ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЕНТОВ ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ БЕНТОНИТА И ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена проблеме загрязнения пресных водоемов в результате активного использования воды в бытовых и промышленных целях, что ведет к необходимости разработки эффективных методов очистки сточных вод. В работе рассматривается сорбционный метод очистки воды как один из наиболее результативных способов удаления загрязняющих веществ. Особое внимание уделено использованию природных глин, таких как монтмориллонит и бентонит, благодаря их высокой сорбционной и ионообменной активности. Исследование химического состава и структуры бентонитовых сорбентов из месторождения «Навбахор» показало, что их модификация с помощью солей металлов и кислот позволяет существенно повысить эффективность очистки сточных вод. Проведенный анализ с помощью ИК-спектроскопии подтвердил получение новых сорбентов с улучшенными характеристиками, что делает их перспективными для использования в водоочистных процессах.

ABSTRACT

The article discusses the issue of freshwater pollution caused by the extensive use of water for domestic and industrial purposes. This has led to the need for developing effective wastewater treatment methods. The paper focuses on the sorption method as one of the most efficient ways to remove pollutants from water. Special attention is given to the use of natural clays such as montmorillonite and bentonite due to their high sorption and ion exchange abilities. The study of bentonite sorbent samples from the Navbakhor deposit revealed that their modification with metal salts and acids could significantly enhance the efficiency of wastewater purification. Analysis using infrared spectroscopy confirmed the creation of new sorbents with improved properties, making them promising for water treatment applications.

Ключевые слова: сточных воды, коагуляция, флокуляция, Навбахорский бентонит, очистка, оксиды металлов, алюминий, медь.

Keywords: wastewater, coagulation, flocculation, Navbahor bentonite, purification, metal oxides, aluminum, copper.

Введение. Во все времена поселения людей и размещение промышленных объектов реализовались в непосредственной близости от пресных водоемов, используемых для питьевых, гигиенических, сельскохозяйственных и производственных целей. В процессе использования воды человеком она изменяла свои природные свойства и в ряде случаев становилась опасной в санитарном отношении. В настоящее время значение пресной воды как природного сырья постоянно возрастает. При использовании в быту и промышленности вода загрязняется веществами минерального и органического происхождения. Такую воду принято называть сточной водой [1].

Бурное развитие промышленности вызывает необходимость в предотвращении отрицательного воздействия производственных сточных вод на водоемы. Многие современные технологические процессы связаны со сбросом сточных вод в водные объекты. В связи с чрезвычайным разнообразием состава, свойств и расходов сточных вод промышленных предприятий необходимо применение специфических методов, а также сооружений по их локальной, предварительной и полной очистке.

Одним из эффективных методов очистки воды считается сорбционный. Обычная последовательность процессов физико-химической очистки воды следующая: аэрация – коагуляция – отстаивание (флотация) – фильтрование – сорбция. Сорбционная обработка является «финишной» операцией после очистки воды от грубодисперсных, коллоидных частиц и растворенных примесей [2], [3]. Применение некоторых глин для очистки воды возможно благодаря их высокой сорбционной и ионообменной активности. Существует комплекс признаков, по которым можно классифицировать адсорбенты: структурное состояние, размеры пор, характер их распределения по размерам, форма частиц глинистых минералов и пор [4], [5]. Монтмориллонит относится к сорбентам с изменяющимся в процессе адсорбции размерами микропор и с расширяющейся элементарной ячейкой; параметр с кристаллической ячейки минерала может увеличиваться на 3–10 Å [6]. В межпакетное пространство монтмориллонита внедряется один или несколько молекулярных слоев адсорбируемого вещества

Кроме первичной микропористости, обусловленной кристаллическим строением, сорбент имеет вторичные, переходные поры, образованные зазорами между контактирующими частицами. Переходную пористость в монтмориллоните можно существенно увеличить путем обработки горячими минеральными кислотами, в процессе которой частично растворяются оксиды алюминия, железа и магния и образуется аморфный кремнезем. Основными обменными катионами являются Са²⁺; Mg²⁺; Н⁺; К⁺; NH4+  и Na⁺.

Переработка сточных вод горно-обогатительных комбинатов (ГОК) – проблема, актуальная во всем мире.

Методическая часть и материалы.

Состав бентонита рудника «Навбахор» состоит преимущественно из карбонатно-палыгорскита, а общий химический состав состоит из следующих глин: Mg₂Al₂[Si₈O₂₀](OH)₂•8H₂O•CaCO₃ [7].

Монтмориллонит (Ca,Na)(Mg,Al,Fe)₂[(Si, Al)₄O₁₀](OH)₂ nH₂O и бентонит также содержит каолинит Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈, полиморфную модификацию, полевой шпат K[AlSi₃O₈]-Na[AlSi₃O₈]-Ca[Al₂Si₂O₈], кварц SiO₂, бейделлит (Na, Ca) Al (Si, Al)), кальцит. СаСО₃.

Таблица 1.

