ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И ПАРАМЕТРОВ СОРБЦИИ ИОНОВ ЦИНКА БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНОЙ ЗЫРЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КУРГАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Щурова Маргарита Александровна

студентка, Курганский Государственный Университет, г. Курган

E-mail: margarita.shurova@list.ru

Мосталыгина Лидия Витальевна

канд. хим. наук, доцент, Курганский Государственный Университет, г. Курган

E-mail:

Елизарова Светлана Николаевна

канд. биол. наук, доцент, Курганский Государственный Университет, г. Курган

E-mail:

Костин Александр Вадимович

аспирант, Курганский Государственный Университет, г. Курган

E-mail: analyt@kgsu.ru

STUDY OF BASIC PARAMETERS OF THE SORPTION OF ZINC IONS IN THE BENTONITE CLAY DEPOSITS ZYRYANSK OF KURGAN REGION

Margarita Shchurova

Student of the Kurgan State University, Kurgan

Lydia Mostalygina

Candidate of chemical sciences, Associate Professor of Kurgan State University, Kurgan

Svetlana Yelizarova

Candidate of biological sciences, Associate Professor of Kurgan State University, Kurgan

Alexander Kostin

Graduate student of Kurgan State University, Kurgan

АННОТАЦИЯ

Изучены основные параметры и закономерности сорбции ионов цинка на бентонитовой глине Зырянского месторождения Курганской области. Исследовано влияние времени контакта, концентрации ионов цинка и рН на величину сорбции. В кислой среде сорбция уменьшается. Процесс сорбции на бентонитовой глине включает в себя ионный обмен, является преимущественно физическим процессом, а также контролируется диффузией в плёнке раствора.

ABSTRACT

We study the basic parameters and laws of the sorption of zinc ions on the bentonite clay deposits Zyryansk of Kurgan region. The effect of contact time, concentration of zinc ions and pH on the magnitude of sorption was be investigated. In the acid medium sorption decreases. The process of sorption on bentonite clay includes ion exchange, is primarily a physical process, and is controlled by diffusion in the film of the solution.

Ключевые слова: бентонитовая глина; ионы цинка; кинетика сорбции; ионный обмен.

Keywords: bentonite clay; zinc ions; the kinetics of sorption; ion exchange.

Уменьшение концентрации ионов цинка — одного из опасных поллютантов — в объектах окружающей среды актуально [5]. Ввиду доступности и высокой катионообменной ёмкости хорошие перспективы имеют природные сорбенты - бентонитовые глины [2].

Целью настоящей работы являлось исследование сорбционной способности бентонитовой глины Зырянского месторождения Курганской области по отношению к ионам цинка в зависимости от рН, изучение кинетики сорбции, а также фактора ионного обмена.

Нативную бентонитовую глину Зырянского месторождения Курганской области готовили по стандартной методике. Для определения сорбционной способности 0,5 г глины помещали в 50 мл модельного раствора соли цинка, встряхивали в течение трех часов (либо выдерживали 24 часа без встряхивания). Концентрацию ионов цинка определяли фотометрически, комплексонометрически или ионометрически.

Изучено влияние времени контакта на установление химического равновесия в системе глина — раствор соли цинка (С₀=5•10^{-4 М и С}₀=1•10^{-3 М) в статическом режиме (с предварительно набухшей глиной) при 200}С (рис. 1).

Рис 1. Кинетические кривые сорбции (t=20⁰С)

Время наступления равновесия разное, но форма кривых схожа, что позволяет говорить об одном механизме проходящих при адсорбции процессах.

Известно, что для внешнедиффузионных процессов кинетическая кривая, построенная в координатах -lg(1 – F) — t, должна быть линейной (t – время, мин; F – степень достижения равновесия) [3]. В наших условиях фиксировался линейный участок (r=0,9714) во всем временном интервале (рис. 2). Выпуклый характер зависимости F - t^1/2 (рис. 3) так же свидетельствует, что лимитирующей стадией сорбции цинка является внешняя диффузия [3]. Таким образом, основным лимитирующим является внешнедиффузионный процесс.

