МОДИФИКАЦИЯ КАОЛИНА С ОКСИДАМИ МЕТАЛЛОВ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

АННОТАЦИЯ

В ходе данного исследования изучены физико-химические свойства модифицированных образцов Ангренских каолинов марки АКС-30 и АКС-70 (Узбекистан) с оксидами металлов и выявлены возможности очистки производственных сточных вод адсорбцией с использованием сорбционных материалов. На основе полученных результатов установлено, что степень очистки катионов из загрязненных водных ресурсов находится в пределах от 41,4 до 92,7 % и анионов от 60,0 до 90,5 % в зависимости от исходного состава. Также обнаружено снижение содержания сухого остатка от 6530 мг/дм³ до 17,5 мг/дм³ (83 %) и общей жесткости воды от 70,6 мг-экв/дм³ до 4,1 мг-экв/дм³ (95,9 %). Кроме этого наблюдается достижение норматив питьевой воды. Найдено, что эффективность сорбционных свойств модифицированных минералов на основе АКС-30 и АКС-70 напрямую зависит от их удельной поверхности и пористой структуры.

ABSTRACT

The physicochemical properties of modified samples of Angren kaolins of the AKS-30 and AKS-70 grades (Uzbekistan) with metal oxides were studied and the possibilities of purifying industrial wastewater by adsorption using sorption materials were identified. Based on the results of the study, it was determined that the degree of purification of cations from polluted water resources is in the range from 41.4 to 92.7% and anions from 60.0 to 90.5% depending on the initial composition, as well as a decrease in the content of dry residues from 6530 mg/dm3 to 17.5 mg/dm3 (83%) and total water hardness from 70.6 mg-eq/dm3 to 4.1 mg-eq/dm3 (95.9%). Furthermore, drinking water standards were achieved. It was found that the sorption efficiency of modified minerals based on AKS-30 and AKS-70 is directly dependent on their specific surface area and porous structure.

Ключевые слова: каолиновые минералы, модификация, оксиды металлов, адсорбция, сточные воды, эффективность сорбции, удельная поверхность, пористая структура.

Keywords: kaolin minerals, modification, metal oxides, adsorption, wastewater, sorption efficiency, specific surface area, porous structure.

Введение. На сегодняшний день в мире экологические проблемы становятся все более актуальными. Наличие в составе сточных вод, образующихся в результате бурного развития промышленных предприятий, различных загрязняющих веществ, таких как ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов и других вредных химических компонентов, не только ухудшают состав технической воды, но и влияют на качество питьевой воды, используемой населением [5; 9–12]. Поэтому необходимо использовать эффективные методы очистки, чтобы сделать водные ресурсы безопасными [3; 4; 7]. В связи с этим существует высокий потенциал создания сорбционных материалов путем изучения адсорбционных свойств местных Ангренских каолиновых минералов и их модификации с целью получения дешевых и эффективных адсорбентов [6; 8]. Ведутся научные исследования по очистке промышленных сточных вод методом сорбции с использованием модифицированных минералов с целью создания новых композиционных сорбционных материалов и анализ физико-химических свойств процесса адсорбции, экологические эффективности применения их в практических условиях [1; 2; 6].

Методика исследования. Для определения химического состава Ангренских каолинов АКС-30 и АКС-70 при температуре 300^оС применен оптикоплазменно эмиссионный спектрофотометр “ICPE 9820” фирмы Shimadzi (Япония). При исследовании адсорбции на модифицированных адсорбентах и при практическом использовании методов адсорбции органических веществ из различных растворов не меньшее значение имеет оценка и учет пористой структуры модифицированных адсорбентов. Для постоянного сохранения стабильности гомогенных свойств адсорбентов в их состав добавляли до 1,0 % парафин и госсиполовую смолу. Содержание модифицированных каолиновых адсорбентов АКС-30 и АКС-70 равнялось от 1,0 г до 2,5 г. Температуру экспериментов изменяли в интервале 293–333 К, время продолжительности контакта фаз в процессе адсорбции было равным от 5 до 100 мин., скорость перемешивания фаз — 50–300 об/мин.

Результаты и их обсуждение. На основе проведенных опытов определена адсорбционная эффективность сорбции катионов и анионов, содержащихся в составе сточных вод с модифицированными минералами каолинов АКС-30 и АКС-70 с использованием окиси алюминия и окиси меди. Физико-химические свойства образцов композиционного материала на основе Ангренских каолинов марки АКС-30 и АКС-70 с применением оксидов металлов алюминия приведены в таблице 1 и 2.

По результатам данных таблицы 1 и 2 видно, что эффективность сорбционных свойств композитов на основе каолиновых минералов, модифицированных с применением оксидов металлов, напрямую зависит от их удельной поверхности и пористой структуры.

Таблица 1.

Физико-химические свойства образцов композиционного материала АКС-30 и оксидов металлов

Таблица 2.

Физико-химические свойства образцов композитов АКС-70 и оксидов металлов

Таблица 3.

