СОРБЦИЯ ИОНОВ СВИНЦА (II) НОВОГО ПОЛИКОМПЛЕКСОНА СОДЕРЖАЩИЙ АМИНО-И СУЛЬФОГРУППЫ

АННОТАЦИЯ

Были исследованы закономерности поглощения ионов Pb²⁺ из искусственных растворов в новый полиамфолит на основе поливинилхлорида, содержащий амино и сульфогруппы. В результате исследований была построена изотерма процесса сорбции, а также обнаружена константа равновесия адсорбции, термодинамические параметры: величины изобарно- изотермического потенциала (∆G), энтальпии (∆H) и энтропии (∆S).

ABSTRACT

The patterns of absorption of Pb²⁺ ions from artificial solutions into a new polyampholyte based on polyvinyl chloride containing amino and sulfo groups were studied. As a result of the research, an isotherm of the sorption process was constructed, and the equilibrium constant of adsorption, thermodynamic parameters were found: the values of the isobaric-isothermal potential (∆G), enthalpy (∆H) and entropy (∆S).

Ключевые слова: пластикат поливинилхлорида, полиамфолит, сорбция, ионит, ион свинца, кинетика, псевдо-первая и вторая кинетические модели.

Keywords: PVC compound, polyampholyte, sorption, ion exchanger, lead ion, kinetics, pseudo-first and second kinetic models.

Введение

В мировом масштабе загрязнение окружающей среды токсичными металлами происходит в результате деятельности многих промышленных предприятий, гидрометаллургической промышленности, производства красящих изделий, военных действий, сельскохозяйственных выбросов. Также в гидрометаллургическом методе технологические растворы, образующиеся при извлечении металлов, содержат ионы цветных и тяжелых металлов, таких как медь, никель, свинец, ртуть [1]. Практически все различные тяжелые металлы можно найти в сточных водах многих отраслей промышленности [2]. В частности, увеличение концентраций в таких водах ионов, таких как Pb²⁺, Co²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, оказывает вредное воздействие на окружающую среду [3, 4].

В настоящее время иониты широко используются для опреснения воды, используемой на промышленных предприятиях [5]. Из методов смягчения жесткости воды, особенно образующихся за счет ионов кальция и магния в природной воде, наиболее распространенным является ионнообменный процесс с участием ионитов [6]. Области применения ионитов и ионообменных процессов непрерывно расширяются. В частности, в настоящее время синтетические, гранулированные ионообменные материалы используются для опреснения воды, используемой в химической промышленности, для очистки сточных вод от различных вредных ионов и для концентрирования ионов цветных, редких и драгоценных металлов в технологических растворах в гидрометаллургии. Иониты, содержащие азот и серу, особенно в гранулированных ионообменных сорбентах, отличаются селективностью по отношению к ионам драгоценных, редких и цветных металлов [7, 8].

Функциональные группы в определенных типах ионообменных материалов различаются в зависимости от типа: сильно-кислотных сульфогрупп (-SO₃H), слабо-кислотных карбоксильных групп (–COOH), сильно-основных четвертичных аминов (-N⁺R₃) и слабо-основных третичных и вторичных аминогрупп (-N⁺R₂H и-N⁺RH₂) [9]. Сорбенты, используемые в различных отраслях промышленности, должны соответствовать ряду требований [10]. Поэтому одним из актуальных вопросов является синтез новых ионообменных ионитов, обладающих высокой сорбционной способностью к ионам металлов. Принимая во внимание аналогичные проблемы, был изучен закон поглощения ионов Pb²⁺ из искусственных растворов в ионит в статических условиях поликомплексону, содержащему азот и серу в пластификаторе на основе поливинилхлорида [11].

Существует множество теорий для описания процессов ионного обмена [12, 13]. На протяжении многих лет при моделировании констант скорости различных ионнообменных реакций уравнения Лагергрена и другие, в основном сосредоточились на изменениях процесса кинетического анализа [14, 15, 16]. Исследования установили изотерму процесса сорбции, а также константу равновесия адсорбции, термодинамические параметры: величины изобарно-изотермического потенциала (∆G), энтальпии (∆H) и обнаружены величины энтропии (∆S) [17].

