Сорбционные свойства УФ-активированных глин ангольских месторождений

УДК 553.611: 628.3

Ж. А. Сапронова, В. С. Лесовик, М. Ж. Гомес, К. И. Шайхиева

СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА УФ-АКТИВИРОВАННЫХ ГЛИН АНГОЛЬСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Ключевые слова: очистка сточных вод, тяжелые металлы, адсорбция, УФ-обработка, эффективность.

В работе представлены результаты исследований возможности повышения эффективности очистки водных сред природными глинами ангольских месторождений. Установлено, что УФ-обработка глин повышает эффективность извлечения ионов №2+и Cv^+в 1,3 раза. Подобраны условия УФ-обработки глин. Доказано, что УФ-обработка глин способствует выходу обменных катионов из кристаллических решеток глин и увеличивает их катионообменную емкость.

Keywords: wastewater, heavy metals adsorption, UV-treatment, efficiency.

The paper presents the research results of opportunities to improve the efficiency of aqueous media purification by natural clays of the Angolan fields. Found that UV treatment of clays increases the extraction efficiency of Ni2+ ions and Cu2+ in 1.3 times. The conditions of clays UV-treatment have chosen. Proved that clay UV-treatment promotes the release of exchange cations from crystalline lattice clays and their cation exchange capacity increases.

Одними из наиболее распространенных и опасных загрязнителей природных вод являются соединения тяжелых металлов. Последние отрицательно влияют на гидрохимический режим природных экосистем, приводят к ухудшению условий обитания и гибели гидробионтов.

Для очистки сточных вод в настоящее время широко используются процессы адсорбции. Однако, применяемые в промышленности сорбенты зачастую имеют высокую стоимость, требуют последующей регенерации, а технологии могут быть сложными в эксплуатации. В связи с этим особый интерес представляют недорогие и эффективные способы очистки сточных вод, основанные на применении природных минералов и местного сырья в качестве сорбционных материалов [1-5].

Для активации природных глин широко применяют их кислото-щелоче-соляную активацию. Однако этот способ довольно дорог и сопряжен с образованием токсичных отходов.

В связи с вышеизложенным, разработка сорбционных материалов на основе природных глин и экономически и экологически безопасного способа их активации является актуальной задачей. Названное обстоятельство особенно важно в условиях Анголы, где составы природных глин и их сорбционные свойства ранее не изучались, а технологии очистки сточных вод практически нигде не применяются.

Целью настоящей работы является повышение сорбционной активности природных глин месторождений Катока и Катети с помощью УФ-обработки для использования их в комплексной очистке сточных вод.

В экспериментах использовали природные глины ангольских месторождений Катока и Катети, являющиеся производственным отходом при добыче алмазов и физико-химические свойства которых определены ранее [6].

При исследовании сорбционных свойств глин (рис. 1) по отношению к ионам тяжелых металлов на примере ионов №2+ и Си2+, было установлено, что максимальная сорбционная емкость по ионом №2+ составляет 8,9 мг/г, а по

ионом Си - 8,3 мг/г для глины Катети. Для глины Катока по ионом №2+ сорбционная емкость составляет 9,3 мг/г, а по ионом Си2+ - 8,9 мг/г . При этом, очевидно, что глины проявляют близкие сорбционные свойства. а

Рис. 1 - Изотермы адсорбции и десорбции ионов №+ (а) и ионов Си2+ (б) Катети

Как нетрудно заметить, и для глины Катети, и для глины Катока, сорбционная емкость по ионам Си2+ несколько ниже по сравнению с сорбционной емкостью по ионам №2+.

Очевидно, это связано с различиями в размерах ионных радиусов. Так, величина ионного радиуса Си2+ равна 0,096 нм, а №2+ - 0,069 нм.

По-видимому, ионы меньших размеров легко проникают в неравности, шероховатости и поры глин. Положение изотермы десорбции свидетельствует о том, что силы адсорбции не являются чисто физическими. Для уточнения

б

природы адсорбционных сил необходимо было определить энергию адсорбции.

Для повышения сорбционной и ионообменной активности глин нами использовалась их УФ-активация.

Как предполагалось, УФ-облучение глин должно было приводить к ослаблению связей О-Ме в кристаллических решетках минералов глин, что должно вызывать выход частиц ионов металлов из кристаллической решетки и замены их на ионы, содержащиеся в растворе.

С целью проверки высказанного предположения природную глину подвергали УФ-облучению. Затем к дистиллированной воде и модельным растворам, содержащим ионы Си2+ и №2+ в концентрациях 50 мг/дм3 добавлялись навески исходной и облученной глин массой по 8 г; объем исследуемых растворов составлял 400 мл. После 20-минутного перемешивания суспензии фильтровали, в фильтрате определяли концентрацию катионов, входящих в состав кристаллических решеток глин -№+, К+, Са2+, М^2+, А13+ атомно-адсорбционным способом.

В ходе экспериментов было выявлено (табл. 1), что концентрация катионов №+, К+, Са2+, Mg2+ выше в тех фильтрах, которые получены после УФ-обработки, концентрация катионов А13+ при этом изменяется незначительно (табл. 1).

