ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

НА УГЛЕРОДНЫХ ДРЕВЕСНЫХ СОРБЕНТАХ

Нурумгалиев Асылбек Хабадашевич

д-р техн. наук, проф., руководитель лаборатории инженерного профиля

«Электронная микроскопия и нанотехнология»

при Карагандинском государственном индустриальном университете,

Республика Казахстан, г. Темиртау

E-mail: 

Алькенова Акбота Бейсембаевна

магистр техн. наук, инженер лаборатории инженерного профиля

«Электронная микроскопия и нанотехнология»

при Карагандинском государственном индустриальном университете,

Республика Казахстан, г. Темиртау

E-mail: gueen_25@mail.ru

Жаслан Рымгуль Куатовна

инженер лаборатории инженерного профиля

«Электронная микроскопия и нанотехнология»

при Карагандинском государственном индустриальном университете,

Республика Казахстан, г. Темиртау

E-mail: rima93@list.ru

Непочатов Алексей Леонидович

инженер лаборатории инженерного профиля

«Электронная микроскопия и нанотехнология»

при Карагандинском государственном индустриальном университете,

Республика Казахстан, г. Темиртау

E-mail: 

STUDY SORPTION OF HEAVY METALS IN THE CARBON WOOD SORBENTS

Assylbek Nurumgaliev

рrofessor, Head of the Laboratory

of engineering profile “Electron microscopy and nanotechnology”

at the Karaganda State Industrial University,

Kazakhstan, Temirtau

Akbota Alkenova

m.t.n. engineer Laboratory

of engineering profile “Electron microscopy and nanotechnology”

at the Karaganda State Industrial University,

Kazakhstan, Temirtau

Rymgul Zhaslan

engineer Laboratory

of engineering profile “Electron microscopy and nanotechnology”

at the Karaganda State Industrial University,

Kazakhstan, Temirtau

Aleksey Nepochatov

engineer Laboratory

of engineering profile “Electron microscopy and nanotechnology”

at the Karaganda State Industrial University,

Kazakhstan, Temirtau

АННОТАЦИЯ

Исследованы сорбции ионов тяжелых металлов на углеродном древесном сорбенте, а также установлены оптимальные условия в режиме статической адсорбции на границе раздел фаз «твердое-жидкое». Сорбцию по отношению к ионам металла проводили при статических условиях по методике, и в основу эксперимента был взят метод планирования эксперимента. Таким образом, результаты, приведенные в статье, однозначно свидетельствуют о высокой эффективности (90,86 %) использования сорбента, созданного на основе хвойной древесины с последующей модификацией, для очистки сточных вод от тяжелых токсичных металлов.

ABSTRACT

Sorption of heavy metal ions on carbon wood sorbent and set the optimum conditions in static adsorption at the interface “solid-liquid”. Sorption in depending of the metal ions was carried out under static conditions according to the procedure and in the experiment was taken as the basis of experimental design method. Thus, the results presented in the article show the high efficacy (90,86 %) using a sorbent that is based on softwood subsequent modification, for wastewater treatment from toxic heavy metals.

Ключевые слова: сорбенты, тяжелые металлы, адсорбция, очистка.

Keywords: sorbents, heavy metals adsorption, purification.

В последние годы существенно обострились проблемы, связанные с загрязнением воды. Сброс неочищенных или плохо очищенных сточных вод в различные водоемы может привести к снижению биоразнообразия и даже исчезновению жизни в экосистемах. Кардинальное решение проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов и производств [1].

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших загрязнителей. Многие тяжелые металлы проявляют выраженные комплексообразующие свойства. Так, в водных средах ионы этих металлов гидратированы и способны образовывать различные гидроксо-комплексы, состав которых зависит от кислотности раствора. Если в растворе присутствуют какие-либо анионы или молекулы органических соединений, то ионы этих металлов образуют разнообразные комплексы различного строения и устойчивости [2].

К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт [3].

Среди методов, успешно применяемых для отчистки сточных вод от тяжелых металлов, можно назвать сорбционную доочистку с использованием пористых материалов. Причем в последнее время исследуется возможность замены дорогостоящих адсорбентов нетрадиционными, доступными и дешевыми минеральными материалами, как искусственного, так и естественного происхождения.

Целью данной работы является исследование сорбции ионов тяжелых металлов на углеродных древесных сорбентах при влиянии рН, температуры, продолжительности процесса и концентрации исходных веществ, установление оптимальных параметров сорбции.

В качестве исходного сырья для получения сорбента были использованы сухие древесные (сосновые) опилки. Модифицирование проводили путем термической обработки древесных опилок пропиткой модификатором в соотношении 1:1. В качестве модификатора использовали растворы ортофосфорной кислоты (10 моль/л). Полученную смесь при периодичемком перемешивании высушивали при температуре 102–105˚С в течение 2–3 суток до постоянной массы. Высушенный образец подвергали термической обработке. Скорость нагрева 10 град/мин, конечная температура 600˚С. Карбонизированный продукт промывали дистиллированной водой в течение 1,5 часа при температуре 60˚С до нейтральной среды.

