Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,780

СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ЦИНКА В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ГЛИНОЙ, СОДЕРЖАЩЕЙ МОНТМОРИЛЛОНИТ

Пимнева Л.А. 1 Рогов Д.О. 1 Ларионова К.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Важной экологической задачей современности является очистка загрязненной воды от ионов тяжелых металлов. В связи с этим возникает практическая задача подбора местных природных материалов для очистки природных и сточных вод. В настоящей статье представлены результаты исследований адсорбционной активности содержащих монтмориллонит глин Кыштырлинского месторождения Тюменской области по отношению к ионам цинка. Адсорбцию изучали на природной и модифицированных формах глины. Определен химический и минералогический состав природного адсорбента с помощью рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа. Исследована адсорбция ионов цинка от концентрации их в растворе в статических условиях. Методом разбавления из раствора сульфата цинка готовили модельные растворы с концентрациями ионов цинка от 0,03 до 0,15 ммоль/мл. Равновесие процесса адсорбции ионов цинка исследовано при изменении температуры методом построения изотерм. Исходную и равновесную концентрации ионов цинка в растворах определяли комплексонометрическим титрованием. Адсорбционная емкость по ионам цинка возрастает в ряду нативная (природная) > Н-форма > ОН-форма. Для математического описания статического равновесия процесса адсорбции использовали модели Ленгмюра, Фрейндлиха. Определены равновесные параметры адсорбции. Построенные изотермы адсорбции отражают мономолекулярную адсорбцию. Рассчитаны значения максимальной адсорбционной емкости ионов цинка в зависимости от формы монтмориллонитовой глины. Показано, что параметр адсорбционного взаимодействия (К) характеризует энергию взаимодействия ионов цинка с адсорбентом. Полученные результаты показали, что Кыштырлинская глина, содержащая монтмориллонит в ОН-форме, более активна по отношению к нативной и Н-формам. Исследования показали перспективность использования монтмориллонитовых глин в качестве адсорбентов для доочистки природных и сточных вод.
адсорбция
ионы цинка
природная глина
изотермы адсорбции
механизм 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. Гарипова С.А. Очистка сточных вод гальванического производства от тяжелых металлов // Экология производства. 2011. № 10. С. 66–69.
3. Доклад об экологической ситуации в Тюменской области в 2015 году / Правительство Тюменской области. 2016. C. 5–7.
4. Климов Е.С., Бузаева М.В. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод. Ульяновск: УлГТУ, 2011. 201 с.
5. Соколова Т.А., Трофимов С.Я. Сорбционные свойства почв. Адсорбция. Катионный обмен: учебное пособие по некоторым главам химии почв. Тула: Гриф и К °, 2009. С. 172.
6. Рамазанов А.Ш., Есмаил Г.К. Сорбционное концентрирование ионов меди, цинка, кадмия и свинца из водных растворов природной глиной // Вестник Дагестанского государственного университета. 2014. № 1. С. 179–183.
7. Шварценбах, Г., Флашка Г. Комплексометрическое титрование. М.: Химия, 1970. 360 с.
8. Волков В.А. Теоретические основы охраны окружающей среды. СПб.: Лань, 2015. С. 148–152.
9. Марков В.Ф., Алексеева Т.А., Брусницына Л.А. Коллоидная химия: примеры и задачи: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УРФУ, 2015. 188 с.

Важной экологической задачей современности является очистка загрязненной воды от ионов тяжелых металлов. Ежегодное поступление загрязняющих веществ во все водоемы приводит к загрязнению не только гидросферы, но и донных отложений, почв. Вода является мобильной средой, которая способствует миграции загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов, на большие расстояния. Источниками поступления в окружающую среду тяжелых металлов являются естественные и антропогенные факторы. С точки зрения охраны окружающей среды серьезную опасность представляют сточные воды химической, металлургической промышленности, а также гальванических производств, содержащие в своем составе ионы цинка, кадмия, меди, марганца, кобальта, никеля, железа, хрома [1–2].

