Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ИЗВЛЕЧЕНИЕ КАТИОНОВ СВИНЦА (II) ПРИРОДНЫМ И МОДИФИЦИРОВАННЫМ ДИАТОМИТОМ

Полещук И.Н. 1 Усова Е.Л. 1 Полещук В.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Сточные воды различных промышленных предприятий содержат множество токсичных веществ. Ионы тяжелых металлов, к которым относится и cвинец, являются токсичными и опасными компонентами. Для удаления токсичных тяжелых металлов используются различные технологи. В последние годы для извлечения тяжелых металлов из промышленных сточных вод применяется метод ионного обмена с использованием природных (минеральные) сорбентов. Уральский регион славится множеством минералов разнородных по химическому составу и обладающих сорбционными свойствами. В настоящей работе были проведены экспериментальные исследования природного глинистого минерала – диатомита. Цель работы: оценка возможности извлечения свинца (II) из водных растворов диатомитом с возможным применением исследуемого сорбента для водоочистки. Химический состав исследуемого минерала был определен методом сканирующей электронной микроскопии. Исследование сорбционной активности диатомита проводили в положении статики на модельных растворах с различной концентрацией. Сорбционную способность диатомита по отношению к катионам свинца исследовали на основе построения изотерм Ленгмюра. Для описания процесса сорбции использовали две модели – Ленгмюра и Фрейндлиха. Для повышения количества поверхностных адсорбционных центров осуществляли обработку изучаемого минерала растворами HCl, NaOH и NaCl. В результате были получены Н-, ОН- и Na-разновидности исследуемого сорбента. Полученные результаты исследования доказали, что химически модифицированные разновидности природного сорбента обладают большей извлекающей способностью. К наибольшему увеличению сорбционной способности привело щелочное модифицирование. Проведенные исследования позволяют рекомендовать природный сорбент диатомит для очистки водных растворов от ионов свинца (II). Для повышения сорбционной активности минерала необходимо проводить его химическую модификацию.
природный сорбент
диатомит
эффективность сорбции
катионы свинца
модифицированные формы сорбента
1. Фрумин Г.Т. Экологическая токсикология (экотоксикология). Курс лекций. СПб.: РГГМУ, 2013. 179 с.
2. Добровольский В.В., Обухов А.И., Лобанова Е.А. и др. Свинец в окружающей среде. М.: Наука, 1987. 179 с.
3. Золотарёва Б.Н., Скрипниченко И.И. Содержание и распределение тяжёлых металлов (свинца, кадмия и ртути) в почвах. М.: Пущино, 1980. 90 с.
4. Халтурина Т.И. Очистка сточных вод промышленных предприятий. Красноярск: СФУ, 2014. 164 с.
5. Терехов Л.Д., Воловник Г.И., Терехова Е.Л. Методы очитки воды. Изд-во: Инфра-Инженерия, 2023. 320 с.
6. Пимнева Л.А., Лебедева А.А. Исследование сорбции ионов меди (II) природным сорбентом // Фундаментальные исследования. 2016. № 12-2. С. 329-333.
7. Убаськина Ю. А., Коростелева Ю.А. Исследование возможности практического применения диатомита для очистки сточных вод // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. №7. С. 92-96.
8. Гусев Г.И., Гущин А.А., Гриневич В.А., Филиппов Д.В., Москаленко Е.А., Шильке М.А. Адсорбция 2,4-дихлорфенола и фенола из водных растворов силикатным адсорбентом // Журнал физической химии. 2021. № 2. С. 279-284.
9. Белова Т.П. Адсорбция марганца и свинца натуральным цеолитом из водных растворов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2015. № 5. С. 630-635.
10. Максатова А.М., Везенцев А.И., Михайлюкова М.О., Калашникова Л.А. Физико-химические основы получения адсорбента на основе диатомита // Вестник современных исследований. 2017. № 7-1. С. 162-169.
11. Пальтиель Л.Р., Зенин Г.С., Волынец Н.Ф. Коллоидная химия: Учеб. пособие. СПб: СЗТУ, 2004. 68 с.

