Исследование процесса сорбции ионов хрома (III) на хитозане и его модифицированных образцах

NovaInfo 71, с.16-24, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Язык: Русский
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

Представлены результаты исследования процесса сорбции ионов Cr(III) хитозаном и его модифицированными образцами. Проведена модификация хитозана эпихлоргидрином и этиленгликолем. Были определены равновесно-кинетические характеристики полученных модифицированных образцов. Выяснено, что время достижения сорбционного равновесия при использовании модифицированного сорбента не изменяется и составляет 240 минут, а величина предельной сорбции (A∞) увеличивается в 2 раза по сравнению с A∞ исходного образца.

Ключевые слова

ХИТОЗАН, ИОНЫ ХРОМА(III), СОРБЦИЯ

Текст научной работы

Введение

На всех стадиях развития человек был тесно связан с природой. Но по мере появления и формирования индустриального общества все чаще проблемой современного мира становится загрязнение окружающей среды.

ХХ век дал множество полезных открытий, которые продвинули человечество на много шагов вперед. К сожалению, все достижения имеют обратную сторону медали, и научные открытия — не исключение. На деле технологический прорыв таит в себе много зол. За все приходится платить свою цену, и, приоткрывая заветную крышку, в надежде стать обладателями несметных сокровищ, мы все больше усугубляем свое положение. Миллионы тонн химических и радиоактивных отходов, ядовитые пары и газы — вот они, следы человеческого развития. Это все нарушает естественный баланс природы и вызывает перегрузку экосистем, что необратимо приводит к губительным процессам, происходящим в природной среде.

Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких, и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук, радиоактивность и т.п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем [1].

Одним из главных загрязнителей биосферы являются тяжелые металлы. Главными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются предприятия по производству цветных металлов и сплавов, нефтепереработки, автомобильный транспорт, химическая промышленность, тепловые электростанции, работающие на угле, бытовые отходы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Определенную опасность для окружающей среды представляют атмосферные выбросы тепловых электростанций. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения, и переходит в почву [2].

Разработка месторождений полезных ископаемых, обогащение руд, их транспортировка и накопление отходов промышленными предприятиями привели к обогащению почв такими микроэлементами, как хром, ртуть, кадмий, стронций, бериллий, никель, цинк, медь, свинец, которые аккумулируются, в основном, в верхнем слое почвы ~ 3-5 сантиметров. Загрязнение почв тяжелыми металлами отрицательно сказывается на росте и развитии растений. Возможны случаи вынужденного поступления вредных для жизнедеятельности растений элементов или необходимых им элементов, но в количествах, токсичных для их развития, вследствие чего возникают своеобразные патологические формы, нарушается цикл развития растения, а в ряде случаев наблюдается и его гибель.

Растения являются пищей для человека, таким образом, тяжелые металлы могут попадать в организм человека.

Тяжелые металлы опасны тем, что способны накапливаться, и образовывать высокотоксичные металлосодержащие соединения, и вмешиваться в метаболический цикл живых организмов, вызывая у человека и животных ряд заболеваний. Помимо того, что определенное количество тяжелых металлов поступает в пищевые продукты из перерабатываемого сырья (при антропогенном загрязнении почв, воздуха, воды), токсичные элементы могут попасть в пищевые продукты во время технологического процесса (из материала оборудования, в котором проводится обработка и хранение сырья), из вводимых в пищу добавок [3].

Не стоит забывать о том, что наша Земля не приспособлена для поглощения «удобств» цивилизации, поэтому на сегодняшний день ведутся разработки уже не новых химически опасных веществ, а их нейтрализаторов.

Новейшие препараты или культуры микроорганизмов призваны не только не нанести вред, но и способствовать быстрейшему разложению на безопасные элементы тех веществ, которые планируется применять.

В последние годы большой интерес представляет разработка сорбентов на основе многотоннажных побочных продуктов или отходов сельского хозяйства, текстильной, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности [4, 5].

Так, например, высокими сорбционными свойствами обладает хитозан, вырабатываемый из хитина. Хитин — линейный аминополисахарид, состоящий из N-ацетил-2-амино-2-дезокси-D-гликопиранозных звеньев. По химической структуре он близок к целлюлозе и уступает ей только по распространенности в природе. Хитин обладает двумя гидроксильными группами, одна из которых у С-3 вторичная, а вторая у С-6 — первичная. По этим функциональным группам может быть осуществлено получение производных, аналогичным соответствующим производным целлюлозы [6].

