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

SORPTION OF LEAD(II) IONS OF A NEW POLYCOMPLEXONE CONTAINING AMINO AND SULFOGROUP
Цитировать:
СОРБЦИЯ ИОНОВ СВИНЦА (II) НОВОГО ПОЛИКОМПЛЕКСОНА СОДЕРЖАЩИЙ АМИНО-И СУЛЬФОГРУППЫ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Хушвактов С.Ю. [и др.]. 2022. 9(102). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14243 (дата обращения: 13.04.2024).
Прочитать статью:

 

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: qе – количество поглощенного иона металла в ионите моль/г, C0 – начальная концентрация ионов металла моль/л, Cp –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.

Изотермы адсорбции являются наиболее важными инструментами для анализа равновесных процессов. Для выражения равновесных процессов в жидких и твердых системах широко используется модель Ленгмюра, которая является наиболее широко используемой и удобной.

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

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

Значения qмах и КL определяются из графика зависимости Cр/qe от Cp.

 

Рисунок 2. Изотерма Ленгмюра. Для ионов Pb2+

 

Выше на рисунке 2 рассчитаны константы Ленгмюра для процессов сорбции ионов Pb2+ из растворов при температурах от 293К до 313К в полиамфолит на основе ПВХ. На основании полученных результатов с помощью уравнения Ленгмюра была рассчитана безграничная константа равновесия адсорбции и сорбции.

Таблица 1.

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

Ионы металлов

T, K

q,

ммоль/г

K, л/моль

-DG0,

Дж/моль

-DH0,

Дж/моль

DS0,

Дж/моль•K

 

Pb(II)

293

90,125

145,29

3441

 

4369

 

26,66

303

104,55

146,07

3708

313

122,57

129,37

3974

 

Выводы. Из приведенной ниже таблицы видно, что значение qmax, 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
Информация об авторах

канд. хим. наук. Чирчикского государственного педагогического института, Узбекистан, г. Чирчик

PhD in chemical sciences, Chirchik State Pedagogical institute, Uzbekistan, Tashkent

канд. хим. наук Чирчикского государственного педагогического института, Узбекистан, г. Чирчик

PhD in chemical sciences, Chirchik State Pedagogical institute, Uzbekistan, Tashkent, Chirchik

науч. исследователь, Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Scientific researcher, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Republic of Uzbekistan, Tashkent

д-р хим. наук, проф., Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of chemical sciences National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

д-р хим. наук, проф., Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of chemical sciences, professor, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top