Получение комплексообразующего сорбента на основе модификации метасиликата натрия с карбамидом и изучение его сорбционных свойств

АННОТАЦИЯ

В статье показано получение нового комплексообразующего сорбента на основе модификации метасиликата натрия мочевиной и исследованы его сорбционные свойства. В исследованиях проводились анализы по времени, определяли сорбционную емкость и скорость сорбции сорбента. В результате исследований показали, что сорбционная емкость полученного сорбента по отношению к ионам тяжелых металлов показали высокий результат, который достигает по иону  140,8 мг/г.

ABSTRACT

The article shows the preparation of a new complexing sorbent based on the modification of sodium metasilicate with urea and investigates its sorption properties. In the studies, time analyzes were carried out, the sorption capacity and sorption rate of the sorbent were determined. As a result of the research, it was shown that the sorption capacity of the obtained sorbent in relation to heavy metal ions showed a high result, which reaches 140.8 mg/g for the   ion.

Ключевые слова: Кремнийсодержащие минералы, ионообменная способность, ионы меди, гидроксильные группы, жидкое стекло, сорбент, модификация, карбамид, сульфат меди.

Keywords: Silicon-containing minerals, ion exchange capacity, copper ions, hydroxyl groups, liquid glass, sorbent, modification, carbamide, copper sulfate.

Введение

Минералы, содержащие кремний, и синтетические сорбционные материалы представляют собой широкую группу соединений с различными специфическими физико-химическими и техническими свойствами.

Все известные кремнийсодержащие сорбенты делятся на две основные категории. Первые природные и синтетические минеральные носители на основе диоксида кремния и химически модифицированных продуктов. Некоторые другие полимеры являются кремнийорганическими. Адсорбент каждого из этих соединений обладает свойствами, которые определяют фактическую область применения. Методы получения, физико-химические свойства и применение этих материалов описаны в многочисленных обзорных статьях [1,2].

Способы получения функциональных адсорбентов, содержащих кремний, на основе минералов делятся на три основные группы:

1. Односторонний синтез путем гетерогенности (нестабильности) предварительно синтезированных органических или кремнийорганических соединений, который приводит к образованию разлогающихся материалов со связями Si-C, Si-N, Si-O. В этом случае сорбционные материалы со связями Si-C представляет особый интерес из-за его высокой гидролитической устойчивости.

2. Метод поверхностного связывания или поверхностного синтеза, который заключается в последующей модификации химических связей, расположенных на поверхности минерального носителя. Надобность использования способа поверхностной сборки в реакции комплексообразующих сорбентов вызвана как ограниченным набором силанов, применимых для сего, например, и больше широкими синтетическими вероятностями способа поверхностной сборки, позволяющего получить материалы, труднодоступные для одностадийного модифицирования.

3. Гидролитический метод, или «золь-гель», в котором образование кремниевой матрицы гидролизует один (тетраэтоксилановое время) силан и его функционализацию другими психоделическими соединениями. Продукт этого процесса представляет собой органо-неорганический гибридный полимер, характеризующийся одинаковым статистическим распределением функциональных групп.

Хотя возможность модификации цеолитов и кремнеземов в основном определяется наличием на их уровне только гидроксильных групп, тем самым удалось синтезировать широкий спектр сорбционных материалов с набором функциональных заместителей по сравнению с органическими сорбентами. [3].

Переносчики минералов, модифицированные органическими соединениями, без участия кремниевых сшивающих агентов, до недавнего времени составляли очень небольшую группу. Это связано с ограниченным характером тех якорных групп, которые могут нести ответственность за фиксацию органического соединения на поверхности диоксида кремния. В основном это соединения, содержащие гидроксильные группы. [4,5].

На анионитах, приобретенных поликонденсацией полиэтиленполиамина, эпихлоргидрина и тиомочевины - (ДГТ+ПЭПА) и полиэтиленимина, эпихлоргидрина и тиомочевины - (ДГТ+ПЭИ), были проведены изучения отдельных закономерностей ионного обмена, которые имели возможность бы работать базой для физико-химических свойств испытуемых анионитов [6]. Из ведущих химических качеств ионитов весомый практический смысл содержит ионообменная дееспособность, которая охарактеризовывает иониты с целью оценки их эксплуатационных качеств. Размер ее, в ведущем, находится в зависимости от числа ионогенных групп ионита, степени их диссоциации, а еще от природы и сосредоточении обменивающихся ионов.

Однако низкие сорбционные свойства кремнийсодержащих минералов не позволяют напрямую использовать их в качестве сорбента. В связи с этим первостепенное значение приобретает вопрос повышения сорбционных свойств природных материалов с помощью различных методов модификации с использованием существующих реагентов или синтеза кремнийсодержащих сорбентов на органической основе.

Задача предоставленной работы - создание нового сорбента на базе карбамида и силиката натрия для чистки сточных вод от ионов меди.

Нами синтезирован сорбент на основе силиката натрия с карбамидом в присутствие катализатора. Вместо  силиката натрия использовалось натриевое жидкое стекло с силикатным модулем равным 2,7. Для процесса модифицирования необходимо, чтобы карбамид добавлялся к жидкому стеклу и перемешивание происходило при  температуре 20-30°С, что даёт быстрое образование гомогенных композиций, в конце перемешивания получается гомогенный раствора карбамида в жидком стекле. В случае осуществления модифицирования при температуре ниже 20 °С процесс сильно замедляется, а в случае завышения температуры выше верхнего предела (выше 30 °С) имеет место образования нерастворимых в жидком стекле сгустков модификатора и модификация пройдет неравномерно. Затем температура поднималась до 90°С.  При  этой температуре выделяется вода

и продолжается модификация за счет гидроксильных групп силиката с амидными группами карбамида. Катализатор добавляется в реакционную массу перед подъёмом температуры в количестве 1% от массы жидкого стекла. Реакция идет по ниже указанной схеме 1.

