Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 541.128

Исследование свойств наноструктурного адсорбента

Аннотация

Использование сорбентов для извлечения из воды ионов тяжёлых металлов является одним из эффективных методов очистки водных сред. Для увеличения эффективности извлечения ионов тяжёлых металлов из водных растворов, производят иммобилизацию нановолокон оксогидроксида алюминия на поверхности сорбционного носителя. Однако в литературе недостаточно описаны сорбционные свойства материалов, модифицированных нановолокнами оксогидроксида алюминия. В данной работе была исследована морфология поверхности модифицированного сорбента, определены его удельная поверхность и удельный объём пор, а также изучены сорбционные характеристики. Исследование показало, что на поверхности минерального носителя находятся иммобилизованные нановолокна оксогидроксида алюминия и определены их размеры. Доказано, что с увеличением фракционного состава образца сорбента, уменьшается его удельная поверхность и удельный объём пор. В результате сорбционных исследований удалось определить у полученного сорбента высокую степень извлечения ионов Cu2+, Pb2+ и Fe3+ из модельных растворов.

Ключевые слова: адсорбент; очистка воды; свинец; оксогидроксид алюминия; цеолит; медь; наноструктурный сорбент; оксогидроксид железа; нановолокно; железо. металл адсорбент нановолокно алюминий

Abstract

Sorbents are widely used for the extraction of heavy metals as one of the effective methods of water purification. However, properties of materials modified with nanofibers of oxohydroxide aluminum insufficiently described in the literature. Here we present results of the surface morphology investigation of the modified sorbent and its sorption characteristics. Nanofibers of oxohydroxide of aluminum were immobilized on the surface of the sorbent to increase the efficiency of extraction of heavy metal ions from aqueous media. Surface immobilized nanofibers and their sizes were determined. It proved that with the increase of the fractional composition of the sample of the sorbent decreases its specific surface area and specific pore volume. Sorption studies showed sorbent has a high degree of extraction of ions of Cu2+, Pb2+ and Fe3+ from model solutions.

Keywords: adsorbent; water purification; lead; aluminum oxohydroxide; zeolite; copper; nanostructured sorbent; iron oxohydroxide; nanofibers; iron.

Введение

На протяжении последних десятилетий проблема загрязнения гидросферы Земли химическими веществами, представляет серьёзную угрозу для человека [1, 2]. Среди присутствующих в водных средах химических веществ, тяжёлые металлы представляют особую опасность [3]. Ионы тяжёлых металлов, находящиеся в воде, при попадании в организм человека способны к биоаккумуляции в тканях организма. При достижении определённой концентрации в организме, тяжёлые металлы могут вызвать отравления и мутации. Ионы тяжёлых металлов оседают на стенках тончайших систем организма, а также засоряют каналы печени и почечные каналы, что приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток организма, то есть самоотравление организма. Среди различных методов очистки воды от ионов тяжёлых металлов, таких как: мембранный метод, химическая нейтрализация, сорбция, ионный обмен, в последние годы всё чаще в практике водоочистки используются сорбенты с модифицированным зарядом поверхности [4].

Целью данной работы является исследование наноструктурного сорбционного материала на основе природного цеолита, модифицированного нановолокнами оксогидроксида алюминия и оксогидроксидом железа и определение его физико-химических характеристик и сорбционных свойств, при извлечении ионов Pb²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺ из модельных растворов.

Материалы и методы исследования. Для оценки морфологии модифицированной поверхности у исследуемых образцов сорбентов использовали метод просвечивающей электронной микроскопии (просвечивающий электронный микроскоп JEM-100-CXII (JEOL, Япония). При действии электронного пучка на образец сорбента электроны, которые проходят рядом с атомами вещества сорбента, отклоняются в направлении, которое определяется свойствами исследуемого образца. Этим объясняется определяемый контраст изображения. При изменении направления и энергии, электроны претерпевают неупругое рассеяние, будучи поглощённые исследуемым образцом или не взаимодействуя с сорбентом при прохождении. При поглощении электронов исследуемым образцом сорбента образуется рентгеновское или световое излучение, или выделяется тепло. Если частица исследуемого сорбента достаточно тонкая, то количество рассеянных электронов небольшое. Конструкции современных микроскопов позволяют использовать для получения изображения все возникающие эффекты, которые проявляются при действии электронного луча на объект.

