Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОРФА – ОСНОВА РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ТИПИЧНЫХ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ

Кузнецова И.А. 1 Ларионов Н.С. 1
1 ФГБУН «Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова» Российской академии наук
Широкое распространение верховых болот в северной торфяно-болотной области России, включающей Архангельскую и Вологодскую области, а также таежную часть Республики Коми, обеспечивает ей богатый ресурсный потенциал, который может быть реализован путем использования торфа заболоченных территорий в качестве сорбента in situ или с его изъятием из залежи. Комплексное исследование состава типичного верхового торфа Архангельской области позволило охарактеризовать его как природный органический, многокомпонентный, полифункциональный, слабокислотный, сильно набухающий ионообменник с преобладанием в композиционной структуре компонентов ароматической природы. Комплексное исследование состава и сорбционных свойств немодифицированного верхового торфа северной торфяно-болотной области позволило охарактеризовать его как источник ценных компонентов (совокупная доля гуминовых и фульвовых кислот составляет 54,07 ± 1,15 %), так и как эффективный сорбент тяжелых металлов (предельная адсорбция достигает значений 2,42 ммоль·г-1 по отношению к Pb2+ и 2,57 ммоль·г-1 – к Cd2+). На основе расчета термодинамических характеристик взаимодействия в системе «торф – ионы тяжелых металлов» на примере ионов Cd2+ и Pb2+ установлено, что их сорбция является самопроизвольным эндотермическим процессом, что может указывать на потенциальную высокую эффективность сорбентов на его основе для очистки загрязненных, в том числе сточных, вод. Показано, что сорбция тяжелых металлов торфом – самопроизвольный эндотермический процесс с большими затратами тепла на разрушение гидратных оболочек ионов тяжелых металлов, протекающий по диссоциативному механизму. Сорбционная способность торфа обеспечивается карбоксильными и фенольными гидроксильными группами компонентов торфа и является совокупностью физической, химической сорбции и ионного обмена. Полученные данные могут быть использованы при проектировании сооружений очистки сточных вод с применением технологии использования торфа заболоченных территорий в качестве сорбента in situ, а также при разработке технологий производства и применения промышленных сорбентов на основе изъятого из залежи торфа.
верховой торф
тяжелые металлы
сорбция
термодинамические характеристики
1. Особенности биотрансформации органических веществ в условиях болотных экосистем Севера (на примере Иласского болотного массива) / С.Б. Селянина [и др.] / Труды Института биологии внутренних вод РАН. – 2017. – № 79 (82). – С. 200–206.
2. Cтруктура и сорбционные свойства верхового торфа приарктических территорий / А.С. Орлов [и др.] // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1. – С. 18–22.
3. Орлов А.С. Сорбционные свойства торфа приарктических территорий / А.С. Орлов, С.Б. Селянина, К.Г. Боголицын // Природные ресурсы и комплексное освоение прибрежных районов Арктической зоны. – 2016. – С. 349–352.
4. Qin F., Wen B., Shan X.-Q. et al. Mechanisms of competitive adsorption of Pb, Cu, and Cd on peat // Environmental Pollution. – 2006. – V. 144. – P. 669–680.
5. Scagnossi A., Chen Y., Mingelgrin U. Practical and mechanistic aspects of the removal of cadmium from aqueous systems using peat Pinchas Fine // Environ. Pollut. – 2005. – V. 138. – P. 358–367.
6. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. URL: http://stroysvoimirukami.ru/gost-174301-83/ (дата обращения: 05.06.2018).
7. Parfenova L.N., Selyanina S.B., Trufanova M.V., Bogolitsyn K.G., Maltseva E.V., Sokolova T.V., Kashina E.M. The peat characteristics of the Ilas marshes // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 4–2. – С. 32–37.
8. ГОСТ 27784-88. Почвы. Метод определения зольности торфяных и оторфованных горизонтов почв. URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-27784-88 (дата обращения: 05.06.2018).
9. Применение модели реактора идеального вытеснения для описания сорбционных свойств верхового торфа в динамических условиях / И.А. Кузнецова [и др.] // Сорбционные и хроматографические процессы. 2017. – Т. 17, № 4. – С. 526–533.
10. Gaurina-Medjimurec N. Handbook of Research on Advancements in Environmental Engineering. – USA: IGI Global, 2014. – 660 p.
11. Голубев В.С. Гетерогенные процессы геохимической миграции / В.С. Голубев, А.А. Гарибянц. – М.: Недра, 1968. – 192 с.
12. Yamakata A., Osawa M. Destruction of the Water Layer on a Hydrophobic Surface Induced by the Forced Approach of Hydrophilic and Hydrophobic Cations // J. Phys. Chem. Lett. – 2010. – № 1 (9). – P. 1487–1491.
13. Andrabi S.M.A. Sawdust of lam tree (Cordia africana) as a low-cost, sustainable and easily available adsorbent for the removal of toxic metals like Pb(II) and Ni(II) from aqueous solution // Eur. J. Wood Prod. – 2011. – V. 69. – P. 75–83.
14. Sparks D.L. Environmental soil chemistry. – San Diego CA: Academic Press, 1995. – 267 p.

