Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Пимнева Л.А. 1 Казанцева А.В. 1

---

1 Тюменский индустриальный университет

Представлены результаты исследований сорбции ионов марганца из водных растворов каолинитом, обработанным раствором NaCl. Определена структурная формула природного каолинита. Рассчитаны значения предельной статической сорбционной емкости каолинита по отношению к ионам марганца, которая составляет 1,6 ммоль/г. Вычислены коэффициенты распределения ионов марганца, значения которых уменьшается с увеличением концентрации исходного раствора. Исследовано равновесие обмена ионов марганца на каолините методом построения изотерм при изменении температуры процесса от 298 до 333 К. Описание сорбционного процесса проводилось моделями Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина. Расчеты показали, что наилучшим образом данные по сорбции описываются моделью Ленгмюра. Установлена природа взаимодействия ионов марганца с каолинитом в солевой форме. Полученные значения энергии Гиббса имеют отрицательный знак –3,98 (298 К); –5,23 (313 К); –5,81 (333 К), что соответствует устойчивому закреплению на поверхности каолинита.

Статья в формате PDF

0 KB

природный сорбент

сорбция

ионы марганца

изотермы сорбции

количественные характеристики процесса сорбции

1. Бетехтин А.Г. Курс минералогии – учебное пособие. – М.: КДУ, 2007. – 720 c.

2. Иванова Е.С. Структура и сорбционные свойства Н-формы глины Луковского месторождения Псковской области / Е.С. Иванова, Ю.Ю. Гавриловская, В.Н. Пак // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2014. – Т. 14. – Вып. 2. – С. 254 – 259.

3. Калюкова Е.Н. Адсорбция катионов марганца и железа природными сорбентами / Е.Н. Калюкова, В.Т. Письменко, Н.Н. Иванская // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2010. – Т. 10. – Вып. 2. – С. 194 – 200.

4. Николаев Е.Н. Кинетика ионного обмена на смолах // Кинетика и динамика физической адсорбции. – М., 1973. – С. 32–37.

5. Николаев Н.И. Кинетика сорбции ионов меди комплексующими карбоксильными ионообменниками / Н.И. Николаев, А.А. Эфендиев, А.Т. Шахтинская // ДАН СССР. – 1977. – Т. 235. – № 2. – С. 642–646.

6. Пимнева Л.А. Изотермы сорбции ионов бария, меди и иттрия на карбоксильном катионите КБ-4пх2 / Л.А. Пимнева, Е.Л. Нестерова // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 4. – С. 15–20.

7. Танабе К. Твердые кислоты и основания. – М.: Мир, 1976. – 306 с.

8. Хурамшина И.З. Сорбционная доочистка медьсодержащих водных растворов / И.З. Хурамшин, А.Ф. Никифоров // Экология и промышленность России. – Июнь 2013. – С. 29–31.

9. Шварценбах Г. Комплексометрическое титрование / Г. Шварценбах, Г. Флашка. – М.: Химия, 1970. – 360 с.

Перспективным направлением применения природных глинистых минералов является адсорбция и концентрирование ионов цветных металлов из водных растворов различной природы. В природе гетерогенных систем широко распространено межфазное распределение ионов металлов. Природные воды в настоящее время загрязняются промышленными стоками, что создает серьезную проблему и ухудшает экологическую обстановку. Основной вклад в загрязнение вносят гальванические и травильные производства. Эти производства требуют большого количества воды [4] для промывки обрабатываемых деталей, в результате чего происходит сброс большого количества отходов [5].

В связи с этим ведется поиск эффективных природныхсорбентов для извлечения цветных и тяжелых металлов из сточных вод. Каолинит как природный минерал известен давно [1], является главным составляющим всех глин. Основа – это водные алюмосиликаты Al4[Si4O10][OH]8 с небольшими примесями железа (III), магния, кальция, натрия, калия.

Целью настоящей работы являются результаты исследований структуры и адсорбционных свойств природного каолинита, который может быть применен для очистки сточных вод от ионов марганца.

Материалы и методы исследования

Природный сорбент каолинит представляет собой легкий порошок белого цвета с размерами частиц 2–20 мкм и насыпной плотностью 0,3 г/см3. На рис. 1 представлена СЭМ-микрофотография образца сорбента, полученная на сканирующем электронном микроскопе. По полученным данным, основными его компонентами являются оксиды в количествах, представленных в табл. 1.

Атомное отношение алюминия к кремнию, по представленным данным составляет ~1/2,4, что соответствует максимальному числу и силе кислотных центров поверхности алюмосиликатного каркаса каолинитовой глины [7]. Активными центрами являются подвижные ионы Na+ и К+, принимающие участие в обмене на ионы тяжелых металлов.

