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

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО КАТИОНИТА СФ-5 В ПРАКТИКЕ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ЮГА ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Пимнева Л.А. 1 Загорская А.А. 1 Решетова А.А. 1
1 Тюменский индустриальный университет
Статья посвящена проблемам загрязнения поверхностных водоемов юга Тюменской области ионами тяжелых металлов. Устойчивое загрязнение водотоков на юге региона приводит к ухудшению качества питьевой воды в системах централизованного водоснабжения крупных и средних населенных пунктов. Тюменская область является эндемиком по наличию ионов меди, марганца и железа в природной воде, что обусловлено структурой и химическим составом подстилающих грунтов. Эффективные и экономичные методы извлечения ионов меди, марганца и железа из природных и сточных вод позволили бы снизить накопление их в биоте и стагнировать передачу по пищевой цепи, что, несомненно, благотворным образом сказалось бы на здоровье населения. Целью работы стало исследование возможности использования промышленного катионита СФ-5 для снижения концентраций ионов меди, марганца и железа. Для решения поставленной задачи исследовалась сорбция в динамических условиях и кинетика сорбции ионов металлов на модельных растворах при изменении температур в диапазоне от 298 до 333 градусов Кельвина. Определена сорбционная ёмкость промышленного катионита по отношению к ионам меди, марганца и железа, проведено сравнение сорбционной емкости сорбента СФ-5 в H+ и -формах. Рассмотрено влияние постороннего электролита (соляной кислоты) на сорбцию исследуемых ионов металлов. Исследована кинетика сорбции ионов меди, марганца и железа. Установлен внутридиффузионный характер кинетики. Рассчитаны коэффициенты диффузии и значения энергии активации. При выборе и оптимизации условий извлечения, концентрирования и разделения ионов катионитом использовали полученные результаты исследования. Кроме этого, полученные результаты по кинетике ионного обмена используются при расчете и проектировании технологического оборудования с целью интегрирования технологии в существующие в регионе схемы очистки природных и сточных вод.
сорбция
катионит
ионы меди
марганца
железа
кинетика сорбции
энергия активации
коэффициенты взаимодиффузии
1. Жиляков Е.В., Монахова З.Н., Гузеева С.А., Брюханова Р.Я., Томус И.Ю. Анализ геоэкологической ситуации в водных объектах Тюменской области и города Тюмени // Успехи современного естествознания. 2019. № 5. С. 47–52.
2. Отчет об экологической ситуации в Тюменской области в 2018–2019 гг. Правительство Тюменской области. Тюмень, 2020. 211 с.
3. Доклад о состоянии здоровья населения и организации здравоохранения в Тюменской области по итогам деятельности за 2019 год. ГАУТО «Медицинский информационно-аналитический центр», 2020. 79 с.
4. Скороходов В.Ф., Месяц С.П., Остапенко С.П. Решение проблемы очистки сточных вод промышленных предприятий от многокомпонентных загрязнений // Горный журнал. 2010. № 9. С. 106–108.
5. Николаева Л.А., Исхакова Р.Я. Ресурсосбережение в технологии очистки сточных вод промышленных предприятий // Энергоресурсоэффективность и энергосбережение: сб. науч. трудов. Казань: ТаГраф, 2014. С. 102–106.
6. Тимофеев К.Л., Усольцев А.В., Краюхин С.А., Мальцев Г.И. Кинетика сорбции ионов индия, железа и цинка слабокислотными катионитами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2015. Т. 15. Вып. 5. С. 720–729.

Ежегодный мониторинг состояния поверхностных вод водотоков Тюменской области демонстрирует стабильное ухудшение качества природных вод [1]. Поступление загрязняющих веществ происходит от соседних областей (Свердловской, Курганской, Омской области и Республики Казахстан) в результате миграции веществ [2]. На территории Тюменской области действуют около 130 промышленных предприятий и сельскохозяйственных объектов с общим объемом потребления 315,4 млн т воды в год. Стоки поступают в реки и озера, очищенные только на 69,4 %. Данные факторы влияют на качество питьевых вод в централизованных системах водоснабжения. Накопление ионов тяжелых металлов приводит к риску возникновения целого ряда заболеваний [3]. В связи с этим снижение концентрации ионов металлов в природных и сточных водах Тюменского региона является важной экологической задачей. Концентрация ионов тяжелых металлов в водных объектах представлена на рис. 1.

pimneva1.tif

Рис. 1. Концентрация тяжелых металлов в водных объектах Тюменской области

Для обезвреживания сточных вод используют сорбционный метод с применением промышленных сорбентов. Этот метод позволяет очищать загрязненные воды до любой остаточной концентрации [4, 5]. Промышленные сорбенты представляют собой органические смолы, имеющие в своем составе ионообменные или комплексообразующие функциональные группы.

Целью данной работы является исследование сорбционных характеристик катионита СФ-5 по отношению к ионам меди, марганца и железа, изучение кинетики сорбции.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на макропористом катионите СФ-5 с обменной емкостью 7,92 мг-экв/г и размером зерен в воздушно-сухом состоянии 0,25–0,5 мм. Кислотные свойства катионита СФ-5 характеризуются показателями кажущихся констант ионизации рК1 = 3,1 и рК2 = 8,4. Изучали сорбцию меди (II), марганца (II) и железа (III) из модельных растворов в динамических условиях в колонках сечением 1,4 см3. Масса катионита в колонке была 6 г. Скорость фильтрации всех растворов при сорбции равнялась 1 мл/см3∙мин. Фильтрат растворов отбирался по 25 мл.

