Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №36 (август) 2016
Разделы: Химия, Экология
Размещена 25.08.2016. Последняя правка: 12.09.2016.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ рН ВОДНОГО РАСТВОРА НА СОРБЦИЮ ИОНОВ Cu(II) ЦЕЛЛЮЛОЗНЫМ СОРБЕНТОМ

Комарова Дарья Сергеевна

-

ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет

магистрант

Никифорова Татьяна Евгеньевна, доктор химических наук, доцент кафедры технологии пищевых продуктов и биотехнологии, ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет


Аннотация:
Изучены сорбционные свойства сорбента на основе хлопковой целлюлозы. Исследовано влияние различных кислот на процесс сорбции. Показано, что максимальное извлечение ионов Cu(II) целлюлозой наблюдается при рН 5,5-6,0.


Abstract:
The sorption properties of sorbent on the base of cotton cellulose for Cu(II) ions from aqueous media were studied. The effect of different acids on the sorption process was investigated. High extraction of heavy metal is achieved at рН 5,5-6,0.


Ключевые слова:
сорбционные свойства; эффект рН; тяжелые металлы; целлюлоза

Keywords:
sorption properties; effect of pH; heavy metals; cellulose


УДК 66.081 : 54-71 : 661.728.7 : 54-414

Введение

Контаминация тяжелыми металлами атмосферного воздуха, педосферы, водной среды становится важным вопросом для человечества в силу увеличения площади ландшафтов, подвергающихся их воздействию. Это в дальнейшем может отразиться на качестве сельскохозяйственных культур. Заражение пищевых продуктов токсичными соединениями тесно связано с качеством окружающей природной среды, в которой они выращиваются. Научные работы показывают, что существует направленность к  негативному росту загрязненности среды обитания, в том числе пищевых сред техногенными веществами различной природы.

Актуальность проблематики, связанной с загрязнением пищевых сред ионами металлов тяжелыми металлами объясняется, главным образом, обширным диапазоном их влияния. Эмиссия тяжелых металлов в природные оболочки происходит посредством пыли, аэрозолей, растворов в сточных водах и с мусором. Вверх по пищевым цепям токсичные вещества поступают в органы человека, провоцируя необратимые изменения в организме. Ионы металлов оказывают влияние на жизненно важные системы организма человека, вызывая канцерогенные, токсические, аллергические последствия. 

Для удаления ионов тяжелых металлов из водных сред применяется множество методов: экстракция, обратный осмос, химическое осаждение, ионный обмен, сорбция и т.д. По сравнению с другими методами, сорбционный процесс имеет такие преимущества, как гибкость процесса, небольшие затраты на реагенты и энергию, низкую стоимость.

В настоящее время важной задачей является поиск эффективных и безопасных методов для очистки водных сред от ионов тяжелых металлов. В последнее время большой интерес уделяется биосорбции. Биосорбция – процесс, в котором в качестве сорбентов используются природные материалы, являющиеся побочными продуктами сельского хозяйства. Природные материалы являются перспективными сорбентами для очистки сточных вод промышленных предприятий и пищевых сред от ионов тяжелых металлов. К числу их достоинств можно отнести доступность, низкую стоимость, возобновляемость, безопасность.

Эффективность некоторых сельскохозяйственных продуктов и природных отходов доказана в ряде научных статей. В качестве дешевых сорбентов для очистки природных, сточных вод и пищевых систем используют короткие конопляные волокна, пшеничные отруби, солому, шерстяное волокно, рисовую шелуху, стебли топинамбура и целлюлозу [2,4,5].

Цель настоящей работы – исследование сорбционных свойств целлюлозного материала и влияния рН среды на сорбцию ионов меди из водных растворов. 

Материалы и методы

В качестве сорбционного материала выбрана хлопковая целлюлоза. В работе использованы: Сu(NO3)2·3Н2О, CuCl2·2Н2О, НNO3, HCl, HClO4; все реактивы квалификации «х.ч.».

Значительное влияние на величину равновесной обменной емкости оказывает рН раствора. Исследование влияния рН раствора на процесс сорбции проводили при помощи рН-метра ЭКСПЕРТ-рН. Необходимую величину рН создавали, используя азотную, соляную и хлорную кислоты. Остаточную концентрацию ионов металлов в растворе определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре 210VGP [1]. Степень извлечения α определяли по формуле (1):


α = ((С0 – Сτ) / С0) ∙ 100 % , (1)
 

где С0 – начальная концентрация ионов металла, моль/л;

Сt – концентрация ионов металла в момент времени t, моль/л;

Результаты опытов представлены на рисунке 1.