Очистка сточных вод сорбентом, полученным на основе АКС-30 и оксида алюминия

Таблица 4.

Очистка сточных вод сорбентом, полученным на основе АКС-70 и оксидом алюминия (рН среды=7,0).

При сравнении результатов очистки производственных сточных вод с применением композиционных адсорбентов на основе АКС-30 и АКС-70 определено существенное снижение большинства показателей. Во-первых, при использовании АКС-30 и АКС-70 сухой остаток снизился с 6530 мг/дм³ до 1143 мг/дм³ и 1183 мг/дм³ соответственно. Общая жесткость воды снизилась с 70,6 мг-экв/дм³ до 2,921 мг-экв/дм³ (95,9 %) и 3,27 мг-экв/дм³ (95,3 %) соответственно. Надо отметить, что эти значения показывают результат достижения норматива питьевой воды. Наряду с этим наблюдалось снижение мутности воды. Также отмечено существенное снижение содержания анионов, находящихся в сточной воде. Содержание кальция в присутствии АКС-30 снизилось с 601,2 мг/дм³ до 43,8 мг/дм³ (92,7 %), а при АКС-70 до 50,7 мг/дм³ (91,5 %), магния при АКС-30 снизилось с 484,4 мг/дм³ до 45,4 мг/дм³ (90,6 %), а при АКС-70 снизилось до 49,3 мг/дм³ (90,0 %). Содержание сульфат ионов (SO₄^2-) снизилось с 2157 мг/дм³ до 205,9 мг/дм³ (90,5 %) при АКС-30 и до 209,8 мг/дм³ (90,3 %) при АКС-70 соответственно.

Кроме этого снизилось содержание хлорид ионов (Cl^-) при использовании АКС-30 с 531,7 мг/дм³ до 132,6 мг/дм³ (75 %), а при АКС-70 до содержания 138,5 мг/дм³ (снижение 74 %). Отмечено также снижение содержания ионов тяжелых металлов. Например, при использовании АКС-30 — содержание ионов никеля с 0,374 мг/дм³ снизилось до 0,183 мг/дм³ (снижение на 51,0 %), а при АКС-70 — до 0,215 мг/дм³ (57,5 %); содержание ионов хрома (VI) снизилось с 0,072 мг/дм³ до 0,039 мг/дм³ (54,2 %), содержание меди уменьшилось с 0,032 мг/дм³ до 0,014 мг/дм³ (56,0 %) при АКС-30 и до 0,023 мг/дм³ (72,0 %) при АКС-70.

Также наблюдалась снижение содержания ионов цинка, марганца кобальта в пределах 27,4 %–71,0 %. Снижение содержания ионов железа было равным 48,5 % при АКС-30 и 57,0 % при адсорбентах, модифицированных на основе АКС-70.

При сравнении результатов исследований по очистке сточных вод сорбентами, приготовленными на основе модификации Ангренских каолинов марки АКС-30 и АКС-70 в присутствии оксида меди с исходными составами, приведенными в таблицах 1 и 2, отмечено изменение эффективности по многим показателям. Сухой остаток снизился с 6530 мг/дм³ до 1038 мг/дм³ при АКС-30 и до 1124 мг/дм³ при АКС-70 и произошло уменьшение на 84,0 % и 82,8 % соответственно. Общая жесткость воды снизилась при этом с 70,6 мг-экв/дм³ в пределах 2,011-2,26 мг-экв/дм³ (97,2 с АКС-30 и 96,8 % с АКС-70), достигнув норматива питьевой воды. Мутность снизилась на 93,4 %.

Из катионов кальций снизился с 601,2 мг/дм³ до 21,5 мг/дм³ (снижение на 96,4 % при использовании АКС-30) и до 45,8 мг/дм³ (снижение на 92,4 % при АКС-70), магний снизился с 484,4 мг/дм³ до 35,3 мг/дм³ (на 92,7 %) и 41,3 мг/дм³ (на 91,5 %), содержание анионов SO₄^2- с 2157 мг/дм³ до 158,4 м/дм³  (на 92,7%) и до 195,9 мг/дм³ (на  90,8%), Cl^- снизился с 531,7 мг/дм³ до 118,5 мг/дм³ (на 78,0%) и до 115,4 мг/дм³ (на 78,4 %), CO₃^2- снизился с 5,0 мг/дм³ до 1,8 мг/дм³ (на 64 %) и до 2,1 мг/дм³ (на 42,0 %).

