Сорбция ионов меди модифицированным шерстяным волокном

№50-2,

Химические науки

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.

Похожие материалы

Введение

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.

Экспериментальная часть

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 (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}*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}*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}*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 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 параметров, характеризующих сорбционные свойства модифицированного акриламидом шерстяного волокна, была получена кинетическая кривая сорбции ионов Cu(II). Результаты эксперимента на рисунке 1.

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

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

Полученные экспериментальные данные описаны уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра:

A=\frac{A_\infty*K*C_e}{1+K*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.

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*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 по модели Ленгмюра
Рисунок 3. – Обработка изотермы сорбции ионов меди по модели Ленгмюра

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

Катион металла

1/А¥×К

1/А¥

Коэффициент корреляции

А¥, моль/кг

Cu(II)

0,0048 ± 3×10-4

0,67 ± 0,02

0,97

1,53

Таким образом, как видно из рисунка 3, в координатах Се/А – Се 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.

Выводы

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.

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. [Электронный ресурс]. 2013. URL: http://pavelpp.ru/644.html (Дата обращения 8.04.2016).
  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.