Таблица 1 - Увеличение содержания катионов в фильтрате, %

Глина Среда Катионы

№+ К+ Са2+ Mg2+ А13+

Катока Вода 2,5 22,9 51,1 17,3 6,0

р-р №2+ 2,25 7,9 7,61 19,8 25,0

р-р Си2+ 1,0 43,1 11,03 10,3 0,0

Катети Вода 15,1 4,7 4,0 3,4 5,3

р-р №2+ 55,6 7,4 18,5 8,4 0,0

р-р Си2+ 13,7 31,6 28,2 6,9 6,1

Из табл. 1 следует, что максимальный эффект вымывания в водной среде составляет для глины Катока по ионам Са2+ (51,1 %), а для глины Катети по ионам №+ (15,1 %). Для растворов, содержащих катионы №2+, максимальный эффект по вымыванию зафиксирован по катионам А13+ (25,0 %) для глины Катока, а по катионам №+ (55,6 %) - для глины Катети. Для растворов, содержащих катионы Си2+, максимальный эффект вымывания по глине Катока зафиксирован для катионов К+ (43,1 %), для глины Катети также для катионов К+ (31,6 %). Различие в процентном соотношении выхода катионов в раствор, по-видимому, можно объяснить различием в составах глин.

Катионы №+, К+, Са2+, Mg2+ являются основными межслоевыми катионами глинистых минералов. Эффект воздействия УФ-излучения на глины, вероятно, обусловлен изменениями структуры и свойств межслоевой дисперсной среды глинистых минералов.

Изучение зависимости процесса извлечения ионов №2+ и Си2+ от условий УФ-обработки

эффективность достигается при

показало,

что

максимальная

длительности облучения 10 мин, расстоянии источника УФ-облучения до глиняной поверхности 10 см; плотности излучения не менее 8 Вт/м2, дозе излучения 35 кДж/м2.

б

Рис. 2 - Влияние УФ-обработки глин на эффективность очистки модельных растворов, содержащих ионы №2+

0 1,5 3 Масса добавки глины,

О 1,5 3 Масса добавки глины,

п з

Масса добавки глины, (г) в

О 1,5 3 Масса добавки глины,

на

2+

извлечения ионов N1 и Си

Рис. 3 - Эффективность адсорбции ионов № поверхности глины Катети (а) и Катока (в) Си на поверхности глины Катети (б) и Катока (г) при рНнсх = 2,2 и времени перемешивания

-*- - 20 мин. ш - мин.

В связи с тем, что при очистке модельных растворов от ионов №2+ и Си2+ имеют место явления очистки не только сорбционной, но и реагентной,

а

а

б

г

нами определялась доля сорбционной составляющей процесса очистки установлено, что доля сорбционной очистки от ионов №2+, в общем процессе составляет: для глины Катети - не менее 48 %, а для ионов Си2+ - 46 %. Для глины Катока доля сорбционной очистки по ионам №2+ равна 44 %, а для ионов Си2+ - 41 % (рис. 3).

Энергию сорбционного взаимодействия определяли графическим методом с помощью построения изостер адсорбции в координатах 1пСр= %1/Т). Для этого вначале были построены изотермы адсорбции ионов при трех разных температурах. После вычисления значений 1пСр и 1/Т были построены графики зависмости 1пСр = ^1/Т).

Полученные нами значения АЯадсорбции для ионов никеля и меди лежат в прелелах 5,0 < АH < 40 кДж/моль. Можно сделать вывод, что

адсорбция осуществляется за счет сил

специфического взаимодействия.

Литература

1. Ю.А. Суянгулова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 14, 90-92 (2013).

2. P.P. Coenzee, L.L. Coenzee, R. Puka, S. Mubenga, Natural Waters. Water SA, 29, 331-338 (2003).

3. S.M. Lee, D. Tiwari, Applied Clay Science, 59-60, 84102 (2012).

4. K.G. Bhattacharyya, S. Sen Gupta, Advances in Colloid and Interface Science, 140, 2, 114-131 (2008).

5. R. Naseem, S.S. Tahir, Water Research, 35, 16, 39823986 (2001).

6. Ж.А. Сапронова, М.Ж. Гомес, К.И. Шайхиева, В.А. Юрченко, Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 84-86 (2014).

© Ж. А. Сапронова - к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, e-mail: pe@intbel.ru; В. С. Лесовик - д.т.н., профессор, зав. кафедрой строительного материаловедения, изделий и конструкций Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова; М. Ж. Гомес - аспирант каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова; К. И. Шайхиева - студентка кафедры Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.

© Zh. A. Sapronova - Can.techn.sc., associated professor of Belgorod State technological university industrial ecology cathedra email: pe@intbel.ru; V. S. Lesovik - Dr.techn.sc., professor, head of contractual materials science, manufactures and structures of Belgorod State Technological university; M. J. Gomes - graduated of Belgorod State Technological University industrial cathedra; K I Shaykhieva - student of Kazan National Research Technological University engineering ecology cathedra.