Широкое распространение верховых болот в северной торфяно-болотной области, включающей Архангельскую и Вологодскую области, а также таежную часть Республики Коми [1], обеспечивает ей богатый ресурсный потенциал, который может быть реализован путем производства сорбентов на основе природного сырья – торфа верховых болот [2].

Значительное место в решении вопроса комплексного экономически оправданного использования возобновляемых ресурсов занимает применение торфа в качестве сорбента для удаления из сточных вод различных загрязняющих веществ, в том числе, тяжелых металлов [3]. Наличие кислородсодержащих функциональных групп компонентов торфа обеспечивает ему высокие катионообменные свойства, позволяющие эффективно извлекать из растворов ионы ТМ [4]. Органические комплексы ТМ сорбируются гидрофобными компонентами торфа [5]. Насыщенный ТМ торф может быть регенерирован или направлен на сжигание с последующим выделением ТМ из золы и возвратом в производство [5].

Цель работы: установление структуры и свойств, а также механизмов сорбции ионов Cd2+ и Pb2+ полимерной матрицей типичного верхового торфа Архангельской области.

Материалы и методы исследования

Иласское болото Приморского района Архангельской области является типичным представителем незагрязненных верховых болот с залежами торфа мохового типа, распространенных на исследуемой территории. Моховой покров представлен преимущественно бурым сфагнумом, а голубика, вереск и морошка доминируют в травяно-кустарничковом ярусе. Объект исследования – торф низкой степени разложения, отобранный на глубине 0–20 см на территории Иласского болотного массива. Отбор проб производили в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 [6] (координаты точки отбора 64 °17’N 40 °40’E).

Компонентный состав торфа определен согласно методике [7] и ГОСТ 27784-88 [8], содержание функциональных групп определено хемосорбционным методом, элементный состав определен методом высокотемпературного сжигания в токе кислорода с последующим анализом состава отходящих газов с применением универсального элементного анализатора Elementar Vario Micro CUBE, Abacus Analytical Systems, Германия.

С целью установления влияния фракционного состава торфа на его сорбционную способность по отношению к ТМ были определены коэффициенты уравнения Ленгмюра для фракций торфа: 1,0–0,5 мм, 0,5–0,25 мм, 0,25–0,1 мм и менее 0,1 мм. Эксперимент проводили в статических изотермических условиях с предварительным набуханием навесок торфа в дистиллированной воде. Время контакта торфа с растворами солей металлов составило 12 ч. Диапазон концентраций металлов в растворе составил 1,3–12,6 ммоль·л-1 ионов Pb2+ и 1,3–13,5 ммоль·л-1 ионов Cd2+. Равновесную концентрацию в фильтрате по истечении времени контакта фаз определяли спектрометрическим методом с применением атомно-абсорбционного спектрометра с пламенной атомизацией novAA150 (Analytik Jena, Германия). Термодинамические параметры процесса сорбции определяли для фракции торфа 0,1–0,25 мм при температурах 283, 293, 303, 313 К по константе адсорбционного равновесия.

