Исследование сорбции фенола на листьях берёзы

Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №13 УДК 628.316.13: 547.562

Р. З. Тухватуллина, И. Г. Шайхиев, А. А. Багауетдинова, Г. А. Алмазова

ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ФЕНОЛА НА ЛИСТЬЯХ БЕРЁЗЫ

Ключевые слова: листья берёзы, фенол, сорбция, изотермы, уравнения, термодинамические параметры.

В режиме одноступенчатой статической адсорбции на модельных системах - растворах фенола исследованы сорбционные свойства высушенных листьев берёзы по отношению к фенолу при температуре 25оС. На основании полученных данных построены изотермы сорбции, рассчитаны уравнения процессов адсорбции. Установлено, что процесс сорбции фенола высушенными листьями берёзы наиболее полно описывается уравнением Дубинина-Радушкевича.

Key words: birch leaves, phenol, sorption isotherms, equations, thermodynamic parameters.

In the single-stage static adsorption of model systems - phenol solutions was studied of sorption properties of dried birch leaves to phenol at a temperature 25° C. Based on these data was obtained sorption isotherms, was calculated equations of adsorption processes. It was found that the sorption process more fully described by the Dubinin-Radushkevich equation.

Введение

При современных темпах развития промышленного и сельскохозяйственного производства становится всё более актуальной проблема очистки поверхностных и сточных вод [1]. Одним из высокотоксичных загрязнителей, попадающих в водоемы и водотоки со сточными водами химических и нефтеперерабатывающих предприятий, является фенол (ПДК = 0,001мг/дм3) [2].

Сброс фенолсодержащих вод в водоемы и водотоки резко ухудшает их общее санитарное состояние, оказывая негативное влияние на живые организмы, не только своей высокой токсичностью, но и значительным изменением режима потребления биогенных элементов и растворенных газов (кислорода, углекислого газа) [3].

В связи с вышеизложенным, особенно для небольших объемов фенолсодержащих стоков, применяются следующие методы очистки сточных вод: обратноосматическое обессоливание, электрохимические методы, реагентный метод, окисление активным хлором, обработка электрогидравлическим воздействием высоковольтного короткоимпульсного электрического разряда, пароциркуляционный метод, озонирование, жидкостная экстракция, адсорбция и др. [4-6].

Наиболее эффективным методом очистки сточных вод от фенола, как указывается [7], является адсорбция последнего с помощью активированного угля, но его недостатком является высокая стоимость регенерации и образование сажи, за счет хрупкости связей атомов углерода. Перспективным направлением для удешевления процесса сорбцион-ной очистки является использование в качестве сорбентов дешёвых и доступных материалов - отходов промышленного и сельскохозяйственного производства [8].

Особую группу сорбционных материалов для удаления поллютантов из водных сред составляют отходы деревопереработки. Последние, являясь цел-люлозосодержащим сырьем, широко практикуются в практике удаления ИТМ из природных и сточных вод [9]. В частности, указывается на извлечение фе-

нола из модельных стоков опилками тика (Tectona grandis) [10], коричневого лавра (Cryptocarya glaucescens) [11], сосны (Pinus sylvestris var. Lapponica) [12]. Проведенными исследованиями и расчетами показано, что изотермы сорбции фенола на указанных реагентах описываются уравнениями Фрейндлиха и Лэнгмюра.

Однако, опилки, щепа, обрезь и другие продукты переработки леса образуются только в процессе переработки древесины. Тем не менее, в процессе жизнедеятельности листовых пород деревьев ежегодно образуется большое количество продуктов жизнедеятельности - листвы. Опадая, особенно в городской среде, последняя доставляет неудобства, создавая пожароопасную обстановку. Каждую осень сотни тысяч тонн листового опада с территории городов Российской Федерации вывозятся на полигоны ТБО и захораниваются. Однако, листовой опад вполне возможно использовать в качестве сорбци-онного материала для удаления поллютантов из ливневых и промышленных сточных вод. В частности, показана возможность удаления фенола с использованием смешанного листового опада [13]. Сообщается также об использовании отходов от переработки листьев чая для удаления фенола из водных сред [14, 15].

