УДК 544.723:546.302:677.31

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОРБЦИЮ ИОНОВ МЕДИ ШЕРСТЯНЫМ ВОЛОКНОМ

Дымова Татьяна Андреевна
Ивановский государственный химико-технологический университет
магистрант

Аннотация
Представлены результаты исследования влияния температуры на процесс сорбции ионов Cu(II) из водных растворов природным белковым сорбентом. Сорбция ионов тяжелых металлов шерстяным волокном представляет собой эндотермический процесс. При увеличении температуры системы на 70º (в интервале от 20ºС до 90ºС) сорбционная емкость увеличивается с 045 до 0,78 моль/кг.

Ключевые слова: влияние температуры, ионы меди, шерстяное волокно


THE EFFECT OF TEMPERATURE ON THE SORPTION OF COPPER IONS BY WOOL FIBER

Dimovа Tatyana Andreevna
Ivanovo State University of Chemistry and Technology
master student

Abstract
Results of investigation of temperature effect on Cu(II) ions sorption process from aqueous solutions by the natural protein sorbent. Sorption of heavy metal ions onto woolen fibers is an endothermic process. By increasing the system temperature at 70º (in the range from 20°C to 90°C) sorption capacity increases from 0,45 to 0,78 mol/kg.

Keywords: copper ions, temperature effect, wool fibers


Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Дымова Т.А. Влияние температуры на сорбцию ионов меди шерстяным волокном // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78509 (дата обращения: 29.04.2017).

Введение

Загрязнение воды является одной из наиболее важнейших задач, которая стоит перед современным обществом. Это связано, прежде всего, с развитием промышленных процессов, таких как крашение, металлизации, добыча полезных ископаемых и т.д.
Токсичные металлы представляют собой серьезную экологическую проблему, поскольку они не подвергаются биологическому разложению и могут накапливаться в живых тканях, пищевых цепях даже при низких концентрациях, что приводит к негативному воздействию на водную флору и фауну, а также на животных, растения и здоровья человека [1].
Более того, эти металлы часто трудно удалить из водных стоков. Обычно для очистки воды от загрязнений тяжелыми металлами используют такие методы, как осаждение, коагуляция /флокуляция, фильтрация, обмен ионов и т.д. [2]. Однако, у этих методов есть следующие недостатки: высокие затраты на химикаты, низкая эффективность удаления, высокое потребление энергии, сложная операционная установка. К тому же, большинство этих методов являются неэффективными при удалении ионов тяжелых металлов из более разбавленных растворов. По этим причинам, ведутся разработки более дешевой технологии для удаления тяжелых металлов из сточных вод. Поэтому адсорбция из-за своей простоты, считается одним из самых лучших технологий. Среди известных адсорбентов в методах извлечения сточных вод, считается активированный уголь. Широко используется, не смотря на то, что это является дорогим материалом, на самом деле, чем выше качество активированного угля, тем больше его стоимость [3].
В последние годы, были массивно исследованы в качестве адсорбентов для ионов тяжелых металлов природные материалы или сельскохозяйственные и промышленные отходы, которые доступны в больших количествах [4]. 
Исследования последних лет показали, что полисахариды, содержащиеся в продуктах растительного происхождения, как нерастворимые (целлюлоза, хитин), так и растворимые (пектины, инулин) способны эффективно связывать ионы тяжелых металлов. К достоинствам данных сорбентов можно отнести то, что они имеют низкую стоимость, надежны, удобны в эксплуатации и утилизации (так как являются биоразлагаемыми), нетоксичны, т.е. могут быть использованы для очистки питьевой воды и продуктов питания. 
Однако использование таких целлюлозосодержащих материалов, как шелуха зеленого миндаля, чайные листья, отходы производства оливкового масла, джутовое волокно, кожура апельсинов и лимонов, выжимки сахарного тростника может быть экономически оправдано лишь в условиях производств, приближенных к источникам растительного сырья [5].
Среди натуральных материалов, интерес вызывает кератин белка. Данный материал за счет содержания различных функциональных групп является перспективным сорбентом для очистки сточных вод промышленных предприятий и пищевых сред от ионов тяжелых металлов. К числу его достоинств можно отнести доступность, низкую стоимость, безопасность – является экологически чистым и биологически инертным по отношению к очищаемым средам [6]. 
Сорбция ионов тяжелых металлов кератином шерсти происходит, по мнению автора [7], в результате возникновения химической связи между функциональными группами кератина шерсти и ионами металлов. 
Авторы [8] говорят о конкуренции между ионами металлов и ионами водорода в процессе сорбции, в [9] высказывается предположение, что происходит формирование комплексов между кератином шерсти и металлом (W/Cu(II)). Существует мнение, что металл вступает в реакцию с карбоксильными группами шерсти.
Таким образом, отходы валяльно-войлочного производства представляют собой важный возобновляемый источник биополимера, который можно было бы более эффективно использовать. 
Целью данной работы является исследование влияния температуры на сорбцию ионов меди шерстяным волокном.

Экспериментальная часть

Для исследования влияния температуры были получены изотермы сорбции при температурах 20, 50; 90 0С. Для получения изотерм процесс сорбции проводили следующим образом: в серию пробирок помещали навески сорбента массой по 0,10 г и заливали их 10 мл водного раствора сульфата меди с концентрациями Cu2+ в интервале 1,510-4 – 510-2 моль/л и выдерживали до установления состояния равновесия в термостате при температурах 20, 50 и 90 0С (время достижения сорбционного равновесия было определено при исследовании кинетики сорбции). Затем раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем равновесную концентрацию ионов меди (Се) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «210VGP».