Ионы тяжелых металлов, содержащиеся в сточных водах, являются ядовитыми компонентами для всех живых существ [1]. Такие ионы можно обнаружить в промышленных сточных водах различных производств. Среди тяжелых металлов свинец выделяется тем, что даже малое его содержание является высокотоксичным [2]. Накопление свинца в природной среде обусловлено наличием тетраэтилсвинца в автомобильном топливе, а также выбросами на ТЭЦ при сжигании угля. Аккумуляторные заводы являются главными потребители свинца. Более половины добываемого свинца используется для изготовления аккумуляторных батарей [3]. Гальванический процесс благополучно протекает в основном только с металлическим свинцом, кроме того, устойчивость против коррозии увеличивает эксплуатацию аккумуляторных батарей. Для удаления токсичных тяжелых металлов используется ряд различных технологий [4-6]. В настоящее время для извлечения тяжелых металлов из промышленных сточных вод увеличилось применение метода ионного обмена с использованием природных (минеральные) сорбентов [7-9].

Целью работы является оценка возможности извлечения свинца (II) из водных растворов диатомитом с возможным применением исследуемого сорбента для водоочистки.

Материал и методы исследования

Для извлечения ионов свинца был использован природный диатомит тонкодисперсный светло-серого цвета. Месторождение исследуемого диатомита – г. Ирбит Свердловской области. Основным компонентом химического состава диатомита является SiO2, кроме того минерал содержит оксиды алюминия, железа, магния и другие [10]. Химический состав исследуемого минерала представлен на рисунке 1. Точность определения ±2%. Анализ проведен с помощью сканирующей электронной микроскопии.

missing image file

Рис. 1. Химический состав природного диатомита

Исследование сорбционной активности диатомита проводили в положении статики на модельных растворах с различной концентрацией катионов свинца. Для построения изотерм использовали модель Ленгмюра и Фрейндлиха. Исследования проводились в температурном режиме 298, 318 и 333 К. Для повышения количества поверхностных адсорбционных центров осуществляли обработку изучаемого минерала растворами HCl, NaOH и NaCl. В результате были получены Н-, ОН- и Na-разновидности исследуемого сорбента.

Результаты исследования и их обсуждение

Сорбционная активность диатомита вызвана взаимодействием гидроксильных групп глинистого минерала с катионами свинца. Поглощающая способность диатомита связана с реакционной активностью силановых групп и их численностью, что определяется степенью гидратации кремнезема. Описание процесса сорбции можно провести на основе построения изотерм. Вид изотермы характеризует меру сродства исследуемого сорбента к извлекаемым ионам. Кроме того на основе изотермы можно определить максимальную сорбционную способность исследуемого минерала. Количественным параметром сорбционного процесса является удельная сорбция (Г), которую вычисляли по формуле:

missing image file,

где С0 – начальная концентрация ионов свинца в модельном растворе, моль/л;

Ср – равновесная концентрация ионов свинца, моль/л;

Vр-ра – объем исследуемого раствора, мл;

mc – масса исследуемого сорбента, г.

На рисунке 2 показаны изотермы, полученные при сорбции свинца на природном диатомите в различных температурных режимах.

Рисунок 2 демонстрирует, что с увеличением равновесной концентрации ионов свинца в растворе и температуры удельная сорбция увеличивается. При температуре 298 К величина сорбции составила 0,52 моль/г, при 318 К – 0,56 моль/г, при 333 К – 0,64 моль/г. На начальных участках полученных изотерм наблюдается резкий подъем, что доказывает сорбционное сродство природной формы диатомита к ионам свинца. Рисунок 3 показывает изотермы, полученные при сорбции свинца на различных разновидностях минерала.

Объяснить сорбционный процесс можно на основе моделей Ленгмюра и Фрейндлиха [11]:

1) модель Ленгмюра

missing image file,

или в линейной форме:

missing image file,

где Г – величина удельной сорбции, моль/г;

Г∞ – величина предельной сорбции, моль/г;

Ср – равновесная концентрация свинца, моль/л;

Кл – константа равновесия сорбционного процесса.

2) модель Френдлиха

missing image file,

или в линейной форме:

missing image file

где КF ; n – константы Фрейндлиха.