В свете вышеизложенного, в настоящей работе изучалась возможность извлечения фенола из модельных растворов высушенным опадом березы (ОБ) и определялись термодинамические параметры взаимодействия сорбата с названным сорбционным материалом.

Экспериментальная часть

На первом этапе исследования в режиме одноступенчатой статической адсорбции на модельных системах - водных растворах фенола (С = 0,1 - 4,25 ммоль/дм3) изучалась кинетика сорбции фенола высушенным БО в дозировке 1 г/дм3 при температуре 25 оС.

Перемешивание раствора сорбата с исследуемым сорбционным материалом осуществлялось с помощью магнитной мешалки в течение 5 часов.

Начальную и равновесную концентрации фенола определяли броматометрическим титрованием, основанного на бромировании избытком бромид-броматной смеси, получении йода при взаимодействии йодида калия с бромом и титровании йода тиосульфатом натрия с крахмалом в качестве индикатора по стандартной методике [16]. Погрешность измерений составила 10"5 ммоль/дм3, что допустимо для данного определения.

На основе полученных экспериментальных данных, рассчитана сорбционная ёмкость по фенолу (Ф) по формуле:

Ф =

Со ~ С. V 111

где

Ф - сорбционная ёмкость по фенолу (ммоль/г), С0 - начальная концентрация фенола (ммоль/дм3), С! - концентрация фенола после сорбции (ммоль/дм3), V - объем раствора (дм3), т - масса сорбционного материала (г).

Изотерма сорбции фенола на высушеном ОБ приведена на рисунке 1.

Рис. 1 - Кинетика сорбции фенола в режиме статической адсорбции высушенными листьями берёзы при 25 оС

Полученные изотермы сорбции фенола высушенным ОБ соответствуют 1 типу изотерм адсорбции по классификации БДДТ (классификация изотерм сорбции предложена Бруннауэром, Демингом, Демингом и Теллером и используется по рекомендации ИЮПАК) и описывают мономолекулярную адсорбцию фенола листьями берёзы [17].

В целью выявления закономерностей процесса сорбции фенола ОБ и математическим описанием процесса рассчитаны константы уравнений, описывающих изотермы сорбции. Наиболее часто используются уравнения Ленгмюра, Фрейндлиха и Дуби-нина-Радушкевича [18].

Согласно литературным данным [18], изотерма сорбции Ленгмюра описывается уравнением (2), изотерма сорбции Фрейндлиха - уравнением (3), Дубинина - Радушкевича - уравнением (4).

1/Ф = 1/Qo + 1/(bQoC) 1одФ = logKF + 1/n logC

1пФ = 1пХт - в£2

где С - молярная концентрация фенола в растворе, Ф - сорбционная ёмкость по фенолу, Qo и Ь - константы Ленгмюра, Кр и п - константы Фрейндлиха, Хт - максимальная сорбционная вместимость, в -константа Дубинина - Радушкевича или коэффициент

активности, связанный с энергией сорбции, s - потенциал Поляни, который определяется по формуле:

£ = RT^n^1)

постоянная,

где R - универсальная газов; Т - температура в Кельвинах.

В связи с этим, методом наименьших квадратов, используя программное обеспечение «Microsoft Office Excel», проведена аппроксимация кинетических кривых сорбции фенола листьями берёзы в

координатах:

1/Ф

f(1/C) (рис.2),

logФ = f(logC) (рис.3), а также 1п(Ф) = f(£ ) (рис.4), обработкой которых были получены уравнения Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина - Радушкевича, соответственно, которые приведены в таблице 1.

1/Ф

45 -, 40 -35 -30 -25 -Z0 -15 -10 -5 -

у - 14,31*12,65

0,5

Рис. 2 - Зависимость 1/Ф = 1"(1/С) сорбции фенола высушенными листьями берёзы при температуре 25оС

Рис. 3 - Зависимость ^(Ф) = 1"(^С) сорбции фенола высушенными листьями берёзы при температуре 25 оС

Рис. 4 - Зависимость 1пФ = 1"(£ ) сорбции фенола высушенными листьями берёзы при температуре 25оС

Таблица l - Уравнения изотерм сорбции и их коэффициенты корреляции

4. S.H. Lin, R.S. Juang, Journal of Environmtntal Management, 90, 3, 1336-1349 (2009).

5. И.Г. Шайхиев, С. В. Степанова, В. А. Доможиров, И. Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 12, 110-117 (2011).

