Модифицирование хлопковой целлюлозы сульфаниловой кислотой

№50-1,

Химические науки

Представлены результаты модифицирования хлопковой целлюлозы с помощью сульфаниловой кислоты. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод об увеличении сорбционных свойств сорбента по отношению к ионам тяжелых металлов в водных средах. Эффективность сорбции подтверждена методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Похожие материалы

Введение

В настоящее время во многих странах мира остро стоит проблема ухудшения качества питьевой воды. На протяжении многих лет качество воды ухудшается в основном за счет антропогенной деятельности, а также быстрой индустриализации и неквалифицированного использования водных ресурсов. Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами. Среди опасных для здоровья веществ тяжелые металлы и их соединения занимают особое место, так как являются постоянными спутниками в жизни человека.

Растущий масштаб загрязнений тяжелыми металлами вызывает рост количества раковых и сердечно-сосудистых заболеваний, различных отравлений. Воздействие тяжелых металлов на организм человека особенно опасно в долгосрочной перспективе влияния этих элементов.

Сорбционный метод очистки водных растворов различной природы является одним из наиболее эффективных. Высокая стоимость традиционных сорбентов, применяемых для очистки вод от тяжелых металлов, сдерживает их широкое применение [1]. Важность данной проблемы подтолкнула многих исследователей к разработке альтернативных сорбентов, которые могут быть использованы для удаления ионов тяжелых металлов из различных водных сред. Особый интерес вызывают материалы, получаемые из возобновяемых источников, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно используемыми сорбентами [2-6]. Такие материалы зачастую оказываются надежными, экономически обоснованными и экологически безопасными сорбентами. Одним из таких материалов является хлопковая целлюлоза, химическая модификация которой позволяет получать эффективные по отношению к разным загрязнителям сорбенты [7].

Целью данной работы является модификация хлопковой целлюлозы сульфаниловой кислотой и изучение эффективности полученного сорбента по отношению к ионам тяжелых металлов.

Экспериментальная часть

В качестве объекта для модификации была выбрана хлопковая целлюлоза, которая имеет влажность 8%. Для очистки от примесей ее предварительно кипятили с 5 % раствором NaHCO3 и высушивали до постоянного веса.

Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исследовали в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора. Для получения кинетических кривых в серию пробирок помещали навески сорбента массой по 0,10 г, заливают их 10 см3 водного раствора сульфата металла и выдерживали от 5 мин до 24 ч при перемешивании и температуре 273 К. Начальная концентрация (C0) ионов металлов составляла 1,5·10-4 моль/л. Через определенные промежутки времени раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов металлов (С) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе 210VGP.

Сорбционную емкость (А) сорбентов рассчитывали по формуле (1):

A=\frac{C_0-C}{m}\cdot V (1)

Степень извлечения α определяли следующим образом:

\alpha=\frac{C_0-C}{C_0}\cdot 100\% (2)

Результаты и их обсуждение

Для определения параметров, характеризующих сорбционные свойства сорбента, были получены кинетические кривые сорбции ионов Cu(II), Zn(II). Как показали кинетические исследования, равновесие в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла – хлопковая целлюлоза устанавливается в течение 45 мин. Степень извлечения ионов меди и никеля из растворов их солей с концентрацией 1,5×10-4 моль/л в условиях равновесия составляет 57,6 % и 54,0 % соответственно (рис. 1, кривые 1, 2).

 Кинетические кривые сорбции ионов Cu<sup>2+</sup> (1) и Ni<sup>2+</sup> (2) нативной целлюлозой.
Рисунок 1. – Кинетические кривые сорбции ионов Cu2+ (1) и Ni2+ (2) нативной целлюлозой.
 Кинетические кривые сорбции ионов Cu<sup>2+</sup> (1) и Ni<sup>2+</sup> (2) модифицированной целлюлозой.
Рисунок 2. – Кинетические кривые сорбции ионов Cu2+ (1) и Ni2+ (2) модифицированной целлюлозой.

Полученные результаты свидетельствуют о сравнительно невысоких сорбционных характеристиках нативной целлюлозы. С целью их улучшения была проведена химическая модификация природного сорбента.

