Перспективы применения углеродных адсорбентов для комплексной очистки водных сред - Статья

In this situation it is necessary to provide principal changes of the water supply systems, the population transfer to the underground water supply, wide introduction of distillers, local systems of water purification and potable water conditioning directly at the water-consumers, and also wide use of traditional sources of water supply - springs and wells is necessary. Рекомендована к печати на заседании ученого совета НИИ медицины транспортаПроцесс адсорбции осуществляется на поверхности адсорбента под действием ван дер ваальсовских сил в порах с размерами, соответствующих размерам адсорбирующихся молекул, или за счет сил химического взаимодействия с поверхностными функциональными группами, а также в результате реакций ионного обмена. Со-здание функиональных групп на поверхности делает угли еще более универсальными адсорбентами, поскольку они могут связывать загрязнители путем образования с ними устойчивых химических связей, а также оказывать дезинфицирующее действие на воду за счет выделения в среду различных ионов. Количество образовавшихся на поверхности угля в результате его окисления слабо и сильно кислых функциональных групп определяли путем селективного титрования соляной кислотой образцов угля, предварительно нейтрализованных NAOH, Na2CO3 и NAHCO3. После завершения процесса адсорбции уголь отделяли от раствора фильтрованием. Определение максимальной адсорбционной емкости угля было проведено путем линеаризации изотерм адсорбции в ленгмюровских координатах.

В системе мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность жизнедеятельности человека, очистка водных сред занимает важнейшее место. В последнее время спектр загрязнителей воды существенным образом расширился. Это связано с активным развитием промышленности, увеличением объемов стоков крупных городов, приме-

102 нением удобрений и пестицидов в сельском хозяйстве, расширением ассортимента продукции бытовой химии, мутациями патогенных микроорганизмов. Химическая природа загрязнителей чрезвычайно разнообразна, поэтому весьма затруднительно подобрать универсальный способ борьбы с ними.

В арсенале методов, использующихся для комплексной очистки водных сред, одно из лидирующих мест занимает процесс адсорбции [1].

Использование природных или синтетических адсорбентов позволяет им-мобилизировать большинство из известных типов загрязнителей. Природные адсорбенты широко доступны, дешевы и обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к веществам различной природы. Процесс адсорбции осуществляется на поверхности адсорбента под действием ван дер ваальсовских сил в порах с размерами, соответствующих размерам адсорбирующихся молекул, или за счет сил химического взаимодействия с поверхностными функциональными группами, а также в результате реакций ионного обмена.

Адсорбционные характеристики синтетических углей зависят от сырья, из которого они производятся, и режимов получения. Эти параметры определяют удельный объем поверхности и пористую структуру адсорбентов [2,3]. Традиционное применение углей состоит в адсорбции патогенных микроорганизмов и органических молекул. Для повышения адсорбционной емкости и расширения спектра иммобилизируемых ими веществ поверхность углей модифицируют. Чаще всего это достигается путем ее частичного окисления, которое ведет к созданию слабо и сильно кислых поверхностных функциональных групп [4]. Со-здание функиональных групп на поверхности делает угли еще более универсальными адсорбентами, поскольку они могут связывать загрязнители путем образования с ними устойчивых химических связей, а также оказывать дезинфицирующее действие на воду за счет выделения в среду различных ионов.

При получении из скорлупы кокосового ореха углей специального назначения в них образуется большое количество супермикропор размерами 0,5-1,5 нм. Диаметры пор соизмеримы с размерами ионов и поэтому есть основания предположить, что угли специального назначе-

ACTUAL PROBLEMS OF TRANSPORT MEDICINE O#1 (15), 2009

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТНОЙ МЕДИЦИНЫ O № 1 (15), 2009 г.

ния могут быть использованы для очистки водных сред не только от органических и биологических загрязнителей, но и от катионов тяжелых металлов.

Целью настоящей работы было изучение возможности адсорбции на угле специального назначения катионов тяжелых металлов и установление влияния на этот процесс модифицирования поверхности, определение адсорбционной емкости углей по отношению к различным катионам и подбор оптимальных режимов адсорбции.

Объектом исследования выступал активированный уголь специального назначения, полученный из скорлупы кокосовых орехов.