Результаты и их обсуждение

Для определения максимальной сорбционной емкости (А) образцов шерстяного волокна были получены изотермы сорбции ионов Cu(II) из водного раствора при 20C, 50C, и 90С (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изотермы сорбции ионов меди сорбентом из шерстяного волокна при различных температурах

Влияние температуры на сорбцию ионов металлов из водных растворов природным белковым сорбентом представлено на рисунке 2, из которого видно, что сорбция ионов тяжелых металлов шерстяным волокном представляет собой эндотермический процесс. 
Такой характер зависимости при извлечении катионов наблюдался и в работе [10]. При увеличении температуры системы на 70º (в интервале от 20ºС до 90ºС) степень извлечения увеличивается на 20-25 %. Сорбцию катионов металлов на белковом биосорбенте рассмотрим как специфическую обратимую адсорбцию, для которой величина (ΔH) меньше 100 кДж/моль.


Рисунок 2- Влияние температуры на сорбцию ионов Cu2+ из водных растворов в координатах Аррениуса lgKD– 1/T.

Для определения теплового эффекта (изменение ΔН) обратимого сорбционного процесса использовали следующие уравнения:
(1)
(2)
откуда (3)
Результаты обработки экспериментальных данных по уравнению (3) представлены в таблице 1. При этом следует отметить, что сорбция ионов меди на белковом сорбенте, в отличие от сорбции на полисахаридном сорбенте, проходит с поглощением тепла (эндотермический процесс) (таблица 1). Изменение знака теплового эффекта сорбции катионов металла при переходе от полисахаридного сорбента к белковому в первом приближении можно связать с различиями в механизме. 
В целлюлозе чисто ионный механизм обмена катионов металлов можно отразить в форме [12]:

M2+ + {Cell-(COONa)2 - Cell-(COO)2M} + 2Na+

Электронейтральность водной фазы при ионном обмене в системе целлюлозный сорбент – водный раствор солей металлов, представляющих собой сильные электролиты, требует более правильно отражать механизм процесса с участием анионов в форме [12]:

SO42- + M2+ + {Cell-(COONa)2 - Cell-(COO)2M} + 2Na++ SO42-

Кислотно-основные формы кератина шерсти (Wool) [12]:

I (анионная)основная форма

II (цвиттерионная)нейтральная форма

III (катионная)кислая форма

Таблица 1 – Влияние температуры на сорбцию ионов тяжелых металлов 
из водных растворов шерстяным волокном

Катион металла
ΔH,
кДж/моль
ΔS
Дж/моль°K
Коэффициент корреляции
Cu2+
1,06±0,07
8,82
5,9±0,59
49,4
0,98

Таким образом, процесс сорбции ионов меди шерстяным волокном является эндотермическим процессом в отличие от экзотермического сорбционного процесса, протекающего на целлюлозе.

Выводы

Исследовано влияния температуры на процесс сорбции ионов Cu(II) из водных растворов природным белковым сорбентом. При увеличении температуры системы на 70º (в интервале от 20ºС до 90ºС) сорбционная емкость увеличивается с 045 до 0,78 моль/кг. Сорбция ионов меди шерстяным волокном представляет собой эндотермический процесс.


Библиографический список
  1. Pehlivan, E., Yanık, B. H., Ahmetli, G. M., and Pehlivan, M. (2008). «Equilibrium isotherm studies for the uptake of cadmium and lead ions onto sugar beet pulp», Bioresource Technology 99, 3520-3527.
  2. Vullo DL, Ceretti HM, Daniel MA, Ramirez SA, Zalts A. Cadmium, zinc and copper biosorption mediated by Pseudomonas veronii 2E. Bioresour Technol 2008;99:5574–81.
  3. Бушуев Н.Н. Тяжелые металлы в промышленном производстве и их влияние на здоровье человека / Здоровье – основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения. 2011. № 1. Том 6.
  4. Demirbas А. Heavy metal adsorption onto agro-based waste materials: A review //J. Hazard. Mater., 157. – 2008. – Р. 220 – 229.
  5. Wan Ngah W. S., Hanafiah M.A.K. Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically mo­dified plant wastes as adsorbents: A review // Bioresource Technology, 99. – 2012. – Р. 3935 – 3948.
  6.  Banat F., Al-Asheh S., Al-Rousan D. Comparison between Different Keratin-composed Biosorbents for the Removal of Heavy Metal Ions from Aqueous Solutions // Adsorpt. Sci. Technol. 2002. V. 20, N 4. Р. 393-416.
  7. A. Rippon, D.J. Evans. Improving the properties of natural fibres by chemical treatments// CSIRO Materials Science and Engineering, Australia
  8.  Никифорова, Т.Е. Особенности сорбции ионов тяжелых металлов белковым сорбентом из водных сред / Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, М.В. Родионова // Журн. Прикл. Химии. – 2010. – Т. 83, Вып. 7. – С.1073-1078.
  9. Fukatsu K. Formation of Copper(I1)-Woo1 Keratin Complexes // Textile Res. J. 1988. P. 91-96.
  10. Block, L.C., D. C. W. Kwok/ Quantilative spectrographic analyses of metallic elements in textile materials/ TRJ 1954, v. 24, р. 990-999.
  11. Никифорова Т.Е., Козлов В.А. Влияние различных факторов на сорбцию ионов тяжелых металлов целлюлозосодержащим сорбентом из водных сред // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2011. Т. 47. № 1. С. 23-27.
  12. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1989. 464 с.


Все статьи автора «Дымова Татьяна Андреевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация