СОРБЕНТЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ХИТОЗАНОМ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрено получение адсорбентов на основе модифицированного вермикулита и бентонита с хитозаном, а также их использование для очистки сточных вод текстильной промышленности. На основе местных сырьевых ресурсов получены высокоэффективные органосорбенты на основе вермикулита, бентонита модифицированного с хитозаном синтезированного из подмора пчёл Apis Mellifera. Выявлена их высокая адсорбционная способность к активным красителям. С целью определения количественных характеристик были проведены термогравиметрические исследования. Изменение адсорбционной емкости показывает, что адсорбция активного анионного красителя на органосорбентах зависит не только от количества катионообменных центров, но и от величин его доступной поверхности.

ABSTRACT

The article discusses the production of adsorbents based on modified vermiculite and bentonite with chitosan, as well as their use for wastewater treatment from the textile industry. Based on local raw materials, highly effective organosorbents were obtained based on vermiculite, bentonite modified with chitosan synthesized from dead Apis Mellifera bees. Their high adsorption capacity for active dyes has been revealed. In order to determine quantitative characteristics, thermogravimetric studies were carried out. The change in adsorption capacity shows that the adsorption of an active anionic dye on organosorbents depends not only on the number of cation exchange centers, but also on the size of its accessible surface.

Ключевые слова: Вермикулит, бентонит, хитозан, аминополисахарид, Apis Mellifera, сточные воды, оргонобентонит, текстильная промышленность, адсорбция, краситель

Keywords: Vermiculite, bentonite, chitosan, aminopolysaccharide, Apis Mellifera, wastewater, orgone bentonite, textile industry, adsorption, dye.

 Известно, что во всём мире промышленные предприятия загрязняют сточные воды красителями, тяжелыми металлами, органическими реагентами, поверхностно-активными веществами. Так, удельное количество сточных вод, образующихся в процессах красильно-отделочного производства, составляет 200 - 350 м³ на 1 т вырабатываемых тканей. Многообразие поллютантов и их природы требует полифункциональных и селективных адсорбентов, обладающих способностями очистки от часто встречающихся полярных и неполярных веществ. Такими характеристиками могут обладать композиционные сорбенты на основе вермикулита модифицированных органическими молекулами, то есть с хитозаном [1].

Вспученный вермикулит обладает выраженными гидрофобными и анионообменными свойствами [2]. Низкий удельный вес является другим важным свойством вспученного вермикулита.

Рисунок 1. Структурная схема вермикулита

Хитозан является биосовместимым, нетоксичным, биоразлагаемым аминополисахаридом, обладающим антимикробным, сорбционным, антиоксидантным свойствами [3]. Уникальные свойства ХЗ, безусловно, связаны с его молекулярными характеристиками, собственной биологической активностью и способностью образовывать соединения и комплексы с различными химическими веществами [4]. В научно-технической литературе широко освещены способы получения модифицированных минералов бентонитов, вермикулита с хитозаном [5]. Однако, несмотря на это промышленное производство органоминералов в нашей Республике для очистки различных сред, отстаёт от требований производства. Основной причиной которого является отсутствие научно обоснованной приемлемой технологии, обеспечивающей получение органосорбентов высокими характеристиками в качестве адсорбентов. Поэтому научные экспериментальные исследования в этом направлении вдвойне актуальны [6].

Целью исследований является модификация вермикулита и бентонита с хитозаном, синтезированного из подмора пчёл Apis Mellifera и изучения их физико-химических свойств, а также сорбционных показателей органо-сорбентов по отношению к красителям в сточных водах текстильных предприятий.

Экспериментальная часть. Для исследований были выбраны алюмосиликаты: гидрослюда вспученный Вермикулит (ВВ) месторождения Тебинбулок и бентонитовая глина Навбахорского (Na-НБ) месторождения из области Навои [7]. В качестве модификатора минералов использовался реагент – хитозан Аpis Mellifera (ХЗ) [8]. Синтезированные органосорбенты условно названы ХЗ-Na-НБ и органовермикулит ХЗ-ВВ. В качестве красителя использовали краситель Индиго, используемый в производстве “Bukhara cotton” и активный краситель Reactive dуе -2B используемый в производстве Bukhara Brilliant silk.

