Сорбция ионов меди модифицированным шерстяным волокном

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановский государственный химико-технологический университет

Сорбция ионов меди модифицированным шерстяным волокном

Дымова Татьяна Андреевна, бакалавр, студент

Кузьмина Мария Валерьевна, бакалавр, студент

Представлены результаты исследования процесса сорбции ионов Cu(II) с помощью шерстяного волокна, модифицированного акриламидом. Время достижения сорбционного равновесия в системе «водный раствор соли меди - шерстяное волокно» составило 75 мин. Изотерма сорбции ионов Cu(II) обработана в рамках модели Ленгмюра. Полученные экспериментальные данные позволяют рекомендовать использовать сорбент для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов различной природы.

Состояние окружающей природной среды является важнейшим фактором, определяющим жизнедеятельность человека и общества. Высокие концентрации многих химических элементов и соединений, обусловленные техногенными процессами, обнаружены в настоящее время во всех природных средах: атмосфере, воде, почве, растениях.

Тяжелые металлы относятся к наиболее широко распространенным поллютантам водной и почвенной среды. Они составляют значительную долю загрязнителей окружающей среды и по токсичности занимают второе место после пестицидов. К тяжелым металлам относятся химические элементы (металлы) с атомной массой более 50. Наиболее токсичными признаны: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, олово. цинк, молибден, кобальт. никель [1].

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению.

В связи с этим актуальна задача разработки сорбентов, обладающих высокой способностью извлечения ионов металлов из водных растворов, и применение которых было бы экономически целесообразно.

Известно, что множество веществ природного происхождения обладают свойствами сорбентов. Так сорбционными свойствами обладает и шерсть [2]. Сорбционные свойства шерсти определяются особенностями физического и химического строения волокон. Возможно применение различных методов модифицирования для увеличения сорбционной способности.

Целью данной работы является исследование процесса сорбции ионов Cu(II) из водного раствора сульфата меди с помощью шерстяного волокна, модифицированного акриламидом.

Модификация с помощью химических реагентов проходит в две стадии. Сначала идет образование свободных радикалов (макрорадикалы) на полипептидной цепи, склонных инициировать реакцию полимеризации на этих участках кератина. Для образования свободных радикалов шерсть обрабатывают веществами, называемыми инициаторами: перекисью водорода, персульфатом калия и другими. При распаде инициатора возникают радикалы I>R, которые могут непосредственно атаковать цепи кератина с образованием макрорадикалов.

В дальнейшем происходит сополимеризация винильных мономеров с радикалами макромолекул кератина. Одновременно идет и реакция полимеризации винильного мономера. Параллельно проходит реакция образования свободного гомополимера, не вступившего в реакцию с кератином. Соотношение выходов привитого сополимера и гомополимера определяется скоростями этих реакций. Доказательством реакции образования привитого сополимера является то, что при длительной экстракции соответствующими растворителями, в которых растворяется гомополимер, масса привитого сополимера остается без изменений [3].

Данный метод можно наглядно рассмотреть на примере следующих реакций:

· обработка солью Мора: шерстяное волокно обрабатывают при модуле М = 50 водным раствором соли Мора (NH₄)₂SO₄-FeSO₄-6H₂О. После обработки солью Мора волокнистый материал тщательно отмывают подкисленной водой до отсутствия в промывных водах ионов двухвалентного железа.

· реакция привитой сополимеризации: волокно обрабатывают в ванне, содержащей акриламид и Н₂О₂ в течение 30 мин при 70 °С и М = 50. В предлагаемых условиях реакция полимеризации проходит практически без образования гомополимера.

Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исследуют в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора.

Для получения кинетических кривых сорбции в серию пробирок помещали навески (m) сорбента по 0,1 г, заливали их 10 мл (V) водного раствора сульфата меди и выдерживали от 0,5 до 15 минут. Сорбция проводилась при постоянном перемешивании. Начальная концентрация (С_о) ионов металлов составляла 1,5Ч10^-4 мольЧл^-1. Через определенные промежутки времени раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов металлов (С_ф) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «Сатурн».

