ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ Al-ИНТЕРКАЛИРОВАННЫХ МОНТМОРИЛЛОНИТОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К Cr2 O72- ИОНАМ

АННОТАЦИЯ

В приведены исследования адсорбционных свойств интеркалированных алюмосиликатов по отношению анионов на примере Cr₂O₇^2-. Исследована кинетика адсорбции. Данные изотермы охарактеризованы с помощью уравнения Ленгмюра. Полученные адсорбционные показатели по отношению к анионам согласуются данными, рассчитанных на основе адсорбции паров воды по уравнению БЭТ.

ABSTRACT

Investigations of the adsorption properties of intercalated aluminosilicates with respect to anions are presented in the example of the Cr₂O₇^2-. The kinetics of adsorption was investigated. These isotherms are characterized using the Langmuir equation. The results obtained agree with the data on the specific surface area of these sorbents, calculated on the basis of the adsorption of water vapor according to the BET equation.

Ключевые слова: бентонит, монтмориллонит, глина, адсорбция, интеркаляция, полиоксокатионы, дихромат ионы.

Keywords: bentonite, montmorillonite, clay, adsorption, intercalation, polyoxocations, dichromate ions.

Введение

Увеличение объема отходов промышленного происхождения, выбрасываемых в окружающую среду напрямую связано с расширением промышленного производства. Основными загрязнителями выступают ионы тяжелых металлов и минеральных кислот. Содержание токсичных веществ превышающих ПДК в сточных и природных водах угрожает всем организмам экосистемы, так как вода является основным источником жизнеобеспечения. Человеческий фактор сыграл основную роль в данной ситуации. В связи с этим исследования, направленные на разработку высокоэффективных адсорбентов по удалению токсических и вредных веществ из сточных вод, являются весьма актуальными [1-3].

В настоящее время проводятся исследования по созданию пиллар материалов, обладающих повышенными поверхностными характеристиками за счет наличия активного компонента в межплоскостном пространстве и развитой удельной поверхности. Показаны, что данные материалы могут использоваться для адсорбционного и каталитического удаления различных полютантов из водных и газовых сред [4-6].  

Вместе с тем имеющиеся литературные данные показывают, что наиболее содержательным при изучении текстурных характеристик и геометрической структуры является именно метод определения на основании адсорбции из растворов.

Объекты и методы исследования

Целью данной работы являлось изучение адсорбционных характеристик разработанных пиллар материалов (13-ММ и 30-ММ) на основе монтмориллонита (НЩБ) и полиоксокатонов алюминия, данные про которых приводятся в ранних работах авторов [7-8]. В качестве адсорбата из водных растворов был выбран дихромат анион (дихромат калия – K₂Cr₂O₇ х.ч.).

Исследования адсорбционных процессов с участием дихромат ионов проводились в соответствии с требованиями [9]. Спектрофотометрический анализ проведен с помощью спектрофотометра METASH UV-5100. Изучена кинетика процесса адсорбции Cr₂O₇^2- для определения необходимого времени для установления адсорбционного в системах с ММ. Кинетика процесса изучена только для одной концентрации (50 мг/л).

Для обработки изотермы адсорбции использовалась модель Ленгмюра. Различные модели изотерм адсорбции являются подходящим инструментом для понимания природы поверхности высокопористого материала. Правильный выбор уравнения адсорбции в зависимости от диапазонов остаточной концентрации показывает истинную картину поверхности.

Использование модели Ленгмюра для описания процессов адсорбции из растворов позволяет оценить равновесные характеристики адсорбционных систем. Известно, что применение уравнения Ленгмюра предполагает, что адсорбция является мономолекулярной и локализованной, эквипотенциальность поверхности адсорбента и отсутствует латеральное взаимодействие в системе.

Количество адсорбированного адсорбата определялось по формуле:

где: С₀ и С₁ – исходная и равновесная концентрация адсорбата в растворе, ммоль/л; V – объем раствора, л; m – масса адсорбента, г.

Модель адсорбции Ленгмюра выражается формулой:

Где: А – величина адсорбции, ммоль/г; А_∞ - емкость адсорбционного монослоя, ммоль/г; К – константа Ленгмюра, характеризует энергию взаимодействия адсорбата с адсорбентом. Использование линейной формы данного уравнения удобно для нахождения его констант.

Все полученные изотермы относятся к изотермам типа Ленгмюра, о чём свидетельствует высокие значения коэффициентов корреляции. Поэтому дальнейшая их обработка позволила определить величину предельной адсорбции и константы адсорбции.

Результаты и их обсуждение

Из рис. 1 следует, что насыщение поверхности исходного образца монтмориллонита (НЩБ) ионами адсорбата начинается примерно через 1-1,5 час эксперимента, но для более устойчивого равновесия в данной системе следует проводить около 2,5 часов. Поэтому в дальнейшем, для снятия изотерм адсорбции процесс проводился около 2,5 часов.