Рис. 1. СЭМ-микрофотография каолинита

Таблица 1

Содержание компонентов в составе каолинита

Рис. 2. Рентгенограмма образца каолинита

Минералогический состав каолинита определяли рентгенофазовым анализом. На рис. 2 представлена рентгенограмма, снятая на дифрактометре «ДРОН-7» с медным анодом (λ = 1,5406 A).

Результаты рентгенофазового анализа дают дополнительные основания для предположения о высокой подвижности и обменной способности катионов Na+ и К+, удерживаемых на поверхности каолинита.

Для изучения сорбции ионов марганца (II) на каолините изучали в статических условиях из нитратных растворов с концентрациями от 0,01 до 0,24 ммоль/мл. Сорбент в солевой форме (обработанный раствором NaCl) в количестве 1 г заливали 50 мл раствора. Контакт сорбента с раствором продолжался до установления равновесия в течение 7 суток. Затем сорбент и раствор отделяли и анализировали на содержания ионов марганца и измеряли рН среды. Концентрацию ионов марганца в растворе определяли комплексонометрическим титрованием с трилоном Б в присутствии индикатора эриохрома черного [9].

Результаты исследования и их обсуждение

На основании полученных данных рассчитали статическую емкость природного каолинита в солевой форме по марганцу (II) (моль/г):

коэффициент распределения Kd, мл/г

мл/г,

где С0 – концентрация марганца в исходном растворе, ммоль/мл; Ср – равновесная (остаточная) концентрация извлекаемого иона в растворе, ммоль/мл; V – объем раствора, мл; m – масса сорбента, г. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Коэффициент распределения, степень сорбции и статическая обменная емкость каолинита при извлечении марганца (II) из растворов при температуре 298 К

Модифицированный каолинит, обработанный раствором NaCl, изменяет свои физико-химические свойства. При переводе природной формы каолинита в солевую форму происходит значительное увеличение положительного заряда поверхности. Последующие эксперименты показали, что выявленные изменения физико-химических свойств каолинита позволяют резко увеличить эффективность адсорбции ионов марганца на поверхности. На рис. 3 видно, что количество поглощенных ионов марганца закономерно увеличивается с ростом концентрации в исходном растворе.

Рис. 3. Зависимость величины адсорбции ионов марганца от исходной концентрации на модифицированной солевой форме каолинита при температурах, К: 298 (1); 313 (2); 333 (3)

На изотермах сорбции, приведенных на рис. 4, виден резкий подъем в области малых равновесных концентраций марганца, что подтверждает увеличение количества поглощенных ионов с ростом их в исходном растворе. На этом отрезке наблюдается линейная зависимость количества поглощенных ионов марганца от равновесной концентрации в растворе (отрезок Генри). Затем изотерма выходит на плато, что характерно для монослойного закрепления ионов марганца на поверхности каолинита.

Рис. 4. Изотермы адсорбции ионов марганца на каолините в солевой форме (Na) при температурах, К: 298 (1), 313 (2), 333 (3)

Для описания адсорбционного процесса было использовано несколько моделей Ленгмюра:

или

где Г – количество сорбированного марганца; Г∞ – величина предельной сорбции (ммоль/г); CP – равновесная концентрация ионов меди в растворе (ммоль/мл); kL – концентрационная константа сорбционного равновесия, характеризующая интенсивность процесса сорбции, мл/ммоль.

Модель изотермы Ленгмюра основана на том, что на поверхности катионита образуется мономолекулярный сорбционный слой и все активные места обладают равной энергией и энтальпией сорбции.

Фрейндлиха:

или в логарифмической форме:

где kF и n – константы Фрейндлиха.

Модель Фрейндлиха используется для описания сорбции на гетерогенной поверхности. Относительную адсорбционную способность отражает константа kF, а интенсивность сорбционного процесса и распределение активных центров характеризует константа n.

Темкина:

или

где kT и ∞ – константы Темкина.

Модель Темкина содержит параметр kT, который учитывает взаимодействие между адсорбционными центрами и ионами металлов. Кроме того, данная модель предполагает, что теплота адсорбции молекул в слое линейно уменьшается по мере заполнения слоя из-за отталкивания ионов металла. Снижение теплоты адсорбции происходит по линейному закону.

Линейная обработка изотерм сорбции ионов марганца из водных растворов на Na+ – форме каолинита представлены в табл. 3.

Библиографическая ссылка