Очистка водных сред от ионов тяжелых металлов модифицированным кератином шерсти

NovaInfo 58, с.74-80, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

Представлены результаты исследования процесса сорбции ионов Cu(II) с помощью шерстяного волокна, модифицированного акриловой кислотой. 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.

Ключевые слова

ШЕРСТЯНОЕ ВОЛОКНО, ИОНЫ МЕДИ, СОРБЦИЯ

Текст научной работы

Введение

Тяжелые металлы попадают в природные воды со стоками различных предприятий. Они относятся к консервативным веществам, проявляющим канцерогенные, мутагенные, тератогенные свойства и наносят непоправимый ущерб всему живому [1].

Тяжелые металлы содержатся в организме человека в очень маленьких количествах. Это неопасно, некоторые металлы даже включены в состав витаминно-минеральных комплексов, а значит, они необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Но накопление в организме тяжелых металлов может привести к негативным последствиям.

Тяжелыми металлами считаются: ртуть, свинец, кадмий, хром, алюминий, железо, цинк, медь, марганец, стронций, мышьяк, никель, таллий. Тяжелые металлы могут попасть в организм через кожу, воздушно-капельным путем или через желудочно-кишечный тракт. В избыточном количестве тяжелые металлы способны изменять структуру белков и нуклеиновых кислот, влиять на обмен веществ, вызывать мутации, нарушать структуру и проницаемость клеточных мембран, вызывать нарушение работы внутренних органов. Фактически тяжелые металлы ведут к замедлению роста, ослаблению репродуктивной функции, заболеваниям и смерти [2].

Тяжелые металлы чаще всего попадают в организм вместе с пищей. Это могут быть овощи, выращенные с применением недопустимых химических удобрений, или рыба, выловленная в водоеме с высокой концентрацией тяжелых металлов, или вода, зараженная отходами горнорудных или горноперерабатывающих предприятий [3]. Кроме того, в группу риска попадают люди, работающие на предприятиях, имеющих дело с тяжелыми металлами: работники горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, типографий, шахтеры, металлурги.

В связи с этим необходима доочистка сточных вод и контроль за содержанием металлов в окружающей среде. Определение металлов в большинстве случаев основано на их предварительном концентрировании и отделении от макрокомпонентов. Наиболее эффективным среди методов концентрирования является сорбционный, который позволяет проводить выделение металлов из больших объемов растворов на относительно небольшой массе сорбента. В качестве твердой фазы применяют минеральные и органические сорбенты, иониты, активированные угли.

На сегодняшний день большой интерес представляет разработка сорбентов на основе многотоннажных побочных продуктов или отходов сельского хозяйства, целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности. Данные материалы имеют более низкую стоимость, доступны и просты по способам утилизации, обладают достаточно высокими сорбционными характеристиками по широкой гамме металлов-загрязнителей и являются экологически чистыми [4, 5, 6].

Среди природных органических волокон наиболее важным является шерсть различных животных (овец, коз, верблюдов, ламы и др.). В отличие от целлюлозных волокон шерстяное обладает сложным морфологическим строением. В элементарном волокне шерсти выделяют три слоя: чешуйчатый, корковый, сердцевинный. Шерсть обладает теплоизоляционными, упруго-эластическими свойствами, которые реализуются через основное белковое вещество шерсти — кератин [7]. Кератин — это система межклеточных фибриллярных протеинов, стабилизированных дисульфидными мостиками. Наличие поперечных ковалентных связей делает кератин нерастворимым в воде и других полярных растворителях.

Использование кератина шерсти для очистки отходов сточных вод, полученного на разных стадиях переработки шерстяного сырья применяется как перспективное направление. Повысить сорбционную емкость шерсти по отношению к ионам тяжелых металлов представляется возможным с помощью химической и физико-химической модификации.

Целью данной работы является разработка сорбента с улучшенными сорбционными свойствами путем химического модифицирования шерстяного волокна, а также исследование закономерностей процесса очистки водных растворов от ионов Сu2+ с участием полученного сорбента.

Экспериментальная часть

Для получения сорбента с улучшенными сорбционными свойствами, проводят модифицирование шерстяного волокна с помощью синтеза привитых сополимеров [8]. Метод основан на реакции свободнорадикальной полимеризации. В результате реакции образуется сополимер, у которого основная цепь макромолекулы состоит из полипептидной цепи, к звеньям которого привиты боковые цепи, состоящие из структурных единиц другого полимера: для образования цепочек полимера используют винильные мономеры (CH2 = CHR) в виде акриловой кислоты.

Механизм модифицирования проходит в две стадии:

На первой стадии шерстяное волокно обрабатывают при модуле М = 50 водным раствором соли Мора (при 20°С и рН 5-5,5 в течение 1,5-2 ч). При снижении рН замедляется сорбция железа волокном, а при повышении — ускоряется процесс окисления железа кислородом воздуха.

На второй стадии протекает реакция привитой сополимеризации. Для этого волокно обрабатывают в ванне, содержащей 10 г/л акриловой кислоты и 0,2 г/л 30% Н2О2 в течение 30 мин при 70°С и М = 50.

Кинетику сорбции ионов Cu2+ исследуют в статических условиях методом ограниченного объема раствора [9]. 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 (Со) ионов металлов составляла 1,5×10-4 моль×л-1. Через определенные промежутки времени раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов металлов (Сτ) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «Сатурн».