Материалы и методы

Изучена сорбция ионов Pb²⁺ из искусственных растворов в полиамфолит, полученный на основе ПВХ. Для этого с помощью соли Pb(NO₃)₂ приготовили растворы ионов Pb²⁺ с концентрацией 0,025; 0,05; 0,075; 0,1 моль·л^-1 и изучали длительность сорбции ионов металлов из подготовленных искусственных растворов в течении 2, 4, 6, 8 ч, а также изотермы сорбции при температурах 293, 303 и 313К. Для этого сухой сорбент со статической обменной емкостью 4,5 мг-экв∙г^-1 по HCl и 3,5 мг-экв∙г^-1 по NaOH отмеряли на аналитических весах по 0,3 г, поместили в конические колбы объемом 250 мл и залили солевыми растворами по 100 мл. Изменение концентрации ионов металлов в растворах до и после сорбции было обнаружено с помощью спектрофотометра UV-1900i (Симадзу, Япония) (длина волны 295 нм для Pb²⁺).

Количество ионов металлов, поглощенных сорбентом, было рассчитано по следующему уравнению.

При этом: q_е – количество поглощенного иона металла в ионите моль/г, C₀ – начальная концентрация ионов металла моль/л, C_p –концентрация равновесия ионов металла моль/л; V – объем раствора л; m – масса сухого сорбента(г) [18].

Полученные результаты их обсуждение

Изучение

Для изучения зависимости времени поглощения ионов Pb(II) полиамфолитом из искусственных растворов и из водорастворимых солей свинца приготовили растворы с различной концентрацией, определяли скорость поглощения в различное время. Полученные результаты приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Кинетика сорбции ионов Pb²⁺ в полученном полиамфолите

Из приведенного выше рисунка видно, что степень поглощения ионов Pb(II) полиамфолитом увеличивается с увеличением времени. Сорбция ионов металлов происходит на основе электростатического взаимодействия между катионами металлов и их группами на поверхности ионита, а также на основе координационной связи между группами >NH в ионите. Это указывает на то, что процесс проходил с химической сорбцией.

Где: q_e – количество металла, поглощенного сорбентом известной массы (мг/г), С_р – концентрация равновесия раствора (мг/л), q_мах – максимальное количество металла, поглощенного сорбентом известной массы (мг/г) [19].

Чтобы найти константу Ленгмюра (К_L), используется линейный вид уравнения Ленгмюра, представленный ниже.

Значения q_мах и К_L определяются из графика зависимости C_р/q_e от C_p.

Константа равновесия реакции ионов Pb(II) на полиамфолит и изменение термодинамических функций

Выводы. Из приведенной ниже таблицы видно, что значение q_max, рассчитанное на основе константы равновесия Ленгмюра, увеличилось при температурах 293, 303 и 313К. Представленный в этой таблице ΔН, имеет положительное значение, и было обнаружено, что процесс адсорбции является эндотермическим. Также увеличение энтропии системы свидетельствует о протекании реакции ионного обмена между ионами Na⁺ на поверхности сорбента и ионами Pb(II) в эритеме. Уменьшение свободной энергии указывает на то, что сорбция ионов Pb(II) в полиамфолите идет сама по себе.

Список литературы:

