СРАВНЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ МЕДИ (II)

Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов и их соединений является одной из актуальных задач экологии. Серьёзная проблема гальванических производств, имеющихся практически на каждом предприятии машино- и приборостроения, заключается в образовании большого количества медьсодержащих стоков, которая обладает высоким токсическим действием на живые организмы [1]. Кроме того, во многих областях Российской Федерации нормы содержания ионов меди в воде, сбрасываемой в городскую канализацию, значительно ниже, чем предельно-допустимая концентрация ионов Cu2+ в питьевой воде. Фактически все требования к предприятиям по чистоте стоков сводятся к тому, чтобы стоки были значительно чище, чем вода, поступающая на предприятие. Кроме того, за превышение допустимых концентраций ионов меди в сточных водах для предприятий предусмотрены большие штрафы. Таким образом, медь, по выражению немецкого ученого М.Дреера, «стала дороже золота» [3].

Сорбционный метод позволяет проводить доочистку до низких концентраций загрязнителя и повторно использовать очищенную воду в замкнутых системах водооборота предприятий. При этом основная практическая задача заключается в подборе местных материалов, имеющих невысокую стоимость, но достаточную глубину очистки. Местные природные сорбенты в десятки раз дешевле искусственных, поэтому их использование в процессе очистки воды позволяет исключить стадию регенерации сорбента [4]

Целью данного исследования является экспериментальная оценка возможности использования природных материалов (опоки и торфа) в качестве сорбентов для очистки сточных вод от ионов меди (II).

Опока представляет собой кремнезём с мезопористой структурой (около 50% от объема). Кроме SiO2 (75- 80%) и Al2O3 (18-23%), в её состав входят оксиды кальция, железа, магния. Исследуемый образец опоки содержит менее 2-х процентов карбоната кальция.

Торф является природным ионообменником за счёт присутствия в его структуре различных функциональных групп (аминные, спиртовые, альдегидные, карбоксильные, пептидные и др.), а также полимолекулярных ассоциатов: гуминовых веществ (в основном гуминовых и фульвокислот), лигнина [2]. К тому же сорбционные свойства торфа можно значительно увеличить путём химического или физического воздействия. Одним из методов увеличения сорбционных свойств торфа является ультразвуковая кавитационная диспергация при высоком статическом давлении. В результате данной обработки частицы торфа измельчаются до 40-60 нм, и образуется биогель - высокотехнологичный продукт, обладающий выраженными сорбционными свойствами.

Экспериментальная часть

В качестве сорбентов использовали три образца: опоку; торф, не подвергшийся ультразвуковой кавитационной обработке, и биогель.

Исследование сорбции проводили в статических условиях при соотношении сорбент: модельный раствор 1:1000 в диапазоне концентраций ионов меди от 1,57*10-3 ммоль/дм3 до 0,157 ммоль/дм3. В качестве исходного использовали раствор с концентрацией меди 1 г/дм3. Растворы меньшей концентрации готовили разбавлением исходного раствора. Время экспозиции 24 часа. Содержание ионов меди в растворах до и после сорбции определяли экстракционно-фотометрически с диэтилдитиокарбаматом свинца по предварительно построенным градуировочным графикам [5].

Результаты и их обсуждение

Зависимость степени сорбции от рН исследовали в диапазоне рН от 2 до 9 (рис. 1). Исходная концентрация меди в растворе составляла 1 мкг/см3. Степень извлечения (R, %) ионов меди (II) вычисляли по формуле (1):

Максимальная сорбция меди на опоке, торфе и биогеле происходит при рН 7,0-8,0 (в нейтральной и слабощелочной среде), что имеет важное практическое значение для производственных процессов, использующих методы нейтрализации сточных вод.

Изотермы сорбции позволяют сделать вывод о сорбционной способности данного иона на исследуемом сорбенте и свойствах самого сорбента. Экспериментально величину сорбции ионов Cu2+ вычисляли по уравнению (2):

где Сисх. – исходная концентрация ионов меди в растворе, ммоль/л; Сравн. – равновесная концентрация катионов в растворе после сорбции, ммоль/л; Vр-ра – объем раствора, л; mсорбента – масса сорбента, г. По полученным экспериментальным данным построены изотермы сорбции (Рисунок 2) и рассчитана сорбционная ёмкость исследуемых сорбентов по ионам меди (II) (Таблица 1). 