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

A_\tau=\frac{C_0-C_\tau}{m}\cdot V (1)

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

A_p=\frac{C_0-C_e}{m}\cdot V (2)

Степень извлечения α и коэффициент распределения ионов металлов между сорбентом и раствором КD определяли следующим образом:

\alpha=\frac{C_0-C_tau}{C_0}\cdot 100 (3)

K_D=\frac{A_tau}{C_e} (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 1,5×10-4 — 8×10-3 моль×л-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 равновесно-кинетических характеристик образцов сорбента были получены кинетические кривые сорбции ионов Cu(II) из водного раствора CuSO4. Результаты эксперимента представлены на рисунке 1.

Кинетика сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриловой кислотой
Рисунок 1. Кинетика сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриловой кислотой

Согласно полученным данным шерстяное волокно сравнительно эффективно сорбирует ионы меди что объясняется наличием в модифицированном сорбенте новых функциональных групп. Кинетические исследования показали, что время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла — сорбент составляет 75 минут.

Для определения максимальной сорбционной емкости (А¥) шерстяного волокна была получена изотерма сорбции ионов Cu(II) из водного раствора при 293 К (рисунок 2).

Изотерма сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриловой кислотой
Рисунок 2. Изотерма сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриловой кислотой

Полученные экспериментальные данные описаны уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра:

A=\frac{A_\infty\cdot K\cdot C_e}{1+K\cdot C_e} (5)

где АR — предельная или максимальная сорбционная емкость полимера по данному металлу, моль/кг; К — концентрационная константа сорбционного равновесия, характеризующая интенсивность процесса сорбции, л/моль; Се — равновесная концентрация сорбата, моль/л [10].

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.

\frac{C_e}{A}=\frac{C_e}{A_\infty}+\frac{1}{A_\infty\cdot K} (6)

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

Обработка изотермы сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриловой кислотой по модели Ленгмюра
Рисунок 3. Обработка изотермы сорбции ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриловой кислотой по модели Ленгмюра
Таблица 1. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Cu(II) по модели Ленгмюра методом наименьших квадратов

Наименование образца

Катион металла

1/А¥×К

1/А¥

Коэффициент корреляции

А¥, моль/кг

Шерсть (обработка акриловой кислотой)

Cu(II)

0,006±3×10-4

0,72± 0,02

0,97

1,4

Таким образом, как видно из рис. 3 в координатах Се/А — Се наблюдается линейная зависимость с коэффициентами корреляции (R) 0,97. Это говорит о том, что экспериментальные данные по сорбции ионов меди на волокнах 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 сравнительно высокой связывающей способностью по отношению к ионам меди.

Выводы

Исследованы сорбционные свойства кератина шерсти, обработанного акриловой кислотой по отношению к ионам Cu2+. Определены равновесно-кинетические характеристики сорбента: время достижения сорбционного равновесия составляет 75 мин. Степень извлечения ионов меди шерстяным волокном, модифицированным акриламидом, составляет 76%, а сорбционная емкость 1,41 моль/кг.

Экспериментальные данные по сорбции ионов меди на шерстяном волокне хорошо аппроксимируются уравнением Ленгмюра. и в ходе обработки изотерм сорбции, следует, что данный сорбент обладает сравнительно высокой связывающей способностью по отношению к ионам меди.

Полученные экспериментальные данные позволяют рекомендовать использовать сорбент для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов различной природы.

Читайте также

Список литературы

  1. Богдановский, Г. А. Химическая экология : Учебное пособие для вузов по направлению"Экология и природопользование",специальности "Экология" / Г. А. Богдановский. – М. : Изд-во МГУ, 1994 . – 237 с. : 4800.00 .
  2. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е., Мелихова О. П. Экология: учебник для вузов. 3-е изд. М.: Дрофа, 2004. 624 с.
  3. Витол И.С., Коваленок А.В., Нечаев А.П. Безопасность продовольственного сырья и продуктов питания. Учебник. М.: ДеЛи принт, 2013. 352 с.
  4. Никифорова, Т.Е., Козлов В.А., Родионова М.В. Сорбция ионов меди модифицированным белково-целлюлозным комплексом барды // Химия растительного сырья. - 2008. - №4. - С. 41-46.
  5. Никифорова, Т.Е., Козлов В.А., Багровская Н.А., Натареев С.В. Сорбционные свойства льняного волокна, модифицированного плазмой / Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, Н.А. Багровская, С.В. Натареев // Журнал Прикладной Химии. - 2008. - Т. 81, Вып. 7. - С. 1096-1100.
  6. Никифорова, Т.Е. Сорбция ионов Cu(II) соевым шротом, модифицированным монохлорацетатом натрия / Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов // Журн. Прикл. Химии. - 2008. - Т. 81, Вып. 2. - С. 428-433.
  7. Александер, П.В. Физика и химия шерсти. Пер с англ. / П. В. Александер, Р. Ф. Хадсон.- М.: Химия, 1958. – 288 с.
  8. Модификация кератина шерсти. Луганский машиностроительный завод. [Электронный ресурс]. 2013. URL: http://pavelpp.ru/644.html (Дата обращения 8.04.2016).
  9. Кричевский, Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: Учеб. для вузов в 3-х т., Т.1. М., 2000.436с.
  10. Гарцева, Л.А. Лабораторный практикум по химической технологии текстильных материалов: учеб. пособие/ Л.А. Гарцева. – Иваново:ИГТА, 2011. – 136с.

Цитировать

Кузьмина, М.В. Очистка водных сред от ионов тяжелых металлов модифицированным кератином шерсти / М.В. Кузьмина. — Текст : электронный // NovaInfo, 2017. — № 58. — С. 74-80. — URL: https://novainfo.ru/article/10899 (дата обращения: 22.05.2022).

Поделиться