1. Gupta K., Basu T., Ghosh U. C. Sorption characteristics of arsenic(V) for removal from water using agglomerated nanostructure iron(III)_zirconium(IV) bimetal mixed oxide // Journal of Chemical & Engineering Data. − Vol. 54. − 2009. Pp. 2222−2228.
2. Kowanga K.D., Erastus G., Godfrey O.M., Eliakim M.M. Kinetic, sorption isotherms, pseudo-first-order model and pseudo-second-order model studies of Cu(II) and Pb(II) using defatted Moringa oleifera seed powder // The Journal of Photopharmacology, 2016. − 5(2). – Pp. 71-78.
3. Yisa J. Heavy metals contamination of road deposited sediments // American Journal of Applied Science, 2010. – Vol. 7. − Pp. 1231-1236.
4. Ong M. C., Kamruzzaman B.Y. An assessment of metals (Pb and Cu) contamination in bottom sediment from South China Sea coastal waters // Malaysia American Journal of Applied Science, 2009. – Vol. 6.  – Pp. 1418-1423.
5. Золотов Ю.А., Цизин Г.И., Дмитриенко С.Г., Моросанова Е.И. Сорбционное концентрирование микрокомпонентов из растворов. Применение в неорганическом анализе. – М.: Наука, 2010. – 564 с.
6. Raghav S., Kumar D., Adsorption equilibrium, kinetics, and thermodynamic studies of fluoride adsorbed by tetrametallic oxide adsorbent // Journal of Chemical Engineering Data. – Vol. 63. – 2018. – Pp. 1682–1697.
7. Slavinskaya G.V., Kurenkova O.V. Water supply, sewerage, building construction of water resources protection influence of filter materials on water quality // Voronezh State Technical University. – Issue № 4 (36). – 2017.  
8. Khushvaktov S.Y., Botirov S., Inkhonova A., Babojonova G., Bekchanov D.J., Mukhamediyev M. Sorbtic kinetics of chromium (VI) ions to anion exchanger // The 1st International Conference on Problems and Perspectives of Modern Science AIP Conf. Proc., 2022. 2432, 050038-1-050038-3; https://doi.org/10.1063/5.0089565.
9. Ahmed I.S., Ghonaim A.K., Abdel Hakim A.A., Moustafa M.M., Kamal El-Din A.H. Synthesis and characterization of some polymers for removing of some heavy metal ions of industrial wastewater // Journal of  Applied Scientific Researches, 2008. – Vol. 4. – Pp. 1946-1958.
10. Лейкин Ю. А., Мясоедов Б. Ф., Лосев В. В., Кириллов Е. А. Модифицированные сорбенты для селективного извлечения аммиака и его производных // Химия, Физика. – 2007. – Т. 26. – № 10. – С. 18–33.
11. Brown C.-J., Sheedy, M. A new ion exchange process for softening high TDS produced water, SPE/Petroleum Society of CIM/CHOA, Technical Paper No 78941, Eco-Tec Inc., 2002.
12. Хушвактов Суюн Юсуп Угли, Жураев Мурод Махмаражаб Угли, Сагдиев Наиль Жадитович, Бекчанов Давронбек Жумазарович, Мухамедиев Мухтаржан Ганиевич Сорбция ионов меди (II) и никеля (II) на азот- и серосодержащем полиамфолите // Universum: химия и биология. − 2019. − №11-1 (65). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sorbtsiya-ionov-medi-ii-i-nikelya-ii-na-azot-i-serosoderzhaschem-poliamfolite (дата обращения: 09.09.2022).
13. Keno David Kowanga., Erastus Gatebe., Godfrey Omare Mauti, Eliakim Mbaka Mauti Kinetic, sorption isotherms, pseudo-first-order model and pseudo-second-order model studies of Cu(II) and Pb(II) using defatted Moringa oleifera seed powder // The Journal of Phytopharmacology 2016. – Vol. 5(2). – Pp. 71-78.
14. Нецкина О. В. Практикум по физической химии НГУ. Химическая термодинамика и кинетика. Адсорбция из растворов на твёрдой поверхности : метод. пособие. − Новосибирск 2015. – С. 3-15.
15. Foo K.Y., Hameed B.H.: Insights into the modeling of adsorption isotherm systems // Chemical Engineering Journal, 2010. − Vol. 156(1). – С. 2-10.
16. Juraev M., Khushvaktov S., Botirov S., Bekchanov D., Mukhamediev M. Kinetics of Sorption of Ca (II) And Mg (II) Ions from Solutions To a New Sulphocathionite // International Journal of Advanced Science and Technology. − Vol. 29. − No. 7. – 2020. – Pp. 3395-3401.
17. Лейкин Ю.А. Исследование в области химии комплексообразующих фосфорсодержащих полимеров трехмерной структуры: Дис. д-ра хим. наук. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 2009. 440 с.
18. Жураев М.М., Хушвақтов С.Ю., Ботиров С.Х., Бекчанов Д., Ж, Мухамедиев М.Г. Кинетика сорбции ионов меди (II) и никеля (II) полиамфолитом на основе поливинилхлорида // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Хушвактов С.Ю. [и др.]. 2021. 12(93). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12748