Для оценки величины площади удельной поверхности (S_уд) и значения удельного объема пор (Р) использовали метод тепловой десорбции азота на анализаторе «СОРБТОМЕТР М». Измерение величины удельной поверхности с различными парциальными давлениями газаадсорбата осуществляет прибор «СОРБТОМЕТР М», по методу БЭТ в соответствии с ГОСТ 23401-90 и методу STSA, в результате чего возможно определять суммарный объем мезо- и макропор и объем микропор исследуемых образцов сорбентов.

Сорбция ионов Pb²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺ проводилась в статическом режиме, при перемешивании на магнитной мешалке. Для проведения эксперимента брали навеску исследуемого образца массой (m) 1 г, помещали её в стеклянный стакан (V= 100 см³), заливали 100 см³ раствора (V) с начальной концентрацией, С₀) Pb²⁺ = 2,49 мг/дм³, (С₀) Fe³⁺ = 10,37 мг/дм³ и (С₀) Cu²⁺ = 2,53 мг/дм³. Модельные растворы готовили на дистиллированной воде с использованием государственных стандартных образцов растворов ионов свинца, меди и железа. pH исходных растворов было следующим: Fe³⁺ - 2,4, Cu²⁺ - 5,1, Pb²⁺ - 5,2. Процесс осадительной сорбции для исследуемого образца проводили при времени контакта: 0,5, 1, 5, 15, 30, 60 и 150 минут. После проведения процесса сорбции, раствор отделяли от сорбента на бумажном фильтре «синяя лента» и определяли равновесные концентрации адсорбатов (С_р). Концентрации ионов Pb²⁺, Cu²⁺, определяли методом инверсионной вольтамперометрии [5], а концентрацию ионов Fe³⁺ анализировали фотоколориметрически.

Результаты и их обсуждение. Для изучения поверхности исследуемого образца наноструктурного сорбционного материала применяли метод просвечивающей электронной микроскопии. На рисунке 1 представлен образец сорбента на основе природного цеолита Чугуевского месторождения (размер фракции менее 0,1 мм), модифицированного нановолокнами оксогидроксида алюминия и оксогидроксидом железа, при увеличении в 10000 раз. На поверхности цеолита и на поверхности скоплений оксогидроксида железа видны иммобилизованные нановолокна оксогидроксида алюминия, с размером волокон 50-200 нм в длину и в ширину 2 нм.

Рисунок 1. Микрофотография образца сорбционного материала на основе природного цеолита с частицами оксогидроксида железа и нановолокнами оксогидроксида алюминия (увеличение в 10000 раз).

Были определены структурные характеристики образцов исследуемого сорбционного материала. В таблице представлены величина удельной поверхности (S_уд) и удельный объём пор (Р) у полученных образцов сорбентов.

Таблица. Величина удельной поверхности и удельный объём пор исследуемого сорбционного материала при разном гранулометрическом составе

Из результатов, представленных в таблице видно, что с увеличением размера частиц исследуемого образца сорбента, снижается его величина удельной поверхности и удельный объём пор.

При использовании исследуемого сорбента в процессе статической сорбции, была определена степень извлечения ионов Pb²⁺ из модельного раствора, при различном времени контакта. Сорбционные свойства исследуемого материала представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Эффективность сорбции ионов Pb²⁺ из модельного раствора образцами наноструктурного адсорбента

На графике (рисунок 2) видно, что наилучшие свойства при извлечении ионов Pb²⁺ из модельного раствора показывает образец с размером фракции менее 0,1 мм. Самые низкие сорбционные свойства демонстрирует образец с размером фракции 3-5 мм. При 60 минутах процесса, сорбционные свойства всех исследуемых образцов практически одинаковые.