При модифицировании минералов группы смектита, обладающих расширяющую структурную ячейку с сравнительно большими органическими катионами наблюдается внедрение органических молекул практически во всю внутреннюю поверхность минералов. В результате молекулы среды, т.е. воды адсорбируются в основном на их внешней поверхности [9]. Однако, как показывают результаты исследования возможно адсорбция молекул полярных органических веществ не только на внешней, но и на внутренней поверхности вермикулита и бентонитов с органическими катионами в обменном комплексе. С научной точки зрения замена неорганических обменных катионов глинистых минералов органическими должно приводить к резкому изменению их физико-химических и сорбционных характеристик. Есть данные подтверждающие увеличение адсорбционной емкости модифицированного монтмориллонита по отношению к нефтепродуктам, ароматическим и парафиновым углеводородам. Возросший интерес к органопроизводным глинистых минералов можно объяснить с возможностью их использования в качестве селективных сорбентов.

Адсорбционная емкость по отношению красителя Индиго и активного красителя reactive dye 2B производства Турция измерялась по определению оптической плотности на характерной длине волны с использованием фотоэлектрического калориметра КФК-3М. Активный анионный краситель 2B, представляет собой тёмно-синие кристаллы с блеском.

В лабораторных экспериментах по определению адсорбционной емкости были приготовлены растворы красителя индиго и reactive dye 2B в воде с концентрацией от 1 до 200 мг/л и определялись значения оптических плотностей этих растворов. Для построения калибровочного графика использовались данные об оптических плотностях растворов. В растворы объемом 100 мл были добавлены по 0,1 г адсорбентов в виде порошка. После установления адсорбционного равновесия (от 6 до 24 часов для отдельных образцов) были измерены оптические плотности растворов и используя данные калибровочного графика устанавливались их концентрации мг/л. Количество адсорбированного красителя определялось по формуле:

где, А – количество адсорбированного красителя мг/г; С₀ и С₁ – исходная и равновесная концентрация красителя в растворе, мг/л; V – объем раствора, л; m – масса адсорбента, г. рН водных растворов измерялись с помощью иономера И160-М.

Основной метод исследования кристаллического строения оргоносорбентов является и электронная микродифракция элементный анализ (рис.2).

А)

Б)

В)

Г)

Рисунок 2. Электронно-микроскопический снимок Бентонита и оргонобентонита и вермикулита и Органовермикулита А) Na-НБ; Б) ХЗ-Na-НБ; В) ВВ-НCl; Г) ХЗ-ВВ

В случае хитозана – полимерного модификатора наблюдается образование ассоциатов толщиной в один слой катионов модификатора, вместо гидратно-ионных слоев наружных поверхностей кристаллов монтмориллонита. Вместе с тем повышение размеров молекул модификатора способствует увеличению степени трехмерного порядка в упаковке силикатных слоев. Под электронным микроскопом видно, что крупные частицы ХЗ-Na-НБ и ХЗ-ВВ в основном обладают прямоугольной формой с размерами около 1 мкм и их можно использовать для очистки сточных вод от красителей.

Данные предположения полностью согласуется с результатами рентгенофазового анализа. С целью определения количественных характеристик были проведены термогравиметрические исследования. Эффекты на термограммах при интервале температур 350-450ºС указывают на количества поглощённого органического модификатора, т.е. вошедшего в межслоевое пространство, а не оставшегося на поверхности пакетов. Так, важной характеристикой считается величина потери при прокаливании в пределах вышеотмеченных температур. Для анализа были взяты высушенные при температуре 95ºС оргоноглины, которые содержать минимальные количества молекулярной воды, в связи с чем интенсивность первого термического эффекта должен максимально снизится по отношению к интенсивности исходной глины. Вместе с тем наблюдается образование второго термического эффекта при более высоких температурах, интенсивность которого характеризует количества химически связанного органического вещества. Образование второго термического – экзо эффекта при температуре около 400°С соответствует сгоранию органики [8-9].

