ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ ХРОМА (III) ШЕРСТЯНЫМ ВОЛОКНОМ

Введение

Загрязнение биосферы тяжелыми металлами в результате антропогенной деятельности человека вызывает серьезное беспокойство во всем мире. Металлы способны накапливаться в растениях, водоемах, почве, а затем с продуктами питания и питьевой водой поступать в организм человека.
Увеличивающиеся масштабы производства и повышение требований к качеству воды диктуют поиск все более эффективных способов удаления загрязнений из природных и сточных вод, возврата очищенных стоков для повторного использования. Среди методов, успешно применяющихся для решения этой задачи, сорбционная очистка является одним из наиболее эффективных. К преимуществам сорбционного метода относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости, отсутствие вторичных загрязнений и управляемость процессом.
Сорбция позволяет добиться глубокой очистки воды до норм ПДК вредных веществ в воде промышленного, оборотного, санитарно-бытового и рыбохозяйственного назначения с одновременной утилизацией или регенерацией извлеченных компонентов [1].
В связи с этим актуальна задача разработки сорбентов, способных эффективно извлекать ионы тяжелых металлов из водных сред. С целью создания ресурсосберегающих технологических процессов большой интерес представляет разработка сорбентов на основе доступных и экологически чистых побочных продуктов или отходов сельского хозяйства, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности.
Целью настоящей работы является разработка сорбента с улучшенными сорбционными свойствами для очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов, а также установление закономерностей протекания процесса сорбции с участием данного сорбента.

Экспериментальная часть. Кинетику сорбции ионов хрома исследуют в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора [2]. Для получения кинетических кривых в серию пробирок помещают навески сорбента массой по 0,10 г, заливают их 10 см³ водного раствора хлорида металла. Начальная концентрация ионов хрома составляла 5,0·10^-4 моль/л. Через определенные промежутки времени раствор отделяют от сорбента фильтрованием и определяют в нем текущую концентрацию ионов металлов (С_t) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборах 210VGP.
Сорбционную емкость сорбента в каждый конкретный момент времени t рассчитывают по формуле (1):

,       (1)

где С_sorb.– сорбционная емкость, ммоль/г; С₀ – начальная концентрация ионов металла, моль/л; С – концентрация ионов металла в момент времени , моль/л; m – масса навески сорбента, г; V – объем раствора, л.
Для исследования влияния концентрации металла в растворе на равновесие в ионообменной системе снимают изотермы сорбции. Для получения изотерм процесс сорбции проводят следующим образом: в серию пробирок помещают навески сорбента массой по 0,10 г и заливают их 10 мл водного раствора хлорида металла с концентрациями металла в интервале 5,010^-4 – 810^-2 моль/л и выдерживают при перемешивании до установления состояния равновесия (время достижения сорбционного равновесия определяют при исследовании кинетики сорбции). Затем раствор отделяют от сорбента фильтрованием и определяют в нем равновесную концентрацию ионов металла (С_е) методом атомно-абсорбционной спектроскопии. В условиях установившегося равновесия в системе определяют равновесную концентрацию ионов металла в растворе (С_е) и рассчитывают равновесную сорбционную емкость: 

,     (2)

где С_sorb.,e – равновесная сорбционная емкость, мг/г; С_е – равновесная концентрация ионов металла, моль/л.
Степень извлечения a определяют следующим образом:

      (3)

Коэффициент распределения K_D рассчитывают как отношение концентрации ионов металла в фазе полимера (С_sorb.) к его содержанию в растворе:

     (4)

Результаты и их обсуждение. Для определения параметров, характеризующих сорбционные свойства шерстяного волокна, была получена кинетическая кривая сорбции ионов Cr(III). Результаты эксперимента на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кинетическая кривая сорбции ионов хрома из водных растворов шерстяным волокном

Согласно полученным данным шерстяное волокно сравнительно эффективно сорбирует ионы хрома. Среднее время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла – сорбент составляет 105 мин.

Для определения предельной сорбционной емкости шерстяного волокна была получена изотерма сорбции ионов Cr(III) из водных растворов хлоридов. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.

Полученные экспериментальные данные описаны уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра:

где А_R – предельная или максимальная сорбционная емкость полимера по данному металлу, моль/кг; К – концентрационная константа сорбционного равновесия, характеризующая интенсивность процесса сорбции, л/моль; С_е – равновесная концентрация сорбата, моль/л [3].

Линеаризация изотермы сорбции по уравнению (5) позволяет графически определить в уравнении Ленгмюра величины А и К из опытных данных по распределению исследуемого сорбата в гетерофазной системе водный раствор – сорбент шерстяное волокно.

Результаты обработки изотермы сорбции ионов Cr (III) шерстяным волокном по модели Ленгмюра представлены на рисунке 3 и в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры обработки изотермы сорбции по модели Ленгмюра методом наименьших квадратов

Таким образом, как видно из рис. 3 в координатах С_е/А – С_е наблюдается линейная зависимость с коэффициентом корреляции (R) 0,99. Это говорит о том, что экспериментальные данные по сорбции ионов хрома на волокнах шерсти хорошо аппроксимируются уравнением Ленгмюра, а из значений величин предельной сорбции (А₈) (табл. 1,), полученных в ходе обработки изотерм сорбции с использованием этого уравнения следует, что данный сорбент обладает сравнительно невысокой связывающей способности по отношению к ионам хрома.
Выводы. Исследованы сорбционные свойства сорбента – шерстяного волокна по отношению к ионам хрома. 
Экспериментальная изотерма сорбции Сr³⁺ обработана в рамках модели сорбции Ленгмюра. Показано, что данная модель позволяет достаточно хорошо, с коэффициентом корреляции 0,99, описать процесс сорбции в линейной форме уравнения. Установлено, что предельная сорбция А₈, полученная с использованием модели Ленгмюра, согласуется с опытными данными.

1. 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.
2. Кокотков Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного бомена. Л.: Химия, 1970. 336 с.
3. 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»