Модификация целлюлозы проводилась в два этапа:

  • окисление хлопковой целлюлозы метаперйодатом натрия с образованием диальдегидцеллюлозы;
  • взаимодействие диальдегидцеллюлозы с натриевой солью сульфаниловой кислоты с образованием модифицированной целлюлозы[8].

Исследование кинетики сорбции ионов Cu2+ и Ni2+ из водных растворов их сульфатов показало, что время достижения равновесия в системе водный раствор – модифицированный сорбент составляет 5 мин, что практически на порядок ниже, чем для исходного образца. При этом степень извлечения ионов металлов составляет 95,0 % и 80,5 % соответственно для Cu2+ и Ni2+ (рис. 2, кривые 1, 2), т.е. увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с нативной целлюлозой. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что модификация целлюлозы приводит к значительному улучшению сорбционных характеристик сорбента.

Следует предположить, что в процессе модифицирования нативной целлюлозы натриевой солью сульфаниловой кислоты на поверхности сорбента происходит закрепление сорбционно – активных групп. Для подтверждения этого предположения с помощью элементного анализатора FLASH TM 1112 был исследован элементный состав образцов модифицированных сорбентов, полученных в результате обработки целлюлозы водными растворами сульфаниловой кислоты различной концентрации. Данные, представленные в табл. 1, свидетельствуют, что с увеличением концентрации раствора натриевой соли сульфаниловой кислоты в процессе модифицирования возрастает содержание серы в модифицированной целлюлозе, а, следовательно, и содержание сорбционно – активных групп. Это и обусловливает рост сорбционной активности целлюлозы, модифицированной натриевой солью сульфаниловой кислоты, по сравнению с нативной целлюлозой.

Таблица 1. Влияние концентрации C6H6NSO3Na на содержание в сорбенте серы и сорбционно – активных групп - SO3Na

Концентрация раствора C6H6NSO3Na, %

Содержание серы, %

Содержание групп - SO3Na, моль/кг

0,25

0,02

0,006

0,5

0,06

0,019

0,75

0,12

0,038

1

1,76

0,550

2

2,56

0,800

5

3,03

0,947

Выводы

Исследованы сорбционные свойства нативного и модифицированного полисахаридного сорбента по отношению к ионам Cu2+ и Ni2. Обнаружено, что модификация целлюлозы позволяет увеличить степень извлечения ионов тяжелых металлов с 57,6 % до 95,0 % (для ионов меди) и с 54,0 % до 80,5 % (для ионов никеля). Кроме того, время извлечения ионов тяжелых металлов сокращается с 45 до 5 мин. Таким образом, путем химического модифицирования хлопковой целлюлозы разработан новый эффективный сорбент, предназначенный для очистки воды и водных растворов от ионов тяжелых металлов.

Список литературы

  1. Wan Ngah W.S. Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents: A review // Bioresource Technology. 2008. Vol. 99. Р. 35–48.
  2. Осадченко И.М. Новые сорбенты на основе побочных продуктов переработки растительного сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - № 8. - С. 64–65.
  3. A. Bhatnagar, V.J.P. Vilar, C.M.S. Botelho, R.A.R. Boaventura. A review of the use of red mud as adsorbent for the removal of toxic pollutants from water and wastewater // Environmental Technology. 2011. Vol. 32. P. 231-249.
  4. A. Bhatnagar, A.K. Minocha. Biosorption optimization of nickel removal from water using Punica granatum peel waste // Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2010. Vol. 76. P. 544–548.
  5. M. Basu, A.K. Guha, L. Ray. Biosorptive removal of lead by lentil husk. // J. Environ. Chem. Eng. 2015. Vol. 3(2). P. 1088-1095.
  6. K.M. Sreenivas, M.B. Inarkar, S.V. Gokhale, S.S. Lele. Re-utilization of ash gourd (Benincasa hispida) peel waste for chromium(VI) biosorption: equilibrium and column studies // J. Environ. Chem. Eng. 2014. Vol. 2. P. 455–462.
  7. Гайнуллина А.М., Никифорова Т.Е. Модифицирование хлопковой целлюлозы лимонной кислотой // Novainfo. - 2015. - №31-1. - С. 21-31.
  8. Никифорова Т.Е. Исследование влияния окислительно-бисульфитной модификации хлопковой целлюлозы на ее ионообменные свойства / Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов // ЖОХ. - 2011. - Т. 81, Вып. 10. - С. 1683-1689.