Химический состав бентонита месторождение «Навбахор»

Монтмориллонит (Ca,Na)(Mg,Al,Fe)₂[(Si, Al)₄O₁₀](OH)₂ nH₂O и бентонит также содержит каолинит Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈, полиморфную модификацию, полевой шпат K[AlSi₃O₈]-Na[AlSi₃O₈]-Ca[Al₂Si₂O₈], кварц SiO₂, бейделлит (Na, Ca) Al (Si, Al)), кальцит. СаСО₃.

Этапы приготовления бентонитовых сорбентов.

100 г бентонита «Навбахор» отмеряют на весах, помещают в стеклянный стакан емкостью 1000 мл и смешивают с дистиллированной водой до образования более темной смеси. Смесь должна быть однородной, без комочков и остатков. После перемешивания оставляем при комнатной температуре на полчаса-три часа. Цвет бентонитовой суспензии «Навбахор» светло-желтый. Затем берется соль MeCl в пропорциях 10 г (10%), 20 г (20%), 30 г (30%) в пропорции к бентониту «Навбахор». Насыпьте молотую соль в стакан, наполненный 100 мл дистиллированной воды, и размешайте до ее полного растворения. В результате получается более темный и менее прозрачный раствор MeCl. После того как соль полностью растворится, ее оставляют при комнатной температуре на полчаса. Приготовленную суспензию бентонита «Навбахор» и различные растворы MeCl осторожно перемешивают и помещают в стакан. Перемешивать магнитной мешалкой при комнатной температуре в течение 1 часа до полного смешивания. Этот раствор оставляют при комнатной температуре на 24 часа, периодически помешивая. Через 24 часа добавьте 10 мл раствора аммиака 1:10 для удаления ионов хлора из раствора и еще раз перемешайте. Цвет раствора слегка меняет цвет после воздействия аммиака. Таким способом перемешивают еще 24 часа и оставляют при комнатной температуре. Измеряются значения pH раствора. Если значение pH перешло из кислой среды в щелочную, раствор аммиака не добавляют. Промойте дистиллированной водой для удаления электролитов. После этого высушиваем раствор сначала при комнатной температуре (24°С), затем при 80°С и, наконец, при температурах 300 и 550°С, отбираем пробы бентонит-гидроксида, из структуры удаляют конституционную воду монтмориллонит. В этом случае оксиды металлов действуют как катализаторы, разрушающие структуру кристаллической решетки минерала бентонита, тем самым создавая соответствующие поры, обеспечивающие сорбционную активность образцов. Возможно, сами оксиды обладают определенной пористостью.

При получении модифицированного бентонитового композита протекают следующие реакции:

Бент. + MeCl_n(n=2,3) → Бент.MeCl_n

Бент.MeCl_n +nNH₄OH → Бент.Me(OH)_n + nNH₄Cl

Bent.Me(OH)_n нагретый (500-800^oC)→ Бент.Me_xO_y +H₂O

Полученные результаты и их обсуждение

При исследовании бентонита с помощью ИК-спектроскопии можно получить информацию о его химическом составе и структур. Бентонит — это глинистый минерал, в основном состоящий из смектита, который обладает способностью к значительному расширению при контакте с водой. ИК-спектры бентонита обычно включают следующие ключевые характеристики:

Рисунок 1. ИК-спектр исходного Навбахорского бентонита

В ИК-спектре бентонита часто наблюдаются пики в области 3400–3600 см⁻¹, которые соответствуют поглощению связей О–Н (гидроксильные группы). Эти пики указывают на наличие гидроксильных групп в структуре бентонита, что связано с его глинистым происхождением. Пики в области 1620–1650 см⁻¹ могут быть связаны с деформационными колебаниями O–H группы. Эти пики также указывают на присутствие воды или гидроксильных групп. В области 1000–1100 см⁻¹ часто наблюдаются пики, соответствующие натяжным колебаниям связей Si–O, что связано с кремнеземными структурными единицами в составе бентонита. Пики в области 500–700 см⁻¹ могут отражать деформационные колебания связей Al–O, что свидетельствует о наличии алюмосиликатных структур в минерале. Пики на 800–950 см⁻¹: Эти пики часто связаны с вибрациями связей в кремнеземной решетке.

Рисунок 2. ИК-спектр исходного Навбахорского бентонита (500°С)

Рисунок 3. ИК-спектр исходного Навбахорского бентонита (800°С)

При нагревании бентонита при высокой температуре, при 550 и 800^оС, в нем выделяется поглощенная и гигроскопичная вода, поэтому линии поглощения в ИК спектре валентных колебаний, принадлежащих группе O-Н, при 3625,83 см-1 и 1635,9 см-1 1 исчезают (1-3 рисунки).

В ИК-спектрах, полученных после добавления оксидов металлов в бентонит, сохраняются линии поглощения, принадлежащие группам Si–O и Al–O, появляется только линия поглощения, принадлежащая Cu–O, в области 1236 см^-1. (4-5 рисунок)

Рисунок 4. ИК-спектр Навбахорского бентонита с металлом алюминия

Рисунок 5. ИК-спектр Навбахорского бентонита с оксидом меди