С целью выявления функциональных групп, действующих на поверхности сорбента, был проведен ИК-Фурье-спектроскопический метод анализа образцов сорбента до и после модификации (рис. 1).

В ИК-Фурье-спектрах модифицированного сорбента зафиксированы полосы поглощения при 1085, 1571 и 3117 см^-1. Интенсивную полосу в области 1580-1660 см^–1 относят к валентным колебаниям связей С=С ароматических циклов, хотя в этой области в некоторых случаях могут поглощать и олефиновые С=С-связи, входящие в линейную систему сопряжения. Пик поглощения при 3117 см^-1 можно отнести к валентным колебаниям ароматических С-Н связей. Поглощение в области 1085 см^-1 показывает наличие на поверхности сорбента неорганических ионов PO₄^2-, HPO₄^-, что свидетельствует о прохождении процесса модификации сорбента фосфат-ионами (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр исходного материала (а), модифицированного карбонизированного сорбента (б)

Также был проведен хромато-масс-спектрометрический анализ. В таблицах 1–2 приведены индивидуальный химический состав образцов сорбентов, растворитель – этанол.

Таблица 1.

Индивидуальный химический состав спиртовой вытяжки исходной древесины*

*-В таблице не приведены соединения, содержание которых ниже 0,1 %

Таблица 2.

Индивидуальный химический состав спиртовой вытяжки сорбента УД-800° С**

**-В таблице не приведены соединения, содержание которых ниже 0,1 %

Результаты хромато-масс-спектрометрического анализа показали, что в органической массе сорбента, прошедшего термообработку при 800°С действительно присутствуют продукты термораспада целлюлозы.

Результаты исследования пористости и удельной поверхности. В случае сорбента прошедщего термообработку при 800⁰С удельная поверхность составила 87 м²/г, суммарный объем пор – 0,09 см³/г, средний размер пор – 3,7 нм, следовательно исследуемый сорбент можно отнести к мезопористым.

На следующем рисунке 2 приведены электронно-микроскопические снимки сорбентов.

а                 б

Рисунок 2. Электронно-микроскопические снимки сорбента при увеличении × 500: термообработка при а-105°С древесный сорбент, б-600°С модифицированный сорбент

Как видно из рисунка 2, в результате термообработки при 600°С полученный сорбент характеризуется более «рыхлой» структурой, меньшим радиусом пор по сравнению с сорбентом, полученным при 105°С.

Были проведены иследования сорбционной емкости полученного сорбента по отношению к ионам Pb²⁺, Cd²⁺, Hg⁺, Hg²⁺ при статических условиях.

Эксперименты по изучению сорбции в статическом условии проводили по методу математического планирования, по результатам которого были получены обобщенные уравнения Протодьяконова [4], описывающие влияния всех факторов: рН, продолжительность контакта сорбента с раствором, исходная концентрация сорбента.

В ниже приведенной таблице (таблица 4) представлены оптимальные условия для ионов тяжелых металлов и величина сорбции при этих условиях.

Таблица 4.

Оптимальные условия концентрирования тяжелых металлов и величина сорбции

Сорбционная способность ионов сильно зависит от радиуса иона и плотности заряда. Из двух ионов одинакового заряда большую сорбционную способность проявляют ионы большего радиуса, т. к. они сильнее поляризованы и лучше притягиваются заряженной поверхностью сорбента, а ионы меньшего радиуса более склоны к гидратации и формированию гидратной оболочки, снижающей такое электростатическое взаимодействие.

Установлено, что ионы тяжелых металлов с высоким значением ионного радиуса проявляют высокую селективность к активированному углеродному сорбенту, окисленному фосфорной кислотой. Сорбционная емкость ионов металлов к сорбенту представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Сравнительный анализ тяжелых ионов металлов по степени очистки

Таким образом, в результате экспериментального изучения адсорбционных процессов, протекающих при концентрировании ионов тяжелых металлов из модельных растворов, установлено, что из всех перечисленных металлов исследуемый сорбент проявляет наибольшую сорбционную емкость по отношению к ионам свинца.

Список литературы:

1. Амерханова Ш.К., Уали А.С., Дюсенбаева А.К. и др. Получение и исследование свойств сорбентов на основе модифицированной хвойной древесины // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тезисы докл. XXIII Российской молодежной науч. конф. (Екатеринбург, 23–26 апреля 2013 г.). – Екатеринбург, 2013. – С. 67–68.
2. Мур Дж., Рамамурти С. // Тяжелые металлы в природных водах. – М.: Мир. – 1987. – С. 286.
3. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. // Экологический мониторинг суперэкотоксикантов. – М.: Химия, 1996. – С. 320.
4. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического химического эксперимента: Алматы, Наука, 1977. – С. 37.