СОРБЦИЯ КАТИОНОВ СВИНЦА ПРИРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены данные по изучению адсорбции ионов Pb²⁺ природным сорбентами на основе активированных волокон волос. Строение и физико-химические свойства биосорбента охарактеризованы методами ИК- спектроскопии и определением сорбционной способности. Установлено, что кинетика сорбции ионов свинца на биосорбенте лучше описывается в рамках  кинетической модели псевдо-второго порядка. При этом изотерма адсорбции лучше интерпретируется уравнением теории мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.

ABSTRACT

The article presents data on the study of adsorption of Pb2+ ions by natural sorbents based on activated hair fibers. The structure and physicochemical properties of the biosorbent are characterized by IR spectroscopy and determination of sorption capacity. It has been established that the kinetics of lead ion sorption on the biosorbent is better described within the framework of the pseudo-second-order kinetic model. In this case, the adsorption isotherm is better interpreted by the equation of the Langmuir monomolecular adsorption theory.

Ключевые слова: Биосорбенты, волокна волос, ионы свинца, адсорбция, кинетика, изотерма.

Keywords: Biosorbents, hair fibers, lead ions, adsorption, kinetics, isotherm.

Введение

Растительные биомассы широко используются в качестве биосорбентов для очистки  сточных вод. Природные волокна широко используется в качестве адсорбентов из-за наличия в них различных функциональных групп [1]. Волокна агавы американской как биосорбент были исследованы для периодического удаления Pb(II) и Cd(II) в зависимости от pH, начальной концентрации ионов металла и температуры. Сорбция ионов металлов на этом сорбенте описывалась кинетической моделью псевдо-второго порядка с превосходной корреляцией. Модель Ленгмюра успешно применена для описания изотерм сорбции. Пол ученные данные показали, что биоматериалы на основе агавы американской являются хорошими адсорбентами для эффективного удаления ионов Ni(II) из водных растворов. Волокна Agavi americana также были проанализированы с помощью ИК-Фурье-спектроскопии, сканирующей электронной и металлографической микроскопии с целью изучения взаимодействия функциональных групп биомассы с катионами и оценки механизмов взаимодействия участвующих в сорбции металлов [2].            

Волокна волос являются еще одним биоадсорбентом с высокой селективностью. Волосы легко приводятся в экологически чистое рабочее состояние и характеризуются низкой стоимостью. Волосы служат для удаления токсичных веществ, таких как свинец и его метаболиты из сточных вод и могут использоваться для контроля загрязнения окружающей среды.

Рисунок 1. Послойный вид волокна волос

В связи с тем, что человеческие волосы богаты многими химическими веществами, их планируется исключить из числа отходов. Человеческие волосы являются отходами в большинстве частей мира, и их накопление в окружающей среде вызывает множество экологических проблем. Поэтому использование их в полезных целях экономически эффективно [3]. В статье, посвященной развитию систематического использования отходов человеческих волос, рассматриваются возможности использования их для будущих инноваций и научных исследований. Человеческие волосы состоят в основном из кератина и из узкого центрального мозгового слоя, окруженного толстой оболочкой (корой) удлиненных клеток, содержащих множество гранул меланина, определяющих естественный цвет [4,5]. Целью настоящего исследования является изучение процесса адсорбции ионов свинца на активированных волокнах волос [6]. По химическому составу человеческие волосы содержат около 85 процентов белка [7]. Человеческие волосы – это повсеместный мусор. Естественно искать альтернативные варианты, позволяющие использовать эти отходы в качестве нового сырья [8]. Свинец – один из четырех основных металлов, наиболее опасных для здоровья человека. Свинец естественным образом встречается в окружающей среде, но в основном образуется в результате деятельности человека, например, при производстве бензина [9]. Адсорбенты включают; человеческие волосы, козья шерсть и овечья шерсть. Человеческие волосы обладают лучшей эффективностью адсорбции среди них [10].

Экспериментальная часть

Волосы состоят из перекрывающихся клеток и покрыты многослойной кутикулой, которая со временем постепенно разрастается, края которой регулярно перекрывают друг друга (рис.1). При активации волокон волоса можно увидеть, что ион Н+ в нем заменяется ионом Na⁺(рис.2).

Рисунок 2. Схема реакции активации волокон волос

Этот процесс активации может повлиять на химический состав волос, если он проводится в высококонцентрированном растворе NaOH. Поэтому процесс активации волосяных волокон проводился в растворе NaOH небольшой концентрации.

Для проведения экспериментов использовали растворы, приготовленные из солей нитрата свинца различной концентрации. Процесс проводили при комнатной температуре в течение 30, 60, 90, 120, 150, 180 минут.

Полученные результаты и их обсуждение

На рисунке 2, приведена кинетика адсорбции ионов свинца природным сорбентом на основе активированного волокна волос. Как видно из рисунка 2 адсорбция ионов свинца на природном адсорбенте протекает медленно и достигает равновесия за 7 часов и возрастает с увеличением исходной концентрации раствора нитрата свинца.

Рисунок 2. Кинетика адсорбции ионов свинца природным сорбентом на основе активированного волокна волос

 (справа приведена концентрация ионов свинца).

Для описания кинетики адсорбции использовали псевдо-первую и псевдо-вторую кинетические модели, уравнение которых приведены в работе [6]. На рисунке 3 приведена кинетика сорбции ионов Pb²⁺ активированными волокнами волос в координатах уравнения псевдо-первого порядка, Кинетические параметры, рассчитанные из данных рисунка 2 приведены в таблице.