Рисунок. 3. Результаты термического анализа (синхронный дифференциально термогравиметрический анализ и сканирующая калориметрия): 1) Бентонит; 2) Хитозан -бентонит; 3) Вермикулит 4) Хитозан вермикулит

Данный эффект как видно из рис.3. отсутствует в природном образце Na-НБ. У образца ХЗ-Na-НБ при термической обработке наблюдается снижение интенсивности первого эндоэффекта, характеризующей затрату теплоты на разрыв молекулярно-связанной воды. Так потеря массы природного бентонита при температурах 100-150ºС составляет около 4,4%, а его органическом производном ХЗ-Na-НБ 1,30%, соответственно. Дальнейшее заметное уменьшение массы образцов Х-Na-НБ происходит при температурах выше 390ºС и составляет 4,02 % от массы исходной оргонофильной глины.

Вывод. Таким образом на основе местных сырьевых ресурсов получены высокоэффективные органосорбенты на основе вермикулита, бентонита модифицированного с хитозаном синтезированного из подмора пчёл Apis Mellifera. Выявлена их высокая адсорбционная способность к активным красителям. С целью определения количественных характеристик были проведены термогравиметрические исследования. Расположение эндо- и экзоэффектов, а также изменение массы при термической обработке доказывают ранние предположения о внедрении ПАВ в межслоевое пространство глин.

Изменение адсорбционной емкости показывает, что адсорбция активного анионного красителя на ХЗ-Na-НБ и ХЗ зависит не только от количества катионообменных центров, но и от величин его доступной поверхности.

Список литературы:

1. Hu Q.H., Qiao S.Z., Haghseresht F., Wilson M.A. and LuG.Q., Adsorption study for removal of basic red dye using bentonite, Ind. Eng. Chem. Res.45. 2006, pp.54-59.105.
2. Хальченко И.Г., Шапкин Н.П., Свистунова И.В., Токарь Э.А., Химическая модификация вермикулита и исследование его физико-химических свойств “Международном научном форуме Бутлеровское наследие – 2015”. http://foundation.butlerov.com/bh-2015/
3. Dutta P.K. Ravikumar M.N. Chitin and chitosan for versatile application JMS. Polym.RevC42. 2002y.P.307.
4. Сизых М.Р. Исследование и разработка технологии локальной очистки сточных вод с применением модифицированных минеральных сорбентов: На примере красильно-отделочных производств. Дисс…. канд.тех.наук. Санкт-Петербург. 2011 г. 164 с.
5. Лахбаева Ж.А. Сорбционно-флокуляционная очистка воды от ионов тяжелых металлов. Дисс.на соискание степени доктора философии PhD.Казахстан. Алмааты. 2017г.127с.
6. Умаров, Б.Н.У., Нарзуллаева, А.М., 2023. Гидрогенизация растительных масел с целью использования их в качестве пластификаторов к полимерам. Universum: технические науки, (4-5 (109)), pp.30-33.
7. Ikhtiyarova G.A., Umarov B.N., Turabdjanov S.M., Mengliyev A.S., Usmanova G.A., Axmadjonov A.N., Haydarova Ch.Q. Physicochemical properties of chitin and chitosan from died honey bees Apis Mellifera of Uzbekistan. Journal of Critical Reviews. Vol 7., Issue 4, -2020. P.120-124.
8. Hu, Q., Xu, Z., Qiao, S., Haghseresht, F., Wilson, M., and Lu, G.Q., (2007), A novel color removal adsorbent from hetero coagulation of cationic and anionic clays. Journal of colloid and interface science, 308, pp 191-199.
9. Гаврилова Н.Н. Анализ пористой структуры на основе адсорбционных данных: учеб. пособие / Н. Н. Гаврилова, В. В. Назаров. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2015. – 132 с.
10. Ихтиярова Г.А., Умаров Б.Н, Исомитдинова Д.С. Туробджанов С.М. Очистка сточных вод текстильного предприятия композиций на основе вермикулита и модифицированного хитозана. Kompjzitsoin Materiallar Ilmiy texnikaviy amaliy jurnal №4. 2021 116-118 bet