ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ХИТОЗАНОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОРГАНОБЕНТОНИТОМ

АННОТАЦИЯ

В данной исследовательской работе представлены результаты изучения сорбционной способности органобентонитов, модифицированных хитозаном, полученным из падмор пчел Apis Mellifera, и природным минералом бентонитом. Сорбционные свойства модифицированных органосорбентов по отношению к ионам Сu (II) и Ni (II) изучались в статических и динамических условиях в зависимости от начальных концентраций металлов, рН среды, времени и температуры сорбции. Анализ адсорбционных изотерм Фрейндлиха и Ленгмюра показал, что процесс происходит по механизму мономолекулярной адсорбции. Изучалась возможность регенерации без значительного снижения адсорбционной способности по отношению к ионам Сu(II) органосорбента на основе бентонита, обладающего наивысшей сорбционной способностью.

ABSTRACT

This research paper presents the results of studying the sorption capacity of organobentonites modified with chitosan obtained from the padmore of Apis Mellifera bees and the natural mineral bentonite. The sorption properties of the modified organosorbents with respect to Cu (II) and Ni (II) ions were studied under static and dynamic conditions depending on the initial concentrations of metals, pH of the medium, time and temperature of sorption. Analysis of the Freundlich and Langmuir adsorption isotherms showed that the process occurs by the mechanism of monomolecular adsorption. The possibility of regeneration without a significant decrease in the adsorption capacity with respect to Cu (II) ions of the organosorbent based on bentonite, which has the highest sorption capacity, was studied.

Ключевые слова: хитозан, apis mellifera, органосорбенты, цикл регенерации, энергетические дисперсионные спектры.

Keywords: chitosan, apis mellifera, organosorbents, regeneration cycle, energy dispersion spectra.

Введение.

В последние годы, с ростом числа промышленных предприятий, все больше внимания уделяется проблеме очистки их сточных вод от различных вредных веществ. Сбрасываемые обрабатывающей промышленностью сточные воды часто содержат красители, тяжёлые металлы, органические реагенты, поверхностно-активные вещества и другие виды химических соединений, превышающие допустимые нормы [1-4]. Это обуславливает рост исследований посвящённых созданию технологий получения новых композиций для очистки промышленных сточных вод.

Большинство минеральных глин обладают хорошей адсорбционной способностью, они недорогие, но их применение в водоподготовке ограничено. Поскольку большинство из них имеют небольшую площадь поверхности, трудно поддаются процессу регенерации и имеют другие присущие им недостатки, их адсорбционные свойства не могут быть в полной мере использованы на практике. Многими исследованиями было показана возможность очистки сточных вод промышленных предприятий от различных загрязняющих и токсичных веществ с применением органосорбентов на основе минеральных глин и хитозана [5-6].

Целью исследования является получения сорбентов на основе минеральных глин, модифицированных хитозаном Apis Mellifera и изучение их сорбционных характеристик по отношению к ионам Cu(II) и Ni(II).

Целью научно-исследовательской работы является получение высокоэффективных композиций на основе минеральных глин, модифицированных хитозаном Apis Mellifera, и создание технологии сорбционной очистки промышленных сточных вод текстильных и нефтегазоперерабатывающих предприятий.

Экспериментальная часть. В ходе практических экспериментов было получено 50 г бентонита с размером частиц 0,10-0,05 мм, высушенного при температуре 120-135°С до постоянной массы. Затем, полученное вещество смешивали в течение 2 часов в 100 мл 7%-ного (12, 20, 28% - ного) раствора соляной кислоты. Полученную массу процеживали. Фильтрат промывали дистиллированной водой до нейтральной реакции.

В ходе экспериментов была проведена модификация бентонита хитозаном. При этом 25 г вермикулита, модифицированного соляной кислотой, обрабатывали 50 мл 2% раствора уксусной кислоты хитозане. Суспензию перемешивали в течение часа, затем добавляли 1-2 мл 25% раствора аммиака и доводили до pH=10.

Результаты и их обсуждение. В синтезированных органобентонитах изучалась зависимость сорбции металлов Cu²⁺ и Ni²⁺ от pH среды, полученные результаты были представлены в графическом виде. (Рис.1-а-е.)

Рисунок 1. Зависимость сорбции металлов Cu⁺² и Ni⁺² от хитозана, модифицированного органобентонитами PBMB+XZ, PBG+XZ, PPD+XZ, DB+XZ, VB+XZ от pH (С_Ме=0,1 н, m_сорб=0,1 г, τ=2 с V=10 мл)

Из графиков, иллюстрирующих зависимость pH сорбции металлов органосорбентом от среды, видно, что сорбция ионов металлов в органосорбенте образуется чаще, чем в слабокислой среде. По результатам исследования сорбции металлов статическая обменная способность органосорбентов в оптимальной среде (мг-экв/г) выглядит следующим образом: Ni²⁺  – 2,1 (pH=5) и Cu²⁺ - 2,5 (pH=4).

Как видно из представленного графика, скорость сорбции ионов металлов превышает максимальную при повышении pH растворимой среды, т. е. от pH =2 до pH=6. Скорость сорбции снижается по мере увеличения значения водородного индекса окружающей среды от нейтрального до щелочного. При сорбции оптимальное значение рН соответствует значению рН образования ацидокомплексов соответствующих металлов. Соответственно, степень сорбции ионов изучаемых металлов в органосорбентах возрастает в следующем порядке: Ni²⁺  < Cu²⁺

Органосорбенты содержат амино-и гидроксогруппы, а в слабокислой среде эти группы активируются протонированием. Результат указывает на то, что ионы металлов сорбируются с образованием ионных связей с функциональными группами, активированными в органосорбентах. Когда раствор становится щелочным, ионы металлов осаждаются в фазу органосорбентов и образуют соответствующие гидроксиды или гидроксокомплексы в сильно щелочной среде.