Для определения влияния модифицирования поверхности на адсорбционную емкость углей, они подверглись частичному окислению. Окисление проводилось путем нагревания угля на водяной бане в растворе 25% азотной кислоты в течение 4 часов. Остатки азотной кислоты нейтрализовались 1% раствором NAOH, а затем промывались водой до нейтральной реакции. В дальнейшем уголь заливался на 10 часов 1 нормальным раствором соляной кислоты в соотношении 1:11, а затем повторно промывался горячей водой.

Количество образовавшихся на поверхности угля в результате его окисления слабо и сильно кислых функциональных групп определяли путем селективного титрования соляной кислотой образцов угля, предварительно нейтрализованных NAOH, Na2CO3 и NAHCO3.

Начальную и равновесную концентрацию катионов меди и свинца определяли путем титрования растворов нитратов этих металлов 0,05 нормальным раствором трилона Б в присутствии индикаторов. При определении катионов Pb2 - ксиленолового оранжевого при РН = 5, при определении Cu2 - мурексида в буферном растворе NH4OH, NH4Cl.

Процесс адсорбции проводили в статических условиях, заливая 0,05 г угля

50 мл раствора нитрата свинца или меди, а также их смесью. После завершения процесса адсорбции уголь отделяли от раствора фильтрованием.

При определении содержания катионов меди и свинца в смеси применяли атомно-адсорбционный спектрофотометр С-115 М.

Адсорбционную емкость угля (а, мг-экв/г) определяли, используя формулу: (C0 ?Cp )?V m?1000 a =

, где: С - начальная концентрация катиона , мг-экв/л;

0

С - равновесная концентрация катиона, мг-экв/л;

р

V - объем раствора, мл;

m - масса образца сорбента, г.

Для построения изотерм адсорбции использовали исходные растворы Pb(NO ) и Cu(NO ) c исходными концентрациями 10, 30, 50, 70 мг-экв/л для каж-

3 2 3 2 дого из катионов. Время контакта растворов с углем составляло 72 часа. После 103 определения равновесных концентраций растворов по методике, указанной выше, были построены изотермы адсорбции, представленные на рисунке 1.

Определение максимальной адсорбционной емкости угля было проведено путем линеаризации изотерм адсорбции в ленгмюровских координатах. Было установлено, что максимальная адсорбционная емкость немодифицированного угля по отношению к катионам Cu2 составляет 1,6 мг-экв/л, а по отношению к катионам Pb2 - 4,4 мг-экв/л, а модифицированного - 1,8 мг-екв/г и 5,4 мг-екв/ г, соответственно.

Из полученных данных следует, что адсорбция катионов свинца протекает втрое эффективнее, чем адсорбция катионов меди. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что модифицирование поверхности угля, вопреки ожиданиям, лишь очень несущественным образом увеличивает его адсорбционную

ACTUAL PROBLEMS OF TRANSPORT MEDICINE O#1 (15), 2009

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТНОЙ МЕДИЦИНЫ O № 1 (15), 2009 г.

104 на рисунке 2. а, мг-экв/г Максимальное 6 извлечение катионов из раствора на-5 блюдается после 24 часового контакта. 4 1 Дальнейшее увели-

2 чение времени кон-3 такта угля с раство-4 ром не приводит к повышению эффек-

3

2

1 тивности процесса адсорбции. В про-

0 цессе адсорбции не 0 10 20 30 40 50 60 70 наблюдается конку-Ср, мг-экв/л ренции ионов каж-

Рис. 1. Изотермы адсорбции при температуре 20 ?С при 72 часовой выдержке: дого вида. Модифи-1 - нитрата свинца на поверхности немодифицированного угля, РН=4;

кация поверхности угля очень несущественно увеличива-

2 - нитрата свинца на поверхности модифицированного угля, РН=4; 3 - нитрата меди на поверхности немодифицированного угля, РН=4;

4 - нитрата меди на поверхности модифицированного угля, РН=4. ет его адсорбцион- емкость по отношению к каждому из рас- ные характеристики. сматриваемых катионов. Результаты проведенного исследо-

