Исследование сорбции красителя «Анионный ярко-зеленый» из модельных растворов с использованием оболочек зерен ячменя

УДК 628.316.12

А. Р. Вафина, И. Г. Шайхиев

ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ КРАСИТЕЛЯ «АНИОННЫЙ ЯРКО-ЗЕЛЕНЫЙ» ИЗ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБОЛОЧЕК ЗЕРЕН ЯЧМЕНЯ

Ключевые слова: краситель, оболочки зерен ячменя, сорбция, уравнения изотерм сорбции.

В режиме одноступенчатой статической адсорбции на модельных системах - растворах красителя с концентрацией 50 мг/дм3 исследованы сорбционные свойства промытой и высушенной шелухи ячменя по отношению к красителю при температуре 22 °С. На основании полученных данных построены изотермы сорбции, рассчитаны уравнения процессов адсорбции. Установлено, что процесс сорбции красителя промытой и высушенной шелухой ячменя наиболее полно описывается уравнением Дубинина-Радушкевича.

Key words: dye, barley husks, sorption isotherms, equations.

In the single-stage static adsorption of model systems - dye solution with a concentration of 50 mg / dm3 Sorption properties of washed and dried peels barley relative to the dye at a temperature of 22 ° C. Based on these data was obtained sorption isotherms, was calculated equations of adsorption processes. It was found that the process of adsorption of the dye washed and dried husk of barley more fully described by Dubinin-Radushkevish equation.

Одними из самых распространенных загрязняющих веществ в настоящее время являются красители. В большинстве технологических процессов промышленных предприятий при применении органических красителей образуются окрашенные сточные воды. Особое место в рассматриваемой проблеме занимают предприятия текстильной промышленности, являющиеся источниками образования большого количества окрашенных стоков [1].

Критерием загрязненности сточных вод при сбросе красителей в водоемы является ухудшение качества природных вод вследствие изменения их органолептических свойств, появление вредных веществ для человека, животных, птиц, кормовых и промысловых организмов, а также нарушение процесса самоочищения и санитарного режима поверхностных источников.

Окрашенные сточные воды создают неблагоприятное эстетическое восприятие, негативно влияют на кислородный режим водоема и угнетают процесс самоочищения, вследствие нарушения процессов фотосинтеза. Вред, наносимый сбросом окрашенных сточных вод в водоемы, помимо указанного отрицательного влияния на светопроницаемость воды и на ассимиляцию водорослей, проявляется в повышении минерализации, что отрицательно сказывается на вкусовых качествах воды при использовании водоисточника для питьевых целей. Кроме того, увеличение минерализации может угнетать биохимическую жизнь в водоеме. Показано, что красители при концентрации более 0,1 мг/дм3 влияют на кислородный режим воды, ХПК, БПК5 и

особенно на процессы аммонификации и нитрификации в воде. Определены предельно допустимые концентрации (ПДК) красителей, не влияющие на процессы самоочищения воды, которые составляют < 0,001 мг/дм3 [4].

В зависимости от количества сточных вод и состава загрязнений могут применяться различные методы очистки: механические, электрохимические, биологические, термические, комбинированные. В целом, все известные методы очистки сточных вод

красильно-отделочных производств можно разделить на три основные группы. Первая группа -методы, основанные на извлечении загрязнений в осадок или флотошлаки путем сорбции на хлопьях гидроксидов металлов, образующихся при реагентной обработке. Вторая группа включает сепаративные методы, такие как сорбция на активных углях и макропористых ионитах, обратный осмос, ультрафильтрация, пенная сепарация, электрофлотация. Третья группа объединяет деструктивные методы, основанные на глубоких превращениях органических молекул в результате редокспроцессов [2].

Более широкое распространение получили сорбционные методы. Однако, следует отметить, сорбционные очистка с использованием традиционных активированных углей

характеризуется высокой стоимостью последних и требует регенерации, что весьма существенно повышает материальные издержки.

В настоящее время в мировом сообществе стремительно развивается инновационное направление в технологиях очистки сточных вод -использование отходов сельскохозяйственного и промышленного производства для удаления поллютантов различного происхождения, в том числе и красителей [3-5].

Особый интерес в качестве сорбционных материалов для удаления поллютантов из водных сред представляют целлюлозосодержащие отходы переработки сельскохозяйственного сырья и, главным образом, злаковых культур. Данное обстоятельство объясняется многотоннажностью образования продуктов обработки зерновых культур, таких как солома, мучка, плодовые оболочки, ежегодной возобновляемостью, широким распространением, дешевизной, высокими сорбционными характеристиками.