Рис. 2. Зависимость -lg(1 – F) от t для сорбции ионов цинка при 20⁰С

Рис. 3. Зависимость F от t^1/2 для сорбции ионов цинка (t=20⁰С)

Проведен сравнительный анализ сорбции ионов цинка на глине при 20^оС и 50⁰С (С₀=1_• 10^{-3 М) (рис. 4).}

Рис. 4. Кинетические кривые сорбции ионов цинка (С₀ =10^{-3 М)}

При температуре 20⁰С равновесие сорбции наступает через 2 часа, при t=50⁰С - через 30 минут ( константы скорости реакции К_равн^293К=0,09±0,04 мин^-1; К_равн^323 К=0,10±0,04 мин^-1). Рассчитаны ΔS=-43 Дж/моль•К и ΔH=-3,24 кДж/моль. ΔH>-50 кДж, таким образом адсорбция ионов цинка бентонитовой глиной включает физическую специфическую и неспецифическую адсорбцию.

Исследовали системы дистиллированная вода – бентонитовая глина (mod1) и раствор соли цинка (С_о=3·10^-3 моль/л) - бентонитовая глина (mod2). Определяли концентрацию ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ после контакта с глиной и pH в растворе и воде до и после сорбции (таблица 1).

Таблица 1.

Характеристики растворов mod1 и mod2

После встряхивания с глиной pH увеличивался за счет выхода ионов Ca²⁺ и Mg²⁺_, Na⁺ и K⁺ в раствор [4]. Для компенсации отрицательного заряда кристаллической решётки бентонита при выходе в раствор Ca²⁺ и Mg²⁺_, Na⁺ и K⁺ помимо Zn²⁺ и ZnOH⁺ в межслоевое пространство поступают протоны, сформировавшиеся в результате диссоциации воды, в растворе остаются гидроксид-ионы, которые и повышают щёлочность раствора [1]. Таким образом, процесс сорбции на бентонитовой глине включает в себя ионный обмен.

Получена зависимость сорбции ионов цинка от рН (рис. 5). Сорбция в кислой среде идет хуже.

Рис 5. Сорбционный фронт ионов Zn²⁺ (рН 1-8)

Известно, что сорбция на бентонитовой глине включает ионный обмен, процессы комплексообразования, электростатическое взаимодействие [7]. На способность ионов вступать в электростатическое взаимодействие с заряженной в растворе поверхностью адсорбента влияет сольватная оболочка и рН среды, а также способность простых ионов образовывать более сложные ионы – комплексные [1]. Цинк адсорбируется из водного раствора бентонитовыми глинами в виде иона Zn(Н₂O)₆²⁺, преимущественно в кислой среде [6]. При рН≥6,9 цинк сорбируется в виде иона ZnOH⁺. Такой ион ввиду меньшего заряда и большего радиуса, а также меньшей степени гидратации легче вступает в электростатические взаимодействия и ионный обмен по сравнению с ионом Zn²⁺ [8]. Адсорбция ионов также происходит на специфических поверхностных алюминольных и силанольных участках глинистых частиц за счёт комплексообразования. В кислой среде эти участки заряжены положительно и не благоприятны для адсорбции [7].

Список литературы:

1.Адсорбция из растворов на поверхности твёрдых тел: Пер. с англ. /Под ред. Г. Парфита, К. Рочестера – М.: Мир, 1986. – 488 с.

2.Бетехтин А.Г. Минералогия. – М.: Государственное издательство геологической литературы, 1950. – 957 с.

3.Кинетика сорбции ионов тяжёлых металлов пиридилэтилированным аминопропилполисилоксаном / Л.К. Неудачина [и др.] //Аналитика и контроль – 2011 – Т. 15, № 1 – С. 87—95.

4.Мосталыгина Л.В., Елизарова С.Н., Костин А.В. Бентонитовые глины Зауралья: экология и здоровье человека. Курган: Изд-во Курганского государственного университета, 2010 – 148 с.

5.Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: учеб. пособие для вузов /Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская – 2-е изд., перераб. и доп. – М.; Высшая школа, 2002 – 336 с.

6.Adsorption of zinc and copper ions on natural and ethylenediamine modified montmorillonite / O. Kozak [et al.]// Ceramics – Silikaty. – 2010 – Vol. 54, Issue № 1 – pp. 78-84.

7.Heavy-metal uptake by a high cation-exchange-capacity montmorillonite / P. Stathi [et al.] // Global NEST Journal – 2010 – Vol. 12, No 3 – pp. 248-255.

8.Ma Y.B., Uren N.C. Degidration, diffusion and entrapment zinc of bentonite // Clays and clays minerals – 1998. Vol. 46, No 2 – pp. 132—138.