 
 
1 – HNO3; 2 – HCl; 3 – HClO4
 
Рис. 1 – Влияние рН водного раствора на сорбцию ионов Cu(II)
 
Сорбционные равновесия характеризуются коэффициентом распределения КD, представляющим собой отношение общей концентрации вещества в фазе сорбента к его общей концентрации вещества в фазе сорбента к его общей концентрации в растворе:

KD = [Mn+]с / [Mn+]р, (2)
 
Сорбцию ионов металлов за счет ионного обмена с участием карбоксильных групп сорбента можно представить следующим образом (Sorb-COOH, где Sorb – сорбент):
 
Sorb[(-СOOH)22О)n]+(М2+)р ↔ (2Н+)р+ Sorb[-O2 М (Н2О)n], (3)
 
При протекании ионного обмена в условиях равновесной протодесорбции для разбавленных водных растворов выражение для концентрационной константы k принимает вид:
 
k = ((Mn+)c ∙ (H+)np) / ((Sorb(OH)n) ∙ (Mn+)p), (4)
 
                                                                                       
 K ≈ k ∙ (Sorb(OH)n) ≈  ((Mn+)c∙(H+)np) / (Mn+)p) = KD ∙ (H+)n, (5)
 
или в линейной логарифмической форме [3]:
 
KD ≈  const + n ∙ (pH), (6)
 
 
Результаты обработки полученных данных методом наименьших квадратов представлены на рисунке 2 и в таблице 1.
 
Таблица 1. Параметры уравнения  KD ≈  const + n ∙ (pH)     
 

Кислота

const

n

Коэффициент корреляции

Азотная

0,67±0,11

0,25±0,02

0,99

Соляная

0,48±0,17

0,28±0,03

0,97

Хлорная

0,87±0,05

0,19±0,01

0,99

 
 
 
1 – HNO3; 2 – HCl; 3 – HClO4 
Рис. 2 – Влияние рН водного раствора на распределение ионов Cu(II)в системе «водный раствор соли метала – целлюлозный сорбент»

Как видно из таблицы 1, тангенс угла наклона линейной зависимости lgKD – рН для двухзарядного катиона Cu(II) намного меньше единицы и составляет ≈ ¼. Это объясняется эквивалентным участием протонов и анионов водной фазы кислотного компонента в молекулярной фазе при межфазном обмене d-металлов и протонов [6].

Для получения параметров, характеризующих сорбционные свойства целлюлозного сорбента, была получена кинетическая кривая сорбции ионов Cu(II). Результаты эксперимента на рисунке 3. 



Рис. 3 – Кинетическая кривая сорбции ионов Cu(II) из водных растворов целлюлозным сорбентом

Среднее время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла – сорбент составляет 10 минут.

Выводы

Исследовано влияние рН раствора на сорбцию ионов Cu(II) из водных растворов солей металла в диапазоне рН 1-7. Установлено, что максимальное извлечение катионов Cu(II) сорбентом наблюдается при рН 5,5-6,0. Показано, что кислоты оказывают влияние на степень извлечения Cu(II) в следующем ряду: HNO3 ˃ HCl ˃ HClO4.

Тангенс угла наклона линейной зависимости lgKD – рН для двухзарядного катиона Cu(II) намного меньше единицы и составляет ≈ 1/4, что свидетельствует о том, что механизм процесса сорбции катионов металлов полисахаридным сорбентом не является простым ионным обменом с участием карбоксильных групп (Sorb – СОOH). 

Изучены сорбционные свойства целлюлозного сорбента по отношению к ионам Cu(II). Установлено, что время достижения равновесия в гетерогенной системе "водный раствор - сорбент" составляет 10 мин, а степень извлечения ионов металла достигает 60 %. 
 

Библиографический список:

1. Комарова Д.С., Никифорова Т.Е. Исследование сорбции ионов меди (II) сорбентом из стеблей топинамбура // Novainfo. 2016. № 41-1 [Электронный ресурс]. URL: http://novainfo.ru/article/4338 (дата обращения: 26.07.2016).
2. Комарова Д.С., Никифорова Т.Е. Очистка водных сред от ионов тяжелых металлов полисахаридным сорбентом // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/09/57772 (дата обращения: 26.07.2016).
3. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Модина Е.А. Сольватационно-кординационный механизм сорбции ионов тяжелых металлов целлюлозосодержащим сорбентом из водных сред // Химия растительного сырья. 2010. № 4. С. 23-30.
4. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Родионова М.В., Модина Е.А. СОРБЦИЯ ИОНОВ ЦИНКА ПРОДУКТАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ ЦЕЛЛЮЛОЗНУЮ И БЕЛКОВУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2009. Т. 52. № 3. С. 27-31.
5. Hajeetha T., Vijayalakshmib K., Gomathib T., Sudhab P.N. Removal of Cu(II) and Ni(II) using cellulose extracted from sisal fiberand cellulose-g-acrylic acid copolymer // International Journal of Biological Macromolecules. 2013. № 62. Р. 59-65.
6. Kozlov V.A., Nikiforova T.E., Loginova V.A., Koifman O.I. Mechanism of protodesorption—exchange of heavy metal cations for protons in a heterophase system of H2O–H2SO4–MSO4—cellulose sorbent // Journal Of Hazardous Materials. 2015. V. 299. Р. 725-732.




Рецензии:

12.09.2016, 9:12 Васильева Наталья Гендриховна
Рецензия: Добрый день. Статья Ваша познавательна и, бесспорно, представляет научный и практический интерес.С влиянием рH раствора на сорбцию ионов меди из водных растворов металлов все понятно, но целью исследования являлось еще и исследование сорбционных свойств целлюлозного материала... Поясните, пожалуйста. С уважением, Васильева Н.Г., к.х.н.

12.09.2016 11:11 Ответ на рецензию автора Комарова Дарья Сергеевна:
Здравствуйте, Наталья Гендриховна! Спасибо за рецензию. Исправления внесены.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх