (очаге поражения) [1]. При ношении защитной одежды потребность в питьевой воде увеличивается на 2-5 л в зависимости от температуры воздуха, тяжести нагрузки и типа одежды (повседневная, изолирующая) [2]. При этом для водоснабжения следует иметь резервуары, обеспечивающие создание в них не менее 3-суточного запаса питьевой воды [3]. Войсковыми средствами очистки и опреснения воды являются мобильные фильтровальные станции, в которых для извлечения ионов тяжелых металлов используются синтетические иониты.

В настоящее время для очистки воды от ионов тяжелых металлов все больше применение находят ионообменные волокна, ряд из которых обладает лучшими сорбционными свойствами по сравнению с зернистыми иони-тами. Одним из таких сорбентов является волокнистый ионит на основе поликапроамидно-го волокна. Для производства волокна используется синтетический полимер — поликапро-амид. Данное волокно характеризуется высокой износостойкостью и механической прочностью. Оно также устойчиво к действию большинства растворителей. Для улучшения сорб-ционных и кинетических свойств волокно подвергают модифицированию. Модифицирование поликапроамидного волокна проводили за счет химически инициированной привитой со-полимеризации на его поверхности метакри-ловой кислоты. Таким образом, синтезирован-

ный ионит относится к сильнокислотному кати-ониту.

Для расчета ионообменной установки для очистки воды необходимо иметь кинетические и динамические характеристики катиони-та. Исследование кинетики ионного обмена проводили в соответствии с методикой ограниченного объема [4]. Для проведения опыта брали 100 мл исследуемого раствора и помещали его в термостатируемый сосуд с мешалкой. После установления теплового равновесия добавляли навеску набухшего ионита. Эксперимент заканчивался через определенный промежуток времени. При проведении опытов поддерживалась постоянная температура 25 оС. На рис. 1 приведены кинетические кривые ионообменной сорбции меди на модифицированном поликапроамидном (МПКА) волокне в Н-форме при различных концентрациях раствора.

01234 56789 10

xl0?c

Рис. 1. Кинетические кривые сорбции ионов ^2+ на МПКА волокне: С0, моль/л: 1 - 0,005; 2 - 0,007; 3 - 0,02

Из полученных данных видно, что на скорость ионного обмена значительное влияние оказывает концентрационные условия процесса. С увеличением концентрации исходного раствора скорость процесса возрастает.

В работе проведены исследования влияния температуры раствора на скорость процесса ионного обмена. Их анализ показал, что увеличение температуры от 25 до 50 оС приводит к незначительному увеличению скорости ионообменной сорбции ионов Си2+ и Fe3+. Результаты этих исследований показаны на рис. 2.

Рис. 2. Кинетические кривые ионообменной

сорбции ионов Си2+ (С0 = 0,02 моль/л) и Fe3+ (С0 = 0,05 моль/л) на МПКА волокне: обмен RH+ - Си2+(1, 2); обмен RH+ - Fe3+(3, 4);

При обработке экспериментальных данных по ионообменной сорбции ионов металлов на МПКА волокне были определены коэффициенты внутренней диффузии сорбируемых ионов для процесса ионного обмена RH+ - Си2+ и RH+ - Fe3+, также значения энергии активации процесса диффузии ионов в МПКА волокне в зависимости от степени отработки ионита.

Коэффициенты диффузии сорбируемых ионов определяли по формуле [4]:

D(г) = . B™

2,4048 г

2

м /с

(1)

t, 0C: 1,3 - 50; 2,4 - 25

где Б^(т) - константа, зависящая от степени отработки ионита.

Расчет энергии активации производился по следующей формуле:

2,3я(1п Д - 1п Д Тт, „ , _ Е = ——^-1-Ц^2 , Дж/моль (2)

Т - Т

где Т1, Т2 - температуры растворов.

Значения коэффициентов диффузии и энергии активации приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения коэффициентов диффузии и энергии активации (индекс 1 соответствует температуре t = 25 оС, индекс 2 - t = 50 оС)

Обмен RH+ - Cu2+, C0 = 0,02 моль/л

F1 Dr1014 м2/с F2 D2-1014 м2/с E, Дж/моль

0,244 11,689 0,269 16,026 17110

0,414 19,969 0,471 26,768 15926

0,605 24,352 0,671 31,609 14142

0,716 25,164 0,775 31,694 12510

0,914 28,817 0,945 35,635 11515

0.992 31,658 0,998 38,778 11000

Обмен RH+ - Fe3+, C0 = 0,05 моль/л

0,280 5,260 0,318 6,720 13281

0,463 7,744 0,506 9,507 11123

0,561 8,104 0,608 9,854 10600

0,649 8,658 0,682 10,011 7868

0,740 9,966 0,767 11,033 5506

0,820 11,340 0,842 12,440 5001

0,871 12,100 0,887 13,051 4112

0,950 13,290 0,959 14,332 4096

В работе проведены исследования процесса сорбции ионов Си2+, 2п2+ и Fe3+на МПКА волокне в Н-форме в динамических условиях. Исследование процесса заключалось в снятии выходных кривых на ионообменной установке, основым элементом которой являлась ионообменная колонка с внутренним диаметром 18 мм и высотой 300 мм. Для проведения опытов к колонку помещали 5 г МПКА волокна и пропускаяли через слой катионита исходный раствор с объемной скоростью 140 мл/с. Из анализа полученных экспериментальных данных (рис. 3) можно сделать вывод о том, что с увеличением концентрации исходного раствора СиС12 наблюдается уменьшение ширины зоны массопереноса.