Кинетику ионного обмена изучали методом ограниченного объема индивидуальных растворов меди, марганца и железа (III). В водяной термостат помещали емкость с раствором при соотношении жидкой и твердой фаз Ж:Т = 1:1000 и температурах 298, 313 и 333 К. Перемешивание раствора осуществлялось механической мешалкой со скоростью 150 об/мин. Суммарный объем отобранных проб от исходного объема раствора не превышал 3 %.

Результаты исследования и их обсуждение

Сточные воды имеют рН 2–5, поэтому использовали подкисленные соляной кислотой растворы. Зависимость величины емкости обмена меди (II), марганца (II) и железа (III) от концентрации соляной кислоты при сорбции катионитом СФ-5 в водородной и солевой формах показана на рис. 2. Емкость обмена с увеличением концентрации соляной кислоты уменьшается. При этом количество сорбируемых ионов для солевой (аммонийной) формы катионита выше по отношению к водородной форме. При этом сорбция ионов железа превышает обменную емкость катионита.

pimneva2.tif

Рис. 2. Влияние концентрации соляной кислоты на величину сорбции

pimneva3.tif

Рис. 3. Кривые сорбции исследованных металлов на 1,0 (1), 3,0 (2), 6,0 (3) г катионитом СФ-5

Результаты, представленные на рис. 3, свидетельствуют о параллельном переносе фронта сорбции. Скорость движения стационарного фронта является постоянной.

Полученные результаты исследования сорбции ионов меди, марганца и железа (III) использовали для выбора условий их извлечения, концентрирования и разделения с помощью катионита СФ-5. Разделение ионов меди и железа (III), марганца и железа (III) происходит уже на стадии совместной сорбции, что наглядно показано на рис. 4. В эксперименте использовали навеску катионита 6 г, количество сорбированных ионов по 5 мг-экв и скорость фильтрации раствора 1 мл/см2∙мин.

pimneva4.tif

Рис. 4. Разделение ионов меди и железа после совместной сорбции на катионите СФ-5

Выбор технологического режима при извлечении загрязняющих веществ процесса сорбции характеризуется кинетическими параметрами. Полученные экспериментальные данные обрабатывали с использованием уравнения [6]:

PIMN03.wmf (1)

где F – степень достижения равновесия; D – коэффициент диффузии, см2/с; r – радиус зерна катионита, мм; t – время, с; PIMN04.wmf – безразмерный параметр или критерий гомохронности Фурье.

Кинетические кривые сорбции ионов металлов приведены на рис. 5. На примере ионов меди показано увеличение скорости сорбции ионов при повышении температуры. Зависимость Bt = f(t) имеет линейный вид, что подтверждает лимитирующую стадию диффузии в фазе сорбента [6].

Зависимость коэффициента внутренней диффузии от температуры выражается уравнением

PIMN05.wmf (2)

где ∆E – энергия активации суммарного диффузионного процесса, PIMN06.wmf – предэкспоненциальный множитель.

Скорость диффузии ионов металлов в фазе катионита будет зависеть от следующих факторов: размеров гидратированных ионов, их зарядов и подвижности. Радиусы гидратированных ионов увеличиваются от меди к железу

PIMN07.wmf

Скорость внутренней диффузии по значениям коэффициента диффузии возрастает от железа к меди.

pimneva5.tif

Рис. 5. Кинетические зависимости (а) и зависимость Bt от t при сорбции ионов меди катионитом СФ-5 в Н+-форме

Энергия активации для исследованных ионов не превышает значений, характерных для диффузионных процессов.

Значения коэффициентов внутренней диффузии и энергии активации процесса сорбции

Катион

PIMN08.wmf при температуре (К)

ΔЕ, кДж/моль

298

318

333

H+-форма

Cu2+

9,2

11,8

22,1

16,0

Mn2+

8,9

11,8

19,7

17,6

Fe3+

1,2

3,3

5,9

32,8

NH4+-форма

Cu2+

11,8

18,5

36,9

16,1

Mn2+

7,4

9,8

22,1

22,8

Fe3+

2,7

5,0

9,9

26,4

Заключение

Проведение сравнительных сорбционных данных в динамических условиях показывает, что катионит СФ-5 позволяет эффективно очищать раствор от исследованных ионов.

Скорость определяющей стадией процесса сорбции ионов меди, марганца и железа является внутренняя диффузия. По значениям коэффициентов внутренней диффузии скорость сорбции уменьшается от меди к железу:

PIMN09.wmf

При выборе и оптимизации условий извлечения и разделения ионов можно использовать полученные кинетические параметры.


Библиографическая ссылка

Пимнева Л.А., Загорская А.А., Решетова А.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО КАТИОНИТА СФ-5 В ПРАКТИКЕ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ЮГА ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 6. – С. 127-131;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37651 (дата обращения: 15.10.2021).

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