Изучение кинетики совместной ад- вания свидетельствуют о перспективно-сорбции свинца и меди было проведено сти использования полученного из скор-из раствора, содержащего одинаковое лупы кокосового ореха угля специально-(по 70 мг-экв/л) количество их катионов. го назначения для обезвреживания кати-Изменение величины совместной адсор- онов тяжелых металлов в водных средах. бции катионов в зависимости от време- Адсорбция катионов из смеси осуществ- ни контакта угля с раствором приведено ляется за 24 часа и при этом конкурен- а, мг-экв/г ции между ионами не наблюдается. Максимальная ад-

6

5 сорбционная емкость угля по отно-

4 шению к каждому из катионов в смеси

3 остается практичес-1 ки такой же как и 2

2 при адсорбции каж-1 дого из катионов в отдельности. Моди-0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 фикация поверхности угля путем ее ча- t, час стичного окисления Рис. 2. Кинетическая кривая совместной адсорбции катионов свинца и не существенно меди из смеси их нитратов с одинаковым содержанием катионов в улучшает его адсор- растворе. бционные характе-

1 - на немодифицированном угле; ристики по отноше-

2 - на модифицированном угле.

ACTUAL PROBLEMS OF TRANSPORT MEDICINE O#1 (15), 2009

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТНОЙ МЕДИЦИНЫ O № 1 (15), 2009 г.

нию к катионам меди и свинца.

Можно предположить, что адсорбция ионов свинца и меди протекает двумя независимыми путями. Большие по размеру катионы свинца (0,126 нм) им-мобилизируются в порах угля с соответствующими размерами. При этом пор с такими размерами на поверхности угля втрое больше, чем пор с диаметрами 0,080 нм, способных удерживать меньшие по величине катионы меди. Выводы. Уголь специального назначения остается одним из самых эффективных комплексных адсорбентов. Он может удалять из водных сред не только органические и бактериtrialе загрязнители, но и катионы тяжелых металлов. При этом наличие в растворе катионов другого типа не ухудшает эффективности адсорбции. 24 часового контакта угля с раствором достаточно для достижения граничных значений адсорбции по каждому из катионов, на их величины модифtrialя поверхности угля путем ее частичного окисления влияет очень несущественным образом.

1. Когановский А.М. Адсорбция и ионный обмен в процессах водоподготовки и очистки сточных вод. - К.: Наукова думка, 1983. - 240 с.

2. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.М. Активные угли. - М.: Металлургия, 2000. - 352 с.

3. Бутырин Г.М. Высокопористые углеродные материалы. - М.: Химия, 1986. - 192 с.

4. Тарковская И.А. Окисленный уголь. - К.: Наук. Думка, 1981. - 200 с.

Резюме

ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ВУГЛЕРОДНИХ АДСОРБЕНТІВ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЇ ОЧИСТКИ ВОДНИХ СЕРЕД

Заславський А.М., Кустовська А.Д., Кабулей О.П.

Досліджена адсорбція катіонів свинцю та міді, а також їх суміші на поверхні модифікованого и немодифікованого вуглецю протягом різного часу. Визначена максимальна адсорбційна ємність вуглецю по відношенню до кожного з катіонів. відсутність конкуренції між катіонами в процесі адсорбції із суміші пояснено з позиції відмінностей типів їх взаємодії с поверхнею вуглецю. показана висока ефективність та перспективність використання вуглецю для знешкодження катіонів важких металів у водному середовищі.

Summary

PROSPECTS OF APPLICATION OF CARBON ADSORBENTS FOR COMPLEX WATER TREATMENT

Zaslavskiy A.M., Kustovskaya A.D., 105 Kabuley O.P.

Adsorption of Pb and Cu cations and their mixture on the surface of modified and non-modified coal trough different time intervals have been studied. The maximum adsorption capacity of coal relative to each cations have been determined. Absence of concurrence between cations of Pb and Cu during adsorption from mixture is explained by difference of types of their interaction with coal surface. The high effectiveness and perspectivities of application of coal for neutralization of heavy metal cations in aqueous solution was shown.

Впервые поступила в редакцию 27.08.2008 г. Рекомендована к печати на заседании ученого совета НИИ медицины транспорта

(протокол № 1 от 20.01.2009 г.).

ACTUAL PROBLEMS OF TRANSPORT MEDICINE O#1 (15), 2009