6. С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, В.В. Доможиров, И.Ш. Абдуллин, Технологии техносферной безопасности, 3(43), 1-7 (2012).

7. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, В.А. Доможиров, Вестник Казанского технологического университета, l7, S, 22S-231 (2014).

S. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, Вестник Казанского технологического университета, l7, 1, 1S1-1S3 (2014).

9. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 12, 29-42 (200S).

10. D.N. Jadhav, A.K. Vanjara, Indian Journal of Chemical Technology, ll, 35-41 (2004).

11. V.S. Achari, T.S. Anirudhan, Indian Journal of Chemical Technology, 2, 137-41 (1995).

12. S. Larous, A-H. Meniai, Energy Procedia, l8, 905- 914 (2012).

13. Sushmita Mishra, J. Bhattacharya, Indian Journal of Chemical Technology, l3, 29S-301 (2006).

14. F. Bolat, S. Govori, A. Haziri, S. Spahiu, F. Faiku, Journal of International Environmental Application and Science, 1, 63- 67 (2010).

15. M. Kazmi, A.R. Saleemi, , N. Feroze, A. Yaqoob , S.W. Ahmad, Polish Journal Of Chemical Technology, l5, 2, 1-6 (2013).

16. А.Л. Подкорытов, Л.К. Неудачина, С.А. Штин, Окислительно-восстановительное титрование, Изд-во Урал. ун-та, Екатеринбург, 2015. 64 с.

17. Адсорбция. Электронный ресурс: [Режим доступа: http://mipt.ru/dmcp/upload/dcS/OXF_6-arphaxxifjl.pdf], свободный, (дата обращения: 13.06.2015г.).

1S. Т.Е. Никифорова, дисс. ... д.х.н., Ивановский государственный химико-технологический университет, Иваново, 2014. 365 с.

Вид изотер- Уравнение сорбции Коэффициент

мы корреляции

Ленгмюра у = 14,31х + 12,65 0,9S4

Фрейндлиха у = 0^0х - 1,436 0,921

Дубинина -Радушкевича у = -Ы0"7х - 2,S16 0,99S

По данным таблицы 1 следует, что кинетику сорбции фенола высушенным ОБ лучше всего описывает уравнение Дубинина - Радушкевича с коэффициентом корреляции 0,998.

Заключение

В режиме одноступенчатой статической адсорбции на модельных системах - растворах фенола исследованы сорбционные свойства высушенных листьев берёзы по отношению к фенолу при температуре 25 оС. Построены изотермы сорбции, обработкой которых определены уравнения сорбции фенола листьями берёзы с достаточно высокими коэффициентами корреляции. Кинетику сорбции фенола высушенными листьями берёзы лучше всего описывают уравнения Дубинина - Радушкевича (у = -Ь10_7х -2,816) с коэффициентом корреляции 0,998.

Литература

1. Н.В. Чибисова, Е.К. Долгань, Экологическая химия, Калининград, 1999. 133с.

2. ГН 2.1.5.689-98 - предельно допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

3. Л.Н. Исаева, Ю.В. Тамаркина*, Д.В. Бован, В.А.Кучеренко, Journal of Siberian Federal University. Chemistry, 1, 25-32 (2009).

© Р. З. Тухватуллина - аспирант кафедры инженерной экологии КНИТУ, rumiushka666@mail.ru; И.Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; А. А. Багауетдинова - студ. той же кафедры, alsubagay@icloud.com. Г.А. Алмазова - к.т.н., доц. той же кафедры.

© R. Z. Tukhvatullina - postgraduate student of Engineering Ecology of Kazan National Research Technological University, rumiushka666@mail.ru. I. G. Shaikhiev - Doctor of Technical Science, Head of Department of Engineering Ecology of Kazan National Research Technological University, ildars@inbox.ru. A. A. Bagauetdinova - student of Engineering Ecology of Kazan National Research Technological University, alsubagay@icloud.com. G. A. Almazova - - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of Engineering Ecology of Kazan National Research Technological University.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 25.05.15. по 15.06.15.