    Из графика (Рисунок 2) видно, что величина сорбции на биогеле гораздо выше, чем на других исследуемых образцах. При этом в области низких концентраций (до 1 мг/дм3) опока и биогель проявляют практически одинаковые сорбционные свойства.

Сорбционная емкость сорбентов по ионам Cu2+, ммоль/г

Из Таблицы 1 видно, что биогель обладает максимальной сорбционной ёмкостью, которая превышает ёмкость исходного необработанного торфа в 8,5 раз и опоки в 1,5 раза.

   Анализ изотерм сорбции позволяет предположить механизм сорбции. Построенные изотермы единообразны и относятся к L-типу. Данная форма свидетельствует о том, что при низких концентрациях ионы Cu2+ имеют относительно высокое химическое сродство с поверхностью сорбента. По мере заполнения сорбционных центров уменьшается количество незаполненных сорбционных позиций и соответственно – снижается количество сорбированного вещества [6]. Таким образом, ультразвуковая кавитационная обработка торфа при высоком статическом давлении приводит к увеличению количества сорбционных центров. Рост количества активных центров при диспергации происходит и за счёт увеличения поверхности (физическая сорбция, связанная с высокой пористостью торфа), и за счёт того, что в отсутствии химической и термической обработки гуминовые и фульвокислоты практически не разрушаются и в полном объёме проявляют свою активность.

   Степень извлечения ионов Cu2+ (R, %) на исследуемых сорбентах зависит от исходной концентрации раствора (Рисунок 3).

С увеличением исходной концентрации степень извлечения ионов меди на опоке (более 1мг/дм3) и торфе (более 5мг/дм3) снижается, что связано с уменьшением количества сорбционных позиций. При этом степень извлечения на биогеле увеличивается с ростом концентрации сорбируемых ионов (до 5 мг/дм3), а затем остаётся постоянной (от 5 до 10 мг/ дм3). В области низких концентраций степень извлечения на опоке выше, чем на других сорбентах. Следовательно, ионы Cu2+ имеют больше химическое сродство с поверхностью опоки. Таким образом, по величине химического сродства ионов меди (II) к поверхности исследуемые образцы можно расположить в следующий ряд: опока > биогель > торф, а по величине сорбционной способности - биогель > опока > торф.

Выводы

Экспериментальные исследования показали, что исследуемые образцы могут быть использованы для сорбционной очистки воды от ионов меди (II). При этом лучшими сорбционными свойствами обладает биогель – продукт, полученный в результате ультразвуковой кавитационной обработки торфа при высоком статическом давлении. Биогель перспективно использовать для очистки сточных вод различного происхождения от ионов меди (II).

Список литературы

1.      Бадман А.Л., Гудзовский Г.А., Дубейковская Л.С., и др. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп. Л.: Химия, 1988. 512 с.

2.      Горленко Н.П., Жуйкова А.В., Шархиева Г.Г. О перспективах развития технологий рациональной переработки  торфов  в  Ханты-Мансийском  автономном  округе  –  Югре  //  Вестник  Югорского государственного университета. 2011. Выпуск 4. С. 53-58.

3.      Дреер М. Как медь стала дороже золота // Гальванотехника и обработка поверхности. 2004. Т.XIII. №3. С.51-52.

4.      Калюкова Е.Н., Иванская Н.Н. Адсорбционные свойства некоторых природных сорбентов по отношению к катионам хрома (III) // Сорбционные и хроматографические процессы. 2011. Т.11. Вып.4. С.496 – 501.

5.      ПНД Ф 14.1:2.48-96 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовых концентраций ионов меди в природных и сточных водах фотометрическим методом с диэтилдитиокарбаматом свинца. М: 2004. 11 с.

6.      Соколова Т.А., Трофимов С.Я. Сорбционные свойств почв. Адсорбция. Катионный обмен: учебное пособие по некоторым главам химии почв. Тула: Гриф и К, 2009. 172 с.