Изотермы Ленгмюра – это теоретическая модель, которая представляет сорбцию как однослойную на однородной поверхности. Для описания процесса сорбции на разнородной поверхности сорбента можно использовать модель Фрейндлиха. Относительная сорбционная способность в уравнении Фрейндлиха определяется константой КF . Константа n характеризует интенсивность сорбционного процесса и распределение центров активности.

missing image file

Рис. 2. Изотермы сорбции свинца на природном диатомите при температурах, К: 298(1), 313 (2), 333 (3)

 

missing image file

Рис. 3. Изотермы сорбции свинца на различных модификациях диатомита: Н-форма (1), природная форма (2), Na-форма (3), ОН-форма (4) при температуре 298 К

missing image file

Рис. 4. Сорбционные изотермы свинца по уравнению Ленгмюра линейного вида для разных модификаций сорбента: 1-Н-форма, 2-природная форма, 3- Na-форма, 4- ОН-форма

Таблица 1

Постоянные уравнения Ленгмюра для различных форм диатомита

T, К

Постоянные Ленгмюра

Нативная форма

ОН-форма

Г∞, моль/г

Кл

R2

Г∞, моль/г

Кл

R2

298

1,18

0,210

0,9042

3,15

0,297

0,9538

318

1,96

0,089

0,9282

6,1

0,086

0,9787

333

2,4

0,079

0,9512

7,84

0,072

0,9975

 

T, К

H-форма

Na-форма

Г∞, моль/г

Кл

R2

Г∞, моль/г

Кл

R2

298

0,58

0,214

0,8796

1,75

0,22

0,9509

318

0,96

0,09

0,8845

2,97

0,088

0,9651

333

1,15

0,086

0,9264

3,77

0,074

0,9852

Если n равняется 1, это означает, что все сорбционные центры одинаковы по величине.

Когда n оказывается больше 1, энергетическая связь сорбента и сорбтива уменьшается в процессе заполнения всей поверхности сорбента. В том случае, когда величина n имеет значение меньше 1, энергия связи будет увеличиваться и тогда сначала заполняются сорбционные центры с меньшей энергией [11].

Для вычисления констант уравнения Ленгмюра строили графическую зависимость в координатах Ср / Г – Ср, представленную на рисунке 4.

Постоянные Ленгмюра для всех форм сорбента приведены в таблице 1.

Результаты, представленные в таблице 1 показывают, что ОН-модификация диатомита является более благоприятной по отношению к катионам свинца. В этой модифицированной форме величина удельной сорбция имеет наибольшие значения.

Для определения констант уравнения Фрейндлиха были построены графики зависимости в координатах lgГ– lgCp, изображенные на рисунке 5.

Постоянные Фрейндлиха для всех форм диатомита приведены в таблице 2.

missing image file

Рис.5. Изотермы сорбции свинца в координатах линейного вида уравнения Фрейндлиха в разных формах сорбента: 1-ОН-форма, 2- Na -форма, 3- природная форма, 4- Н- форма

Таблица 2

Постоянные уравнения Фрейндлиха для различных форм диатомита

T, К

Постоянные Фрейндлиха

Нативная форма

ОН-форма

n

КF

R2

n

КF

R2

298

0,66

1,06

0,9632

2,71

1,97

0,9506

318

0,74

2,1

0,9748

30,86

3,34

0,9798

333

0,92

2,2

0,9885

181,8

3,38

0,9898

T, К

H-форма

Na-форма

n

КF

R2

n

КF

R2

298

1,25

0,46

0,953

2,7

0,49

0,9667

318

1,54

0,059

0,9722

1,33

1,37

0,9793

333

2,37

0,011

0,9931

1,4

1,43

0,9816

Результаты, представленные в таблице 2 показывают, что постоянная Фрейндлиха n имеет значение больше 1 для всех модифицированных форм диатомита, а значит все эти формы являются выгодными для извлечения ионов свинца. Более выгодным является ОН-модификация диатомита. Величина постоянной Фрейндлиха КF свидетельствует о свободном перемещении ионов свинца из раствора в фазу сорбента и сорбционной активности ОН-формы диатомита к извлекаемым ионам свинца.

Выводы

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Исследованный природный минерал (диатомит) проявляет сорбционную способность к извлекаемым ионам свинца, поэтому его можно использовать в целях водоочистки.

2. Химическое модифицирование поверхности сорбента позволило повысить сорбционные характеристика диатомита. Наибольшее количество активных центров имеет диатомит при щелочной модификации.


Библиографическая ссылка

Полещук И.Н., Усова Е.Л., Полещук В.В. ИЗВЛЕЧЕНИЕ КАТИОНОВ СВИНЦА (II) ПРИРОДНЫМ И МОДИФИЦИРОВАННЫМ ДИАТОМИТОМ // Успехи современного естествознания. – 2023. – № 4. – С. 109-114;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38032 (дата обращения: 18.07.2024).

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 = 1,674