Хитозан получают из хитина деацетилированием с помощью щелочей. Деацетилирование — это реакция обратная ацетилированию, т.е. замещение атомом водорода ацетильной группы СН3СО.

Схема получения хитозана из хитина
Рисунок 1. Схема получения хитозана из хитина

Реакция деацетилирования сопровождается одновременным разрывом гликозидных связей полимера. Таким образом, хитозан представляет собой полидисперсный по молекулярной массе полимер D-глюкозамина, содержащий 5-15% ацетамидных групп, а также до 1% групп, соединенных с аминокислотами и пептидами.

Хитозан имеет дополнительную реакционноспособную функциональную группу NH2, поэтому на хитозане возможно получение N-производных различного типа. Наличие реакционноспособных функциональных групп в структуре молекул хитина и хитозана обеспечивает возможность получения разнообразных химических модификаций, пригодных для использования в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и т.п [6].

Экспериментальная часть

В данной работе были исследованы сорбционные свойства исходного и модифицированного хитозана. При модификации сорбента был выбран коллоидный диоксид кремния, который выступал в роли каркаса, на который наносился раствор хитозана.

С целью улучшения сорбционных свойств хитозана, проводили его модифицирование по следующей методике: сорбент на основе хитозана и коллоидного диоксида кремния был получен в виде гранул, в процессе ковалентной сшивки. Для этого готовили 3% раствор хитозана, в 1% растворе уксусной кислоты, интенсивно перемешивая, до образования густого однородного геля. Отбирали пробу полученного раствора и смешивали с дистиллированной водой, содержащей коллоидный диоксид кремния. Перемешивали полученную смесь при помощи магнитной мешалки в течение часа. После перемешивания в смесь постепенно добавляли сшивающие агенты — эпихлоргидрин и этиленгликоль. Приготовленную таким образом смесь, с помощью шприца, по каплям, помещали в раствор триполифосфата натрия при постоянном перемешивании. Образовавшийся композит выдерживали в течение 5 часов при комнатной температуре. Затем промывали дистиллированной водой до нейтрального значения рН [7].

Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исследуют в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора [8].

Для получения кинетических кривых сорбции в серию пробирок помещали навески (m) сорбента по 0,1 г, заливали их 10 мл (V) водного раствора хлорида хрома и выдерживали от 0,5 до 24 часа. Сорбция проводилась при постоянном перемешивании. Начальная концентрация (Со) ионов металлов составляла 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 (Ср) и рассчитывали равновесную сорбционную емкость сорбентов (Ар):

A_p=\frac{C_0-C_p}{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_p}{C_0}\cdot 100 (3)

K_D=\frac{A_p}{C_p} (4)

Для получения изотерм сорбции в серию пробирок помещали навески сорбентов по 0,1 г и заливали их 10 мл водного раствора хлорида хрома с разными начальными концентрациями в диапазоне 5×10-4 — 2,5×10-2 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 Cr(III). Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.

Сравнение кинетических характеристик исходного (1) и модифицированных (2, 3) образцов хитозана: <em>1 — хитозан (исходный образец); 2 — хитозан, (сшивка эпихлоргидрином); 3 — хитозан, (сшивка этиленгликолем)</em>
Рисунок 2. Сравнение кинетических характеристик исходного (1) и модифицированных (2, 3) образцов хитозана: 1 — хитозан (исходный образец); 2 — хитозан, (сшивка эпихлоргидрином); 3 — хитозан, (сшивка этиленгликолем)

Исследование кинетических данных показало, что время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе водный раствор хлорида металла — сорбент составляет 240 минут. При этом степень извлечения ионов тяжелых металлов для исследуемых сорбентов (эпихлоргидрин — 91,5% и этиленгликоль — 96,1%) увеличилась по сравнению с исходным образцом (81,8%).

Для определения максимальной сорбционной емкости (А¥) образцов хитозана (исходного и модифицированного) были получены изотермы сорбции ионов Cr(III) из водного раствора (рисунок 3).

