Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ИЗВЛЕЧЕНИЕ КАДМИЯ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ МОДИФИЦИРОВАННЫМ КАОЛИНОМ

Пимнева Л.А. 1 Искакова А.И. 1 Ларионова К.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Актуальной проблемой в наши дни является очистка природных вод от промышленных стоков. В промывных водах гальванических производств содержатся загрязняющие вещества в виде ионов тяжелых металлов. Известно, что ионы многих тяжелых металлов обладают биологической активностью, мутагенными и токсическими свойствами. Одним из таких ионов в воде является кадмий. Эффективность извлечения тяжелых металлов из вод является важной экологической задачей. Применяемыми методами очистки вод служат реагентное осаждение, электрокоагуляция, электролиз, которые требуют большого количества химических реагентов и при использовании которых образуются вторичные продукты загрязнения. Применение сорбционных технологий с использованием природных адсорбентов – экономически выгодный процесс. В настоящей статье представлены результаты исследований адсорбционной активности природной и модифицированных форм каолина по отношению к ионам кадмия. С помощью рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа определен химический и минералогический состав природного каолина. Каолин – глинистый минерал, в большом количестве находится на территории Тюменской области. Исследован процесс поглощения ионов кадмия в зависимости от его концентрации в растворе при температуре 298 К в статических условиях. Методом разбавления готовили модельные растворы нитрата кадмия. Содержание ионов кадмия в растворах составляло от 0,02 до 0,15 ммоль/мл. Результаты исследования адсорбционной активности каолина показали, что ОН-форма каолина адсорбирует значительно больше ионов кадмия по сравнению с нативной и Н-формой каолина. Построенные изотермы адсорбции ионов кадмия отражают мономолекулярную адсорбцию. Рассчитаны значения максимальной адсорбционной емкости ионов кадмия в зависимости от формы каолина. Химический, фазовый состав, установленная поглотительная способность каолина свидетельствуют о перспективности его применения для извлечения ионов кадмия из природных и промышленных сточных вод.
адсорбция
ионы кадмия
каолин
модифицирование каолина
изотермы адсорбции
1. Лупандина Н.С., Свергузова Ж.А. Очистка сточных вод от тяжелых металлов как фактор повышения экологической безопасности // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 4. С. 19–22.
2. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: «Мир», 1987. 288 с.
3. Каныгина О.Н., Четверикова А.Г., Стрекаловская А.Д., Варламова О.В. К вопросу о сорбционной очистке воды монтмориллонит содержащей глиной // Вестник ОГУ. 2014. № 9. С. 160–163.
4. Иванова Е.С., Гавронская Ю.Ю., Пак В.Н. Структура и сорбционные свойства Н-формы глины Луковского месторождения Псковской области // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. № 2. С. 254–259.
5. Бетехтин А.Г. Курс минералогии: учебное пособие. М.: КДУ, 2007. 721 с.
6. Соколова Т.А., Толпешта И.И., Трофимов С.Я. Почвенная кислотность. Кислотно-основная буферность почв. Соединения алюминия в твердой фазе почвы и в почвенном растворе. Тула: Гриф и К, 2012. 124 с.
7. Шилина А.С., Милинчук В.К. Сорбционная очистка природных и промышленных вод от катионов тяжелых металлов и радионуклидов новым типом высокотемпературного адсорбента // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т. 10. № 2. С. 237–245.
8. Волков В.А. Теоретические основы охраны окружающей среды. СПб.: Лань, 2015. 188 с.

Загрязнение природных вод промышленными стоками является актуальной проблемой в наши дни, оно негативно влияет на экологию биосферы. В роли загрязнителей вод выступают сбросы гальванических производств, которые потребляют огромное количество воды для промывки обрабатываемых деталей [1]. В сточных и промывных водах данных предприятий содержатся ионы тяжелых металлов, обладающие биологической активностью, мутагенными и токсическими свойствами, приводящими к отравлению живых организмов и человека.

К тяжелым металлам, содержащимся в воде, относится кадмий. Повышенная концентрация ионов кадмия в питьевой и водопроводной воде приводит к таким проблемам со здоровьем, как анемия, поражение легких, печени и почек, ослабление костей, кардиопатия, эмфизема легких, остеопороз и повышение дефицита цинка и селена [2]. По этим самым причинам удаление ионов кадмия относится к основным задачам водоочистки.

Возникает потребность извлечения ионов кадмия из водных объектов с использованием эффективных методов. Одним из них, используемым на практике, является адсорбционный. В XXI в. стали активно применять природные адсорбенты со слоистой структурой алюмосиликатов для извлечения тяжелых металлов [3, 4]. Эти адсорбенты экономичны, стоят недорого, механически устойчивы, обладают высокими сорбционными характеристиками.

Целью данной работы является исследование способности природного и модифицированного каолина поглощать ионы кадмия из водных растворов.

Материалы и методы исследования

В работе в качестве адсорбента использовали природный и модифицированный каолин. Рентгеноструктурным анализом (РСА) при помощи сканирующего растрового микроскопа JEOLJSM 6510 LV определяли химический состав каолина, который представлен в табл. 1. Точность установления элементного состава ∓2%. Потери при прокаливании каолина составляют 5,51%.

Таблица 1

Химический состав каолина

Содержание

SiO2

Al2O3

Fe2O3

Na2O

K2O

CaO

TiO2

% масс.

49,22

46,87

1,21

0,13

0,42

0,86

0,97

Согласно ГОСТ 9169-75 по содержанию оксида алюминия каолин относится к высокоосновным глинам.