Природные и сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы, содержащие растворенные, коллоидные и взвешенные в воде неорганические и органические соединения. Ежегодный мониторинг водных ресурсов подтверждает увеличение в природной воде ионов тяжелых металлов [3]. В связи с этим возрос интерес применения эффективных и безопасных технологий очистки сточных и природных вод. Наиболее простыми и эффективными методами очистки природных и сточных вод являются сорбционные.

Перспективным направлением является использование экологически безопасных сорбентов на основе природных глинистых материалов и алюмосиликатов [4–6], которые обладают высокой адсорбционной и ионообменной селективностью к различным соединениям, химически устойчивы и механически прочны.

Целью работы является исследование структуры и адсорбционной способности Кыштырлинской глины с содержанием монтмориллонита в нативной и модифицированных формах к ионам цинка.

Материалы и методы исследования

В качестве адсорбента использовали глину с содержанием монтмориллонита Кыштырлинского месторождения Тюменской области в нативной (природной) и модифицированных формах.

Химический состав глины определяли рентгеноструктурным анализом (РСпА) сканирующим растровым микроскопом JEOLJSM 6510 LV. Состав глины представлен в табл. 1. Точность установления элементного состава ±2 %.

Потери при прокаливании природной Кыштырлинской монтмориллонитовой глины составляют 8,12 %.

Согласно результатам химического анализа в состав входит 54 % диоксида кремния и 20,73 % оксида алюминия, что определяет полукислый характер глины. Водорастворимые оксиды натрия и калия в сумме составляют 3,82 %.

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

По результатам рентгенофазового анализа в образцах глины можно выделить следующие фазы: монтмориллонит, гидрослюды, хлорит, кварц и каолинит. Процентный состав фаз представлен на рис. 2.

Таблица 1

Химический состав Кыштырлинской глины

Содержание

SiO2

Al2O3

Na2O

K2O

CaO

Fe2O3

TiO2

MgO

% мас.

54,0

20,73

0,75

3,37

0,60

9,43

1,1

1,82

pimnevaR1.tif

Рис. 1. Рентгенограмма Кыштырлинской нативной глины Тюменской области

pimnevaR2.tif

Рис. 2. Фазовый состав монтмориллонитовой глины

Структура минерала монтмориллонита представляет подвижную кристаллическую решетку, в которой чередуются трехслойные пакеты, состоящие из двух тетраэдрических слоев диоксида кремния, между которыми находится октаэдрический слой оксида алюминия. Расстояние между пакетами в зависимости от содержания воды в глине может увеличиваться от 0,4 до 2,0 нм.

На рис. 3 видно, что частицы природной глины имеют размеры менее 1 мкм в виде тонких листочков с неправильными очертаниями.

pimnevaR3.tif

Рис. 3. Электронно-микроскопический снимок нативной глины Кыштырлинского месторождения Тюменской области

Адсорбция проводилась в статических условиях на нативной и модифицированных формах Кыштырлинской глины при температуре 298 К. Химическая модификация осуществлялась путем добавления к 1 г глины 2 М растворов HCl и NaOH. Методом разбавления из раствора сульфата цинка были приготовлены модельные растворы с концентрациями ионов цинка от 0,03 до 0,15 ммоль/мл. Количество непрореагировавших ионов цинка определяли трилонометрически [7].

Результаты исследования и их обсуждение

По экспериментальным результатам исследования построены изотермы адсорбции ионов цинка на глине в нативной и модифицированных Н- и ОН-формах, представленные на рис. 4. Вид изотермы адсорбции согласно классификации БЭТ [8] соответствует 1 типу. Вид изотермы показывает степень сродства ионов к сорбенту. Изотерма 1 типа отражает мономолекулярную адсорбцию. По изотермам адсорбции определяется максимальная обменная емкость адсорбента и рассчитываются некоторые энергетические характеристики процесса.