Изотермы сорбции ионов хрома(III) исходным (1) и модифицированными (2, 3) образцами хитозана: <em>1 — хитозан (исходный образец); 2 — хитозан, (сшивка эпихлоргидрином); 3 — хитозан, (сшивка этиленгликолем)</em>
Рисунок 3. Изотермы сорбции ионов хрома(III) исходным (1) и модифицированными (2, 3) образцами хитозана: 1 — хитозан (исходный образец); 2 — хитозан, (сшивка эпихлоргидрином); 3 — хитозан, (сшивка этиленгликолем)

Полученные экспериментальные данные описаны уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра:

A=\frac{A_\infty\cdot K\cdot C_e}{1+K\cdot C_e} (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; Се — равновесная концентрация сорбата, моль/л [9].

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.

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

Результаты обработки изотермы сорбции ионов меди по модели Ленгмюра представлены на рисунке 4 и в таблице 1.

Обработка изотерм сорбции ионов Cr(III): <em>1 — хитозан (исходный образец); 2 — хитозан, (сшивка эпихлоргидрином); 3 — хитозан, (сшивка этиленгликолем)</em>
Рисунок 4. Обработка изотерм сорбции ионов Cr(III): 1 — хитозан (исходный образец); 2 — хитозан, (сшивка эпихлоргидрином); 3 — хитозан, (сшивка этиленгликолем) по модели Ленгмюра
Таблица 1. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Cr(III) по модели Ленгмюра методом наименьших квадратов

Наименование образца

Катион металла

1/А¥×К

1/А¥

Коэффициент корреляции

А¥, моль/кг

Хитозан (исходный образец)

Cr(III)

0,008±3×10-4

0,42± 0,02

0,99

0,85

Хитозан (сшивка эпихлоргидрином)

Cr(III)

0,007±3×10-4

0,34± 0,03

0,99

1,72

Хитозан (сшивка этиленглико лем)

Cr(III)

0,006±4×10-4

0,39± 0,02

0,99

1,81

Таким образом, как видно из рисунка 4, в координатах Се/А — Се наблюдается линейная зависимость с коэффициентами корреляции (R) 0,99. Это говорит о том, что экспериментальные данные по сорбции ионов хрома на хитозане 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 хрома(III).

Выводы

В ходе данной работы был исследован процесс сорбции ионов Cr3+ на хитозане и его модифицированных образцах. Определены равновесно-кинетические характеристики сорбента: время достижения сорбционного равновесия составляет 240 мин.

Экспериментальные изотермы сорбции ионов Cr(III) обработаны в рамках модели сорбции Ленгмюра. Показано, что эта модель позволяет достаточно хорошо описывать процесс сорбции с коэффициентом корреляции 0,99 в линейной форме уравнения.

Величина предельной сорбции увеличивается в процессе модификации (сшивка эпихлоргидрином — 1,72 моль/кг; сшивка этиленгликолем — 1,81 моль/кг) по сравнению с исходным образцом (0,85 моль/кг).

Полученные сорбенты способны эффективно извлекать ионы хрома из водных сред, и могут быть предложены как альтернатива промышленным катионитам для очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов.

Читайте также

Список литературы

  1. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е., Мелихова О. П. Экология: учебник для вузов. 3-е изд. М.: Дрофа, 2004. 624 с.
  2. Кораблева А. Н. Введение в экологическую токсикологию / А. Н. Кораблева, Л. Г. Чесанов, А. Г. Шапарь. – Д.. Центр экономического образования, 2001. – 308 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. 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.
  6. Хитин, хитозан, апизан [Электронный ресурс] URL: http://www.salkova.ru/Product_bee/Hitin/description.php // (Дата обращения 12.09.17).
  7. Dragan, E.S. Preparation and characterization of novel composites based on chitosan and clinoptilolite with enhanced adsorption properties for Cu2+ Text. / E.S. Dragan, M.V. Dinu, D.Timpu // Bioresour Technol. 2010 Jan; 101(2):812-7.
  8. Кокотков Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л.: Химия, 1970. 336 с.
  9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1989. 464 с.

Цитировать

Кузьмина, М.В. Исследование процесса сорбции ионов хрома (III) на хитозане и его модифицированных образцах / М.В. Кузьмина. — Текст : электронный // NovaInfo, 2017. — № 71. — С. 16-24. — URL: https://novainfo.ru/article/13965 (дата обращения: 07.02.2023).

Поделиться