Фазовый состав каолина определяли с использованием рентгенофазового анализа, представленного на рис. 1. Рентгенофазовый анализ выполнен на дифрактометре Bruker D2 Phaser с линейным детектором Lynxeye (CuKa – излучение, Ni – фильтр).

pimneva1.tif

Рис. 1. Рентгенограмма каолина

Согласно полученным данным рентгенофазового анализа можно выделить две фазы: каолинит – 98% и хлорит – 2%.

Каолин относится к классу алюмосиликатов [5]. Основным минералом природного каолина является каолинит. Кристаллическая решетка неподвижная, состоит из двухслойных пакетов [5], один слой состоит из октаэдров, второй слой – из кремнекислородных тетраэдров. Между слоями находятся катионы щелочных металлов Na+, K+ и щелочноземельных металлов Ca2+, Mg2+ [5], которые являются источником катионообменной способности каолина. Расстояние между пакетами постоянно и составляет 0,4 нм, каолинит не набухает в воде.

На рис. 2 представлен снимок нативной формы каолина.

pimneva2.tif

Рис. 2. Электронно-микроскопический снимок природной (нативной) формы каолина

Адсорбцию ионов кадмия на каолине изучали в нитратных растворах в статических условиях. Для улучшения адсорбционных свойств каолина провели его модифицирование. Химическую модификацию осуществляли переводом нативной формы каолина 2М растворами соляной кислоты HCl и гидроксида натрия NaOH. Содержание ионов кадмия в растворах варьировали от 0,02 до 0,15 ммоль/мл при температуре 298 К. Концентрацию ионов кадмия в растворе определяли комплексонометрическим титрованием.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 3 представлена зависимость удельной адсорбции ионов кадмия от равновесной концентрации на каолине в нативной и модифицированных Н- и ОН-формах. Формы кривых имеют выпуклый характер, что указывает на высокое сродство ионов кадмия к каолину. На кривых отсутствуют перегибы, значит, все молекулы исходного вещества находятся в диссоциированном состоянии. С увеличением концентрации ионов кадмия в исходном растворе величина адсорбции возрастает. Величина адсорбции в зависимости от формы каолина имеет значения: нативная – 0,89 ммоль/мл; Н-форма – 0,96 ммоль/мл; ОН-форма – 1,26 ммоль/мл. Анализ полученных результатов показывает, что величина адсорбции изменяется в ряду:

нативная > H-форма > OH-форма.

pimneva3.tif

Рис. 3. Изотермы адсорбции ионов кадмия при температуре 298 К

Процесс адсорбции на каолине объясняется тем, что в кристаллах обмен ионами происходит только на внешней поверхности. Адсорбционные свойства природных алюмосиликатов находятся в прямой зависимости от величины удельной поверхности [6].

На рис. 4 представлен ИК спектр каолина для подтверждения процесса адсорбции. Полосы поглощения в области 3600–3800 см–1 соответствуют валентным колебаниям ОН-групп [7]. Присутствующий пик при 730–780 см–1 соответствует наличию связей Аl-О, интенсивный пик при 830–1050 см–1 отвечает валентным колебаниям Si-О- Si связей [7].

pimneva4.tif

Рис. 4. ИК – спектр нативного (природного) каолина

Изотермы адсорбции по классификации БЭТ [8] соответствуют мономолекулярному типу. Для количественного описания адсорбционного равновесия использовали несколько моделей, приведенных в табл. 2.

Таблица 2

Модель

Ленгмюра

Фрейндлиха

Темкина

Уравнение

pimn01.wmf

pimn02.wmf

pimn03.wmf

Уравнение в линейной форме

pimn04.wmf

pimn05.wmf

pimn06.wmf

Примечание. Здесь Г – величина адсорбированного кадмия (ммоль/г), kL и Г∞; kF и n; kT и ∞ – константы Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина соответственно.

На рис. 5 представлены изотермы в координатах линейной формы уравнений Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина. Результаты обработки линейных изотерм адсорбции ионов кадмия приведены в табл. 3. По значению коэффициентов корреляции модель Ленгмюра описывает экспериментальные данные лучше, чем другие модели. Результаты расчета подтверждают, что при модифицировании каолина гидроксидом натрия повышается его предельная адсорбция до 1,35 ммоль/мл.

pimneva5a.tif pimneva5b.tif

pimneva5c.tif

Рис. 5. Изотермы адсорбции Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина в линейных координатах ионов кадмия на каолине

Таблица 3

Экспериментально полученные константы Ленгмюра, Фрейндлиха, Темкина

Форма каолина

Ленгмюра

Фрейндлиха

Темкина

Г∞,

pimn07.wmf

kL,

pimn08.wmf

R2

ln kF

1/n

R2

ln kT

1/α

R2

Нативная

1,23

22,63

0,987

1,55

0,19

0,936

4,44

0,35

0,961

Н-форма

1,14

46,15

0,995

0,96

0,44

0,883

5,51

0,29

0,937

ОН-форма

1,35

123,2

0,999

1,32

0,64

0,896

19,9

0,09

0,965

Заключение

Установлено, что модифицирование каолина соляной кислотой и гидроксидом натрия приводит к увеличению адсорбционных характеристик адсорбента по отношению к ионам кадмия. Химический, фазовый состав, установленная поглотительная способность каолина свидетельствуют о перспективности его применения для извлечения ионов кадмия из природных и промышленных сточных вод.


Библиографическая ссылка

Пимнева Л.А., Искакова А.И., Ларионова К.А. ИЗВЛЕЧЕНИЕ КАДМИЯ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ МОДИФИЦИРОВАННЫМ КАОЛИНОМ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 6. – С. 113-117;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37419 (дата обращения: 27.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074