С целью установления механизма взаимодействия верхового торфа и ТМ были получены инфракрасные спектры торфа до и после контакта с растворами солей ТМ в диапазоне длин волн от 400 до 4000 см-1, разрешение 4 см-1 (спектр записывали со спрессованных с KBr образцов торфа с помощью ИК фурье-спектрометра IRAFFINITY-1 Shimadzu, Япония).

Результаты исследования и их обсуждение

Вследствие сложного состава и значительного числа и разнообразия функциональных групп в компонентах торфа его можно рассматривать как природный органический, многокомпонентный, полифункциональный, слабокислотный, сильно набухающий ионообменник [9]. Высокое содержание фульвовых кислот является особенностью состава торфа мохового типа Архангельской области (табл. 1). В композиционной структуре торфа выявлено преобладание компонентов ароматической природы, на что указывает атомное соотношение С/Н = 0,82.

Таблица 1

Характеристика состава верхового торфа

Компонентный состав, % асв

Экстрактивные вещества

Гумусовые кислоты

Гуминовые кислоты

Фульвовые кислоты

Зольные элементы2

2,19 ± 0,38

54,07 ± 1,15

8,32 ± 0,15

45,75 ± 1,16

3,76 ± 0,01

Элементный состав, % асв

Углерод

Кислород

Водород

Зольные элементы

58,60 ± 1,70

31,96 ± 1,60

5,98 ± 0,80

3,76 ± 0,01

Функциональный состав, % асв

-COOH

-OHфенольные

-COOH + -OHфенольные

2,21 ± 0,12

0,84 ± 0,04

3,05 ± 0,15

Изотермы адсорбции ионов ТМ (рис. 1) можно отнести к классу L (класс Ленгмюра), тип изотермы адсорбции свинца (II) – L2 (одно плато), кадмия (II) – L4 (достигается второе плато).

kuzn1.wmf

Рис. 1. Изотермы адсорбции Pb2+ и Cd2+ фракциями торфа

kuzn2.wmf

Рис. 2. Изменение степени извлечения ТМ торфом с ростом концентрации исходного раствора

kuzn3.wmf

Рис. 3. Величины предельной адсорбции элементов фракциями торфа

Такие формы изотерм свидетельствуют о пренебрежимо малом взаимодействии между адсорбированными молекулами и независимости энергии активации от степени заполнения поверхности [10].

Степень извлечения ионов свинца составила 97,9–100 %, кадмия – 95,2–99,9 %, более полно происходит адсорбция из растворов низкой концентрации (рис. 2).

Исследование сорбционной способности различных фракций торфа не показало значимых различий в величинах предельной адсорбции, что позволяет сделать вывод об отсутствии существенного вклада поверхностной адсорбции в суммарную адсорбционную способность торфа (рис. 3).

Тот факт, что константа сорбции в данном случае зависит от температуры и увеличивается с ее ростом, свидетельствует в пользу преимущественной хемосорбции, так как константа равновесия ионного обмена слабо зависит от температуры и уменьшается с ее ростом [11].

Константа адсорбционного равновесия уравнения Ленгмюра (К, ммоль-1•л-1) связана с тепловым эффектом реакции (величиной, обратной энтальпии) следующим соотношением:

К = К0∙e-ΔH/RT,

где К0 – предэкспоненциальный множитель, ΔH – изменение энтальпии, кДж·моль-1, R – универсальная газовая постоянная,T – температура, К.