На рисунке 3 представлены экспериментальные результаты по исследованию сорбционных свойств наноструктурного адсорбента при извлечении ионов Fe³⁺ из модельного раствора.

Рисунок 3. Эффективность сорбции ионов Fe³⁺ из модельного раствора образцами наноструктурного сорбента

Согласно экспериментальным данным, представленным на рисунке 3 - наилучшие свойства при извлечении ионов Fe³⁺ из модельного раствора проявляет фракция с размером частиц менее 0,1 мм. Более низкую сорбционную эффективность демонстрирует образец с размером фракции 3-5 мм.

Сорбционные характеристики наноструктурного материала при извлечении ионов Cu²⁺ из модельного раствора показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Эффективность сорбции ионов Cu²⁺ из модельного раствора образцами наноструктурного адсорбента

На графике видно, что у образцов с размером фракции менее 0,1 мм и 1,5-2,5 мм сорбционные характеристики практически одинаковые. Образец сорбента с гранулометрических составом 3-5 мм показывает гораздо более низкие свойства, при извлечении ионов Cu²⁺ из модельного раствора.

Выводы. При исследовании морфологии поверхности образцов сорбента, установлено, что оксогидроксид алюминия, иммобилизованный на поверхности цеолита находится в виде нановолокон, а оксогидроксид железа в виде отдельных агломератов.

Изучение адсорбционных свойств исследуемого сорбента позволило выявить наиболее эффективный образец при извлечении ионов Pb²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺ из модельных растворов. Этот образец с размером частиц менее 0,1 мм имеет наилучшие сорбционные характеристики и наибольшую величину удельной поверхности и удельного объёма пор.

Работа выполнена в рамках госзадания "Наука" Министерства образования и науки РФ при поддержке гранта РФФИ № 15-04-01110.

Литература

1. Беляев Р. А. Водоснабжение и санитарная техника. - М.: Издательство, 1999. - 246 с.

2. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка. - М.: Изд-во МГУ, 1996. - 680 с.

3. Тягунов Г. В., Ярошенко Ю. Г. Экология: учебник - М.: Интермет Инжиниринг, 2000. - 300 с.

4. Мартемьянов Д. В., Галанов А. И., Юрмазова Т. А. Определение сорбционных характеристик различных минералов при извлечении As⁵⁺, Cr⁶⁺, Ni²⁺ из водных сред // Фундаментальные исследования № 8 (часть 3), 2013 год, с. 666-670.

5. Скачков В. Б. Измерение массовой концентрации химических веществ методом инверсионной вольтамперометрии: Сборник методических указаний - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. - 271 с.

1. Belyaev R. A. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika. - M.: Izdatel'stvo, 1999. - 246 s.

2. Frog B. N., Levchenko A. P. Vodopodgotovka. - M.: Izd-vo MGU, 1996. - 680 s.

3. Tyagunov G. V., Yaroshenko Yu. G. Ekologiya: uchebnik - M.: Intermet Inzhiniring, 2000. - 300 s.

4. Martem'yanov D. V., Galanov A. I., Yurmazova T. A. Opredelenie sorbtsionnykh kharakteristik razlichnykh mineralov pri izvlechenii As5+, Cr6+, Ni2+ iz vodnykh sred // Fundamental'nye issledovaniya № 8 (chast' 3), 2013 god, s. 666-670.

5. Skachkov V. B. Izmerenie massovoy kontsentratsii khimicheskikh veshchestv metodom inversionnoy vol'tamperometrii: Sbornik metodicheskikh ukazaniy - M.: Federal'nyy tsentr gossanepidnadzora Minzdrava Rossii, 2003. - 271 s.

Размещено на Allbest.ru