О1 **—-1-1-1-1-1

0 100 300 500 700 1000

V, мм

Рис. 3. Выходные кривые ионного обмена RH+ - Рв3+(1), РИ+ - Си2+(2, 3) и RH+ - гп2+ (4): С0, моль/л: 1 - 0,05; 2 — 0,02; 3 — 0,007;

4 — 0,005

Следовательно, на динамические характеристики процесса оказывает влияние кинетика ионного обмена. Размытие сорбционно-го фронта в области малых концентраций свя-

Список литературы

1. Гражданская защита: Энциклопедия в 4 томах. Том I (А-И); под общей редакцией В. А. Пучкова; МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2015. 666 с.

2. Основы военной гигиены: учеб. пособие / В. И. Дорошевич [и др.]. Минск: Новое знание; М.: ИНФРА-М, 2014. 190 с.

3. Учебно-методическое пособие по повышению квалификации руководителей организаций по вопросам ГО, защиты от ЧС, пожарной безопасности и безопасности на водных объектах в УЦ ФПС МЧС России. М.: РИК «Галерия», 2007. 752 с.

4. Кокотов Ю А., Золотарев П. П., Ель-кин Г. Э. Теоретические основы ионного обмена: сложные ионообменные системы. Л.: Химия, Ленинградское отд-ние, 1986. 281 с.

зано с уменьшением скорости поглощения вещества слоем ионообменного волокна.

В табл. 2 приведены значения динамической обменной емкости катионита Сдин и время защитного действия слоя тпр, найденные для полученных ионообменных систем. Установлено, что с увеличением концентрации исходного раствора увеличивается динамическая обменная емкость МПКА волокна, а также уменьшается время защитного действия слоя.

Таблица 2. Параметры процесса ионного обмена в динамических условиях

Ионообменная система Co, моль/л Сцин, ммоль/л Тпр-10"3,с

RH+ - Cu2+ 0,02011 0,98 2,7

0,00713 0,92 9,0

0,00405 0,65 18,0

RH+ - Zn2+ 0,00722 0,64 3,6

0,004795 0,56 5,4

RH+ - Fe3+ 0,00706 0,11 0,75

0,00358 0,08 1,04

Экспериментальные исследования ионного обмена позволяют сделать вывод о высоких сорбционных свойствах МПКА волокна по отношению к ионам меди, цинка и железа. Найденные кинетические параметры процесса могут быть использованы при расчете и проектировании ионообменных аппаратов для очистки воды от ионов тяжелых металлов.

References

1. Grazhdanskaya zashhita: v 4 t. T.1 [Civil protection: in 4 vol. Vol. 1]. In Puchkov V. A. (ed.). Moscow: FGBU VNII GOChS (FCz), 2015. 666 p.

2. Osnovy voennoj gigiena: uchebnoe posobie [Fundamentals of military hygiene: a training manual] / V. I. Doroshevich [et al.]. Minsk: Novoe znanie; Moscow: INFRA-M, 2014. 190 p.

3. Uchebno-metodicheskoe posobie po povysheniyu kvalifikacii rukovoditelej organizacij po voprosam GO, zashchity ot CHS, pozharnoj bezopasnosti i bezopasnosti na vodnyh ob»ektah v UC FPS MCHS Rossii [Training manual for advanced training of heads of organizations on civil defense, emergency protection, fire safety and water safety at the CC FPS EMERCOM of Russia]. Moscow: RIK «Galeriya», 2007. 752 p.

4. Kokotov Yu. A., Zolotarev P. P., retical foundations of ion exchange: complex ion

Elkin G. E. Teoreticheskiye osnovy ionnogo ob- exchange systems]. Leningrad Himiya, Lenin-

mena: slozhnyye ionoobmennyye sistemy [Theo- gradskoe otdelenie, 1986. 281 p.

Натареев Сергей Валентинович

ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет,

Российская Федерация, г. Иваново

доктор технических наук, профессор

E-mail: natoret@mail.ru

Natareev Sergey Valentinovich

Federal State budgetary educational Institution of higher Education «Ivanovo State University of Chemistry

and Technology»,

Russian Federation, Ivanovo

doctor of engineering sciences, professor

E-mail: natoret@mail.ru

Николаева Татьяна Артемьевна

ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет,

Российская Федерация, г. Иваново

студент

E-mail: nikolaewa37region37@yandex.ru Nikolaeva Tatyana Artemevna

Federal State budgetary educational Institution of higher Education «Ivanovo State University of Chemistry

and Technology»,

Russian Federation, Ivanovo

student

E-mail: nikolaewa37region37@yandex.ru Снегирев Дмитрий Геннадьевич

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат химических наук, заведующий кафедрой

E-mail: edufire@mail.ru

Snegirev Dmitriy Gennadevich.

Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo

candidate of engineering sciences, head of department E-mail: edufire@mail.ru