На рис. 4 представлены графики зависимости lnK = f(1/T), на основе которых были рассчитаны термодинамические показатели сорбции ионов торфом (табл. 2).

kuzn4.wmf

Рис. 4. График зависимости lnK = f(1/T)

Таблица 2

Термодинамические показатели сорбции Pb2+ и Cd2+ торфом

Показатель

Pb2+

Cd2+

Энтальпия сорбции ΔH, кДж·моль-1

10,7 ± 0,6

20,9 ± 1,1

Энтропия сорбции ΔS, Дж·моль-1

89 ± 6

116 ± 6

Изменение энергии Гиббса ΔG(298), кДж/моль

–15,9 ± 0,6

–13,7 ± 1,1

Эндотермический характер адсорбции элементов торфом подтверждается положительными значениями изменения энтальпии, что может быть связано с протеканием процесса химической сорбции. При этом значительное количество тепла расходуется при дегидрации ионов ТМ [12] (на что также указывает положительное изменение энтропии [13]), что необходимо для их диффузии во внутриассоциатный раствор и дальнейшей адсорбции на активных центрах. Лимитирующей стадией данного процесса для Pb2+ и Cd2+ является стадия диффузии ионов к сорбенту (ΔH < 42 кДж•моль-1) [14].

Величина изменения энтропии сорбции для обоих ТМ свидетельствует о диссоциативном механизме адсорбции. Такой вид взаимодействия предполагает, что после адсорбции ионы ТМ находятся в менее упорядоченном состоянии, чем были в растворе ранее [13]. Самопроизвольность процесса подтверждается положительным значением изменения свободной энергии Гиббса в широком диапазоне температур [13].

ИК-спектрометрическое исследование исходного образца торфа показало наличие характеристических полос поглощения гидроксильных групп (3412 см-1) и –С=О карбоксильных функциональных групп (1718 см-1), что указывает на возможность взаимодействия торфа с ионами ТМ по механизмам ионного обмена и комплексообразования (рис. 5).

kuzn5.tif

Рис. 5. ИК-спектры торфа: 1 – исходный образец торфа; 2 – торф-Cd2+; 3 – торф-Pb2+

Анализ ИК-спектров торфа после взаимодействия с растворами ТМ показал появление новых характеристических полос карбоксилатной группировки (1580 и 1375 см-1 – рис. 1, № 3, 1373 см-1 – рис. 1, № 2) и снижение интенсивности поглощения характеристической полосы –С=О карбоксильных функциональных групп, указывающих на процесс комплексообразования. При этом изменение интенсивностей поглощения характеристических полос для образца № 3 (Pb) было более выраженным, чем для образца № 2 (Cd).

Комплексное исследование состава и сорбционных свойств немодифицированного верхового торфа северной торфяно-болотной области позволило охарактеризовать его как источник ценных компонентов, так в качестве сорбента ТМ (предельная адсорбция достигает значений 2,42 ммоль·г-1 по отношению к Pb2+ и 2,57 ммоль·г-1 – к Cd2+). Подтверждено, что сорбция ТМ торфом – самопроизвольный эндотермический процесс. Сорбционная способность торфа обеспечивается карбоксильными и фенольными гидроксильными группами компонентов торфа и является совокупностью физической, химической сорбции и ионного обмена. Полученные данные могут быть использованы при проектировании сооружений очистки сточных вод с применением технологии использования торфа заболоченных территорий в качестве сорбента in situ, а также при разработке технологий производства и применения промышленных сорбентов на основе изъятого из залежи торфа.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-35-00552 «Исследование роли криогенеза при формировании состава и физико-химических свойств почв северной тайги на примере почв Онежского района Архангельской области».


Библиографическая ссылка

Кузнецова И.А., Ларионов Н.С. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОРФА – ОСНОВА РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ТИПИЧНЫХ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 7. – С. 165-170;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36820 (дата обращения: 18.10.2021).

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