Рисунок 3. Зависимость log(q_e-q_t) от времени для процесса адсорбции ионов Pb²⁺ волокнами волос

 (справа приведена концентрация ионов свинца)

Кинетику процесса сорбции ионов Pb²⁺ активированными волокнами волос так же оценивали путем нахождения кинетических параметров уравнения псевдовторого порядка из графика зависимости t/qt от времени (рисунок 4).

Рисунок 4. Кинетика сорбции ионов Pb²⁺ в координатах уравнения псевдо-второго порядка

(справа приведена концентрация ионов свинца)

Данные кинетики процесса сорбции ионов Pb²⁺ активированными волокнами волос и значение констант скоростей (k₁ и k₂), а также коэффициентов корреляции (R²) рассчитанных на основе данных рисунков 3,4 приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Кинетические параметры воздействия ионов Pb²⁺ на активированном волокне волос

Как видно из табл.2 сорбция-(q_e) ионов Pb²⁺ (мгг^-1) волокнами волос, рассматриваемых как природный адсорбент, возрастает с увеличением исходной концентрации ионов металла. Полученные значения коэффициентов корреляции R² свидетельствуют о том, что поглощение иона Pb²⁺ натуральными волосами-адсорбентами лучше описывается кинетической моделью псевдо-второго порядка. Это означает, что на кинетику сорбционных процессов влияла природа и концентрация ионов и функциональных групп в ионите.

Для описания равновесия наблюдаемого между жидкой фазой раствора соли и твердой фазой сорбента были исследованы изотерма адсорбции. Для анализа изотерм использовали уравнение Ленгмюра и Фрейдлиха.

Модель изотермы Ленгмюра выражается следующим уравнением.

Здесь q_e – количество металла, поглощенного сорбентом определенной массы: (мг г^-1), С_e – равновесная концентрация раствора (мг л^-1), q_max – максимальное количество металла, поглощенного сорбентом определенной массы (мг г^-1).

На рисунке 5 приведена изотерма адсорбции ионов свинца на биосорбенте в координатах линейного уравнения Ленгмюра. Из данных, приведенных на этом рисунке были рассчитаны константы уравнения Ленгмюра приведенные в таблице 2.

Рисунок 5. Изотерма адсорбции ионов свинца на активированных волокнах волос в координатах линейного уравнения Ленгмюра (Т= 298К)

Рисунок 6. Изотерма адсорбции ионов свинца на активированных волокнах волос в координатах линейного уравнения Фрейндлиха (Т= 298К)

Для анализа изотерм также было использовано уравнение Фрейндлиха (рисунок 6).

В таблице 2 приведены результаты расчета параметров изотермы сорбции уравнении Ленгмюра и Фрейндлиха.  Значение параметра Фрейндлиха n равно 2,74 что свидетельствует о высоком сродстве изучаемого сорбента к ионам свинца. Значения коэффициентов корреляции R² для Pb²⁺ в случае использования уравнение Ленгмюра равно 0,944 а уравнение Фрейндлиха 0,9281 и это показывает, что наблюдаемый процесс более предпочтительно описывается теорией мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.

Таблица 2.

Значения констант в уравнениях изотерм Ленгмюра и Фрейндлиха при сорбции ионов свинца волокнами человеческих волос

Заключение

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Активацией волокон волос были получены биосорбенты с катионообменными группами.

2. Полученные биосорбенты были использованы для адсорбции ионов свинца из водных растворов. Данные по кинетике и термодинамике адсорбции свидетельствуют о высоком сродстве полученного сорбента к ионам свинца.

Список литературы:

1. Kyzas, G.Z., Bikiaris, D.N., Recent modifications of chitosan for adsorption application // Mar. Drugs .-2015.- 13(1).- 312-337; https://doi.org/10.3390/md13010312
2. Aïcha Menyar Ben Hamissa, Alessandra Lodi and etc., Sorption of Cd(II) and Pb(II) from aqueous solutions onto Agave americana fibers // Chemical Engineering Journal.- 1 May 2010.- Volume 159.- Issues 1–3.- Pages 67-74.  
3. A.G. Ghomi, N. Asasian-Kolur and etc, Biosorption for sustainable recovery of precious metals from wastewater // J. Environ. Chem. Eng.-2020.- 103996; https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103996.
4. Corbett, John F. Hair Colorants: Chemistry and Toxicology. Cosmetic Science Monographs// No. 2, ed. H. Butler. Weymouth, U.K.: Micelle Press.-1999.-Paperback, 62 pages. ISBN: 978-1870228-21-3.
5. Gillespie, J. M. "The Structural Proteins of Hair: Isolation, Characterisation and Regulation of Biosynthesis." In Biochemistry and Physiology of Skin// ed. L. A. Goldsmith. Oxford, U.K.: Oxford University Press.-1983.
6. Kинетика 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.
7. Lansdown, Alan B. G. "Leads in Hair Dyes: Short Term Appeal vs. Long Term Risk."International Journal of Cosmetic Science.- 2000.-  22:167–168.
8. Use of Chemically Treated Human Hair Wastes for the Removal of Heavy Metal Ions from Water//  Helan Zhang, Fernando Carrillo-Navarrete 2,3, Montserrat López-Mesas 1 and Cristina Palet 1, Water.-2020-. 12.-1263.
9. A. Ifelebuegu, T. Nguyen, P. Ukotije-Ikwut, and Z. Momoh, “Liquid-phase sorption characteristics of human hair as a natural oil spill sorbent,”// Journal of Environmental Chemical Engineering.- 2015- 3.- 938-943.
10. Shilu T, Von SYE, Tippawan P Environmental lead exposure: a public health problem of global dimensions// Bull World Health Organ. -2000-.