По результатам изучения сорбции металлов органосорбентами статическая обменная способность органосорбентов (мг-экв/г) в оптимальной среде pH составляет: Ni²⁺ – 2,4-2.78 до, (pH=5); Cu²⁺ - 3,21-4.25 до (pH=5). Мы видим увеличение. Скорость сорбции ионов металлов превышает максимальную в диапазоне значений pH растворимой среды от pH=4 до pH=7. Это состояние указывает на сорбцию ионов металлов в слабокислой среде, образование ацидокомплексов различного состава, образование ионных ассоциаций лиганда с протонированными активными функциональными группами - аминогруппами.

В настоящее время существует несколько способов извлечения или до некоторой степени восстановления ионов металлов из сточных вод, среди которых особое значение имеет извлечение ионов металлов из воды с помощью различных органосорбентов. Сорбционная способность извлечения ионов меди и никеля были исследованы на основе теорий Ленгмюра и Френдлиха. (Табл. 1).

Таблица 1.

Параметры модели изотермы Ленгмюра и Фрейндлиха для сорбции ионов Cu²⁺ на различных органосорбентах, модифицированных хитозаном

Как видно из таблицы 1, результаты параметра изотермической модели Ленгмюра и Френдлиха сорбции ионов Cu²⁺ в модифицированные органосорбенты на основе хитозана были рассчитаны со значениями q_max =181,8-212,7 мг/г (K_L). С другой стороны, мы видим, что значения K_F увеличиваются на 3,76-4,04.

Однако в настоящее время цикл регенерации сорбента очень важен для практического использования органосорбентов. Регенерацию органосорбента проводили 0,5 Н раствором Н₂SO₄. Установлено, что органосорбент обладает высокой химической стабильностью и может использоваться многократно. В таблице ниже 10 раз показан процесс сорбции-десорбции DAS, который изменялся на 5-10%. В настоящее время цикл регенерации сорбента очень важен для практического использования органосорбентов (табл.2)

Таблица 2.

Влияние цикла регенерации на DAS на ионы меди (II) органосорбента

Сорбция ионов металлов из водных растворов органосорбентами - один из современных спектральных методов. С помощью этого метода анализа также были получены энергетические дисперсионные спектры бентонитовых глин и полученных органосорбентов, на основе которых также был определен элементный состав исследуемых органосорбентов (табл.3).

Таблица 3.

Результаты спектров дисперсии энергии (EDS) после пропускания органосорбентов через промышленные сточные воды

Как видно из таблицы 3, при сравнении образцов после пропускания через органосорбенты ионов металлов, содержащихся в промышленных сточных водах, выяснилось, что из металлов выделяют: железо (Fe)-5,2-5,5; титан (Ti) – 4; калий (K)-2; кальций (Сa)-5,9; даже церий (CE), относящийся к числу радиоактивных элементов) -4,13; ванадий- 3,9; никель-0,12%, марганец - 0,27%; серы - до 0,18%. Теоретически, в зависимости от количества металла в десорбированном (элюатном) растворе, концентрации металлов в десорбате образуют элюатные кривые. Для этого из образующегося десорбата через определенные промежутки времени отбирают пробы и определяют количество металла.

Заключение. Таким образом, модифицированные органосорбенты бентонита на основе хитозана могут помочь в очистке сточных вод от ионов меди и никеля, а также в концентрировании технологических растворов.

Список литературы:

1. Chidi O, Nanna O.U, Ifedi O.P. The Use of Organophilic Bentonite in the Removal Phenol from Aqueous Solution: Effect of Preparation Techniques. Mod Chem Appl. 2018. 6; P.258. doi:10.4172/2329-6798.1000258.
2. Имангалиева А. Н., Сейлханова Г.А., Акбаева Д. Н., Рахым А. Б., Кенжалина Ж. Ж. Модифицированный сорбент на основе бентонитовой глины для извлечения ионов кадмия(II) из водных растворов //Комплексное использование минералного сыря. -2016. -№ 3. -C.57-62.
3. Б.К. Шайкулов, Ф.Н. Нуркулов, А.Т. Джалилов / Изучение физико-химических свойств сополимеров синтезированных на основе акриловой кислоты/ «Развитие науки и технологий научно – технический журнал», 5/2022, стр. 110-114.
4. Yaghoobi-Rahni S., Rezaei B. and Mirghaffari N. Bentonite surface modification and characterization for high selective phosphate adsorption from aqueous media and its application for wastewater treatments. The Authors Journal of Water Reuse and Desalination. 2017.,Vol.7. B.2. P.175-186.
5. Azha, S. F., Abd Hamid, S., & Ismail, S. (2017). Development of Composite Adsorbent Coating Based Acrylic Polymer/Bentonite for Methylene Blue Removal. Journal of Engineering and Technological Sciences, 49(2), 225-235. https://doi.org/10.5614/j.eng.technol.sci.2017.49.2.5
6. Chen Y. and et al. A novel adsorbent of bentonite modified chitosan-microcrystalline cellulose aerogel prepared by bidirectional regeneration strategy for Pb (II) removal. //Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021, Т.9, В.4, C.105755.