Рисунок 1. Модификация жидкого стекла

Благодаря подобранным модификаторам процесс модифицирования жидкого стекла не требует интенсивного перемешивания, поэтому его можно завершить за 30 минут при невысокой скорости перемешивания первичного продукта (не более 90 об/мин).

По истечению 30 минут реакционную массу оставляют для выдерживания при комнатной температуре в течении 24 часов. Полученная твердая масса измельчается до крупности 1 мм, измельченная масса подвергается термообработке при 180 °С. Полученный сорбент промывают дистиллированной водой до pH-7 и сушат при температуре 100 ° C до постоянной массы. Полученный сорбент представляет собой белый порошок, обладающий хорошими сорбционными свойствами.

Сорбционная емкость полученного сорбента изучалась при постоянной температуре 20°С, для этого были приготовлены модельные растворы с содержанием ионов меди, 0,1н водный раствор сульфата меди. В десять пробирок, с 10мл раствора добавлялось по 0,1 г сорбента. Содержимое пробирки непрерывно перемешивалось в течение заданного времени, затем суспензию отстаивали и проводили анализ осветленного раствора на ионы меди  методом УФ-спектроскопии.

Исследование проводилось на приборе двух лучевого спектрофотометра UV-1900 SHIMADZU (Япония).  Измерение проводилось в спектральном диапазоне от 300 до 700 нм.

Для получения кинетических графиков насыщения, навески сорбента помещали в образцы растворов двух валентных ионов меди и выдерживали в течение 2–24 ч, определяя через определённые промежутки времени текущую концентрацию ионов меди в растворе с течением времени.

Анализ проводился по времени, определяли сорбционную емкость и скорость сорбции сорбента. В результате исследования получен ниже приведённый график, показанный на рисунке.

Рисунок 2. Изменение концентрации в растворе ионов меди после сорбции по времени

Из графика видно, что влияние времени сорбции ионов меди на сорбент из раствора происходит до 14 часов (0,056 н), через 10 часов процесс сорбции резко снижается, концентрация раствора уменьшается до 0,06н и после 14 часов изменения не происходит. Исследование показало, что через 1 час плотность ионов меди в растворе снизилась с 0,1 н до 0,9 н, через 2 часа постепенно снизилась до 0,08 н, а через 3 часа концентрация ионов меди в растворе достигла 0,075 н, а после 6-ти  часов наблюдалось уменьшение концентрации раствора до 0,065н.

Статическая обменная емкость полученного сорбента при заданных рабочих условиях экспериментально выводится из уравнения баланса расчёта с ниже указанной формулой.

=, мг-экв/г.

- начальная концентрация i-иона в растворе, н.;

- конечная концентрация i-иона в растворе после сорбции, н.;

V - объем раствора, взятого для сорбции, мл;

m - навеска адаптивно-селективного ионообменного материала, взятого на сорбцию, г;

i - индекс, отражающий принадлежность параметра данному иону;

Наши данные: -0,1н, -0,056н, ,V-10мл, m-0,1г.

= =  = 4,4 мг-экв/г.

=140,8 мг/г, по

По полученным результатам можно сделать вывод, что обменная емкость полученного сорбента  иона  140,8 мг/г.

Результаты исследования, представленные в этом исследовании, позволяют сделать следующие выводы:

Определено, что сорбционная емкость полученного сорбента по отношению к ионам тяжелых металлов ) показали высокий результат, который у иона достигает 140,8 мг/г. Установлено, что полученный сорбент на основе мочевины с метасиликатом натрия оказался эффективным для очистки ионов меди. Использование полученного сорбента снижает стоимость очистки воды и создает замкнутый круговорот воды, тем самым снижая нагрузку на окружающую среду.

Список литературы:

1. Kuroda, K., Shimojima, A., Kawahara, K., Wakabayashi, R., Tamura, Y., Asakura, Y., Kitahara, M. Utilization of alkoxysilyl groups for the creation of structurally controlled siloxanebased nanomaterials (Review). Chemistry of Materials, 2014, vol. 26, no. 1, pp. 211–220.,
2. Vlasova N.N., Oborina E.N.,, Grigoryeva O.Yu, Voronkov M.G. Organosilicon ion-exchange and complexing adsorbents. Russian Chemical Reviews, 2013, vol. 82, no. 5, pp.449–464.
3. Ю.Н. Пожидаев. Кремнийсодержащие сорбционные материалы: синтез, свойства, применение// Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2014, № 4 (9)
4. Kocjan R., Przeszlakowski S. Calconmodified silica gel sorbent. Application to preconcentration or elimination of trace metals. Talanta, 1992, vol. 39, no. 1, pp. 63–68.,
5. Murata S., Hata H., Kimura T., Sugahara Y., Kuroda K. Effective adsorption of chlorophyll a by FSM-type mesoporous silica modified with 1,4-butanediol. Langmuir, 2000, vol. 16, no. 18, pp. 7106–7108.
6. Тураев Х.Х., Эрмуратова Н.А., Эшкурбонов Ф.Б. Изучение ионообменной способности сера- и азотсодержащего анионита по титриметрическому методу анализа // Universum: технические науки : электрон. научный журн. 2019. № 4 (61). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/7161.