Сорбционную емкость (А_ф) сорбентов в каждый данный момент времени рассчитывали по формуле:

(1)

В условиях установившегося равновесия в системе определяли равновесную концентрацию ионов металла в растворе (С_р) и рассчитывали равновесную сорбционную емкость сорбентов (А_р):

(2)

Степень извлечения б и коэффициент распределения ионов металлов между сорбентом и раствором К_D определяли следующим образом:

 (3)

(4)

Для получения изотерм сорбции в серию пробирок помещали навески сорбентов по 0,1 г и заливали их 10 мл водного раствора сульфата меди с разными начальными концентрациями в диапазоне 1,5Ч10^-4 - 8Ч10^-3 мольЧл^-1, выдерживали до установления состояния равновесия (время достижения сорбционного равновесия определяют при исследовании кинетики сорбции). Затем раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем концентрацию ионов металла.

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

Рисунок 1. - Кинетическая кривая сорбции ионов меди из водных растворов шерстяным волокном, модифицированным акриалмидом

Согласно полученным данным, шерстяное волокно, модифицированное акриламидом, сравнительно эффективно сорбирует ионы меди. Среднее время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла - сорбент составляет 75 мин. Степень извлечения ионов меди шерстяным волокном, обработанным акриламидом, составляет 87%

Для определения предельной сорбционной емкости шерстяного волокна, модифицированного акриламидом, была получена изотерма сорбции ионов Cu(II) из водных растворов сульфатов. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. - Изотерма сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриламидом

Полученные экспериментальные данные описаны уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра:

(5)

где А_? - 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.

Линеаризация изотермы сорбции позволяет графически определить в уравнении Ленгмюра величины А и К из опытных данных по распределению исследуемого сорбата в гетерофазной системе водный раствор - хитозан.

(6)

Результаты обработки изотермы сорбции ионов меди шерстяным волокном по модели Ленгмюра представлены на рисунке 3 и в таблице 1.

Рисунок 3. - Обработка изотермы сорбции ионов меди по модели Ленгмюра

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

Таким образом, как видно из рисунка 3, в координатах С_е/А - С_е наблюдается линейная зависимость с коэффициентом корреляции (R) 0,97. Это говорит о том, что экспериментальные данные по сорбции ионов меди на волокнах модифицированной шерсти хорошо аппроксимируются уравнением Ленгмюра, а из значений величин предельной сорбции (А_?) (табл. 1,), полученных в ходе обработки изотерм сорбции с использованием этого уравнения, следует, что данный сорбент обладает достаточно высокой связывающей способности по отношению к ионам меди.

Исследованы сорбционные свойства сорбента - обработанного акриламидом шерстяного волокна по отношению к ионам Cu(II).

Экспериментальная изотерма сорбции ионов меди обработана в рамках модели сорбции Ленгмюра. Показано, что данная модель позволяет достаточно хорошо, с коэффициентом корреляции 0,97, описать процесс сорбции в линейной форме уравнения. Установлено, что предельная сорбция А_?, полученная с использованием модели Ленгмюра, согласуется с опытными данными. Степень извлечения ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриламидом, составляет 87%, а сорбционная емкость 1,53 моль/кг. Новый сорбент достаточно эффективно извлекает ионы Cu²⁺ из водных растворов, о чем свидетельствуют значения сорбционной емкости и степени извлечения. Полученные экспериментальные данные позволяют рекомендовать использовать сорбент для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов различной природы.

сорбция ион волокно металл

Список литературы

1. 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.

2. 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.

3. Модификация кератина шерсти. Луганский машиностроительный завод.

4. Кокотков Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного бомена. Л.: Химия, 1970. 336 с.

5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1989. 464 с.

Размещено на Allbest.ru