Изотермы адсорбции обработали с использованием уравнения Ленгмюра [8]:

pimneva01.wmf

или в линейной форме

pimneva02.wmf

где Г – величина адсорбции, ммоль/г; Г – предельная величина адсорбции, ммоль/г; KL – константа адсорбционного равновесия; Cp – равновесная концентрация, ммоль/мл.

Линейная изотерма Ленгмюра (рис. 5, а) позволяет графически определить две величины: предельную величину адсорбции (Г) и константу адсорбционного равновесия (KL). Для этого необходимо провести экстраполяцию прямолинейной изотермы до оси ординат. Отрезок, отсекаемый на оси ординат, соответствует величине pimneva03.wmf, а тангенс угла наклоны прямой tgα = 1/Г [9]. Расчеты представлены в табл. 2.

Полученные результаты (табл. 2) показывают, что чем больше константа адсорбционного равновесия KL, тем сильнее возникает взаимодействие системы адсорбент – поглощаемое вещество, в данном случае ионы цинка. Отсюда следует, что полученные величины адсорбционного равновесия в зависимости от формы глины можно расположить в ряд:

нативная форма (19,87 мл/ммоль) > > Н-форма (66,14 мл/ммоль) > > ОН-форма (207,33 мл/моль).

pimnevaR4.tif

Рис. 4. Изотермы адсорбции ионов цинка при температуре 298 К

pimnevaR5.tif

Рис. 5. Изотермы адсорбции в линейных координатах уравнений Ленгмюра (а) и Фрейндлиха (б) ионов цинка на Кыштырлинской глине в нативной (1), Н- (2) и ОН- (3) формах

Для технологических расчетов по очистке воды адсорбционными методами на практике используют уравнение Фрейндлиха [8–9]:

pimneva04.wmf

где Г – величина адсорбции, ммоль/г; Cp – равновесная концентрация, ммоль/мл; KF – константа, численно равная емкости адсорбента при остаточной концентрации ионов цинка в растворе, равной единице; n – константа, характеризующая кривизну изотермы в начальной области концентраций. Изотермы адсорбции в координатах Фрейндлиха представлены на рис. 5, б, а результаты расчета констант уравнения Фрейндлиха – в табл. 2.

Таблица 2

Значения адсорбционных параметров адсорбции ионов цинка, рассчитанных с использованием линейной формы уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха

Модель Ленгмюра

Форма глины

Г, ммоль/г

KL, мл/ммоль

R2

нативная

1,08

19,87

0,996

Н-форма

1,33

66,14

0,993

ОН-форма

1,61

207,33

0,999

Модель Фрейндлиха

Форма глины

KF

n

R2

нативная

1,21

3,5

0,946

Н-форма

1,34

3,6

0,886

ОН-форма

1,69

7,8

0,957

 

Константы уравнения Фрейндлиха позволяют сравнивать активность адсорбента в разных формах по отношению к ионам тяжелых металлов. Из табл. 2 следует, что Кыштырлинская глина, содержащая монтмориллонит в ОН-форме, более активна по отношению к нативной и Н-формам.

Заключение

По результатам работы можно сделать вывод, что природная глина с содержанием монтмориллонита обладает высокими адсорбционными свойствами по отношению к ионам цинка.

Изотермы адсорбции ионов цинка хорошо описываются различными моделями адсорбции.

Определены значения предельной статической адсорбционной емкости Кыштырлинской глины, содержащей монтмориллонит, которая составляет 1,08 ммоль/г (нативная), 1,33 ммоль/г (Н-форма), 1,61 ммоль/г (ОН-форма).

Монтмориллонитовая глина представляет собой перспективный природный адсорбент для извлечения ионов цинка из водных растворов.


Библиографическая ссылка

Пимнева Л.А., Рогов Д.О., Ларионова К.А. СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ЦИНКА В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ГЛИНОЙ, СОДЕРЖАЩЕЙ МОНТМОРИЛЛОНИТ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 4. – С. 135-139;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37375 (дата обращения: 28.11.2022).

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