Рисунок 1. Кинетическая кривая адсорбции дихромат ионов на образце НЩБ в нейтральной среде

Рисунок 2. Изотермы адсорбции дихромат ионов на изучаемых образцах в нейтральной среде

Как можно заключить из кривых рисунка Al пиллар монтмориллонитам характерны повышения количеств адсорбции по сравнению с исходным образцом при одинаковых равновесных концентрациях адсорбтива а растворе, что особенно заметно для образцов, полученных на основе поликатионов алюминия Al₃₀ (30-ММ).

На рис. 3 приведены изотермы адсорбции дихромат иона в обратных координатах в соответствии с уравнением Ленгмюра для исследуемых пористых материалов.

Рисунок 3. Изотермы адсорбции образцов (сверху вниз) 1) 30-ММ; 2) 13-ММ; 3) НЩБ в обратных координатах Ленгмюра

Предельные значения адсорбционной ёмкости (A_max) и константа процесса (К), рассчитанные на основе данных рис. 3 представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Значения характеристик адсорбционного процесса

Как показывают данные, значения предельной адсорбции анионов дихромата на адсорбентах, интеркалирование природного бентонита приводит к заметному их повышению. Вместе с тем пилларирование крупных гигантских катионов Al₃₀ более чем в два раза увеличивает адсорбционную активность по отношению к данному адсорбату, что связано с увеличением анионообменных центров адсорбции, в то время как для образца 13-ММ повышение предельной адсорбции составляет только в 1,52 раза. Схожие изменения количеств адсорбции доказывают ранние предположения о различном воздействии природы интеркалируемого агента на поверхностные характеристики интеркалированных материалов на их основе.

Адсорбция анионов на природном бентоните происходит в основном в мезопорах, но для отдельных анионов она может происходить и в микропорах [10]. Процессы адсорбции анионов, протекающие на бентонитах, модифицированных полигидроксосоединениями металлов, являются сложными процессами. Поскольку для сильно сорбируемых анионов, таких как дихромат, не характерны процессы комплексообразования активным компонентом, т.е. столбиками из ионов алюминия ни в растворе, ни в твёрдой фазе, то можно предполагать, что адсорбция анионов может проходить как по механизму ионного обмена, так и по механизму образования новых связей между положительно заряженной частью поверхности адсорбентов и отрицательно заряженными ионами. 

Заключение

Таким образом, полученные значения адсорбционных показателей по отношению к дихромат ионам согласуются данными, рассчитанных на основе адсорбции паров воды. Для образцов с высокой удельной площадью поверхности поглощение исследуемых анионов из модельных растворов больше, чем для образцов с низкими её значениями. Увеличение адсорбционной способности Al-интеркалированных монтмориллонитов по отношению как к катионам, так и анионам можно объяснить тем, что при включении полиоксокатионов в межслоевое пространство увеличивает анионообменные центры, а также образуются столбчатые структуры между слоями, обеспечивающие дополнительные поры и большую удельную поверхность.  

Список литературы:

1. Кузнецова Л. С., Снежко А. Г., Борисова З. С. и др. Очистка и обеззараживание сточных вод перерабатывающих предприятий АПК // Пищевая промышленность. 2002. № 10. С. 52-53.
2. Яромский В.Н. Очистка сточных вод пищевых и перерабатывающих предприятий. Минск: Изд. центр БГУ, 2009. 171 с.
3. Уташев Ё.И., Абдикамалова А.Б., Эшметов И.Д. Интеркалированные системы в качестве адсорбентов // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2020. № 6 (72). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/9524.
4. Pinnavaia, T.J. Intercalated Clay Catalysts / T.J. Pinnavaia // Science. – 1983. – Vol. 220. – P. 365-371.
5. Feng, Y. Effect of microwave irradiation on the preparation of iron oxide/arenaceous clay sorbent for hot coal gas desulfurization / Y. Feng, T. Hu, M. Wu, J. Shangguan, H. Fan, J. Mi // Fuel Process. Technol. – 2016. – Vol. 148. – P. 35-42.
6. Горобинский Л.В., Фирсова А.А., Фаттахова З.Т. Получения глины со столбцами из оксида и карбоната кальция // Неорганические материалы. 2005, Т. 41. № 2. С. 254-256.
7. Абдикамалова А.Б Синтез и коллоидно-химические свойства интеркалированных систем на основе полиоксокатионов металлов и алюмосиликатов: дис. … док. хим. наук (02.00.11). – Тошкент, 2021. – 18-35 с.
8. A.B.Abdikamalova, E.I.Utashev, A.M.Kalbaev, N.N.Mamataliev, D.M.Khaidarov, I.D.Eshmetov. Columnar Clays Intercalated with Iron Compounds // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2021. Vol. 8, Issue 3. – Рр. 16903-16910.
9. ПНД Ф 14.1:2:4.52-96. Методика измерений массовой концентрации ионов хрома в питьевых, природных и сточных водах фотометрическим методом с дифенилкарбазидом.
10. Никитина Н.В. Физико-химические свойства сорбентов на основе природного бентонита, модифицированных полигидроксокатионами металлов: Автореф. дис. … канд. хим. наук (02.00.04). – Саратов : Ин-т химии ФГБОУ ВО «Саратовский нац. исс. гос. университет им. Н.Г. Чернышевского, 2019. – 23 с.