Среды металлов показывают, что содержание Na снизилось с 528,7 мг/дм³ до 221,0 мг/дм³ (на 47,5 %) и до 198,9 мг/дм³ (на 41,3 %), произошло снижение калия с 123,6 мг/дм³ до 59,94 мг/дм³ (на 48,5 %) и до 69,9 мг/дм³ (на 50,1 %); Ni — с 0,374 мг/дм³ до 0,198 мг/дм³ (на 52,9 %) и до 0,198 мг/дм³ (на 53 %), Cu — c 0,032 мг/дм³  до 0,008 мг/дм³ (снижение на 75,0 %) и до 0,011мг/дм³ (на 66,0 %), Zn — с 0,034 мг/дм³ до 0,006 мг/дм³ (на 72,0 %) и до 0,013 мг/дм³ (на 61,2 %), Со — с 0,248 мг/дм³ до 0,195 мг/дм³ (снижение на 78 %) и до 0,097 мг/дм³ (на 61,0 %), Cr(VI) — с 0,072 мг/дм³ до 0,053 мг/дм³ (снижение на 78,6 %) и до 0,028 мг/дм³ (снижение на 61,1 %) соответственно в отношении примененных сорбентов АКС-30 и АКС-70.

Таблица 4.

Очистка сточных вод сорбентом, полученным на основе АКС-70 и оксидом алюминия

Таблица 5.

Очистка сточных вод сорбентом, полученным на основе АКС-30 и оксида меди

Таблица 6.

Очистка сточных вод сорбентом, полученным на основе АКС-70 и оксида меди

Заключение. На основе проведенных исследований установлено, модифицированные образцы каолиновых минералов АКС-30 и АКС-70 обладают высокой сорбционной емкостью по эффективности очистки промышленных сточных вод от катионов и анионов, а также отмечено эффективное выведение ионов кальция и магния. При этом общая жесткость воды изменяется с 70,6 мг-экв/дм³ до 2,8. Определено, что оптимальным вариантом для получения сорбционных материалов являются адсорбенты с соотношением компонентов 1,0:0,2 (минерал каолина: оксид металла). Площадь поверхности сорбентов с данным соотношением компонентов составила 401 м²/г, а объем пор – 164,5 см³/г.

Список литературы:

1. Бобоев О.О., Нуруллаев Ш.П. и др. Изотерма и теплота адсорбции паров бензола и толуола модифицированных каолиновых адсорбентов // Universum: Химия и биология. — №12 (138). — 2025. — С. 68–72.
2. Буриев М.И., Бобоев О.О., Убайдуллаев С.А., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С. Исследование выделения органических углеводородов и ионов металлов модифицированными адсорбентами // Universum: Химия и биология. — 2026. — № 2 (140). — С. 52–57.
3. Исмаилов А.А., Маматов А.М., Нуруллаев Ш.П., Атауллаев Ш.Н., Алихонова З.С. Ингибирование процесса  коррозии сталей и образование отложений минеральных солей //  Universum: технические науки. — 2024. — № 3 (120). — C. 37–43.
4. Исмаилов А.А., Маматов А.М., Рузметов И., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С., Саидмирзаева Д.Б. Композиционный сорбент с магнитными свойствами на основе отходов роторного шлака и древесных волокон // Universum: технические науки. — 2024. — № 3 (120). —  C. 31–36.
5. Нуруллаев Ш.П., Рузметов И, Саидмирзаева Д.Б. Сорбционные материалы с использованием роторных шлаков и применение их для очистки воды // Universium: технические науки. — № 2 (71). — 2020. — C.64–68. 
6. Убайдуллаев С.А., Бобоев О.О., Хандамова Д.К., Нуруллаев Ш.П.,  Алихонова З.С. Adsorption of certain anions and cations in water resources using a modified local kaolin sorbent // Universum: Химия и биология. — 2025. — №11 (137). — С. 29–36.
7. Усаров О.Б., Хандамова Д.К., Бобоев О.О., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С. Анализ термической стабильности модифицированных адсорбентов // Интеграция современных физико-химических методов исследования в науку и производство: сб. ст. конф. (с участием иностранных ученых). — Национальный университет Узбекистана, 2025. — С. 214–216.
8. Усаров О.Б., Хандамова Д.К., Бобоев О.О., Нуруллаев Ш.П., Алихонова З.С. Анализ термического сопротивления модифицированных адсорбентов // Вестник ОшГПУ им. А. Мырсабекова. — 2025. — № 2. (26). — Т.2. — С. 158–160.
9. Arena C., Arico G. Chiral heterobidentate pyridine ligands for asymmetric catalysis // Current Organic Chemistry. — 2010. — Vol.14. — № 6. — Pp. 546–580.
10. Graham Solomons T.W. (University of South Florida), Craig B. Fryhle (Pacific Lutheran University), Scott A. Snyder (Columbia University). Organic Chemistry, 2013. — 1255 p. 
11. Ruzmatov I., Nurullaev Sh.P., Saidmirzaeva D.B., et al. The sorbents with using rotory slag and physico-chemical characteristic of the absorption // AIP Conference Proceedings. — 2022. — Vol. 2432. — 050058. https://doi.org/-10.1063/-5.0090651.
12. Xandamova D.K., Nurullayev Sh.P., Xandamov D.A., Bekmirzayev A.Sh., Doniyorov S.A. Properties of methanole vapor adsorption in carbonate-polygoskitle navbakhor bentonite // Asian Journal of Multidimensional Research. — Vol. 10. — Is. 1. — January. — 2021. — Pp. 271–276.