В связи с вышеизложенным, в настоящей работе исследовалась возможность использования плодовых оболочек ячменя в качестве сорбционного материала для извлечения красителей из водных сред. Ранее было показано, что шелуха зерен ячменя является эффективным сорбционным материалом

для удаления нефти и продуктов ее переработки из водных объектов и сточных вод [6-12]. Также в мировой прессе имеются сведения об исследовании плодовых оболочек зерен ячменя в качестве сорбционного материала для извлечения из водных растворов красителей марок Cibacron Yellow C-2R, Cibacron Red C-2G, Cibacron Blue C-R, Remazol Black B и Remazol Red RB в статических и динамических условиях [13, 14]. Также сообщается об исследовании процесса сорбции красителя марки Solar red BA [15]. Определено, что максимальная сорбционная емкость по данному красителю составляет 33,44 мг/г, а изотермы сорбции наиболее полно описываются уравнением Фрейнлиха. Определены термодинамические параметры процесса [15].

В свете вышеизложенного, исследовалась сорбция антрахинонового красителя марки «Кислотный ярко-зеленый Н2С» с использованием шелухи зерен ячменя. Применяемый в качестве модельного поллютанта краситель имеет следующую формулу:

Данный краситель относится к классу кислотных, имеет мол. массу 664. Наличие №803 обуславливает водорастворимость красителя.

Исследуемая в качестве сорбционного материала шелуха зерен ячменя, образовавшаяся на ОАО «Набережночелнинский элеватор» (урожай 2012 г.), имеет следующий состав (табл. 1):

Таблица 1 ячменя [16]

Состав плодовых оболочек зерен

Компонент Содержание, %

Целлюлоза 39

Гемицеллюлоза 12

Лигнин 22

Крахмал 11

Белки 4

Жиры 4

статической красителя

3\

На первом этапе адсорбции на водных анионного ярко-зеленого изучена кинетика предварительно промытой и высушенной шелухой ячменя в дозировке 10 г/дм3 при температуре 22 0С.

исследования растворах (С = 50 мг/дм3) была сорбции красителя

Перемешивание раствора сорбата с исследуемым сорбционным материалом осуществлялось с помощью ротатора в течение часа.

Начальную и равновесную концентрации красителя определяли с помощью калибровочных графиков, построенных ранее по данным, полученным опытным путем. Погрешность измерений составила 0,10-0,5 мг/дм3, что допустимо для данного определения.

На основе полученных экспериментальных данных, рассчитана сорбционная ёмкость по красителю (А) по формуле:

А=Сп - C¡ / V*m,

А

- сорбционная ёмкость по красителю (мг/г), начальная концентрация красителя (мг/дм3),

Л

где Со С1

V - объем раствора материала (г).

концентрация красителя после сорбции (мг/дм ), (дм3), m - масса сорбционного

Изотерма сорбции красителя на шелухе ячменя приведена на рисунке 1.

Рис. 1 - Изотерма сорбции красителя в режиме статической адсорбции шелухой ячменя при 22оС

Полученные изотермы сорбции красителя шелухой ячменя 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 красителя шелухой ячменя [17].

В целью выявления закономерностей процесса сорбции красителя шелухой ячменя и математическим описанием процесса, рассчитаны константы уравнений, описывающих изотермы сорбции. Наиболее часто используются уравнения Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина-Радушкевича [18].

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

1/А = 1/Qo + 1/(bQoC) logA = logKF + 1/n logC lnA = lnXm - ß£2

где С - концентрация красителя в растворе, А - сорбционная ёмкость по красителю, Q0 и Ь - константы Ленгмюра, К; и п - константы Фрейндлиха, Хт - максимальная сорбционная вместимость, в - константа Дубинина - Радушкевича или коэффициент активности, связанный с энергией сорбции, 8 - потенциал Поляни, который определяется по формуле:

£ = RTln

где R - универсальная Т - температура в Кельвинах.

постоянная,

В связи с вышеизложенным, методом наименьших квадратов, используя программное обеспечение «Microsoft Office Excel», проведена аппроксимация кинетических кривых сорбции красителя шелухой ячменя в координатах: 1/А = f(1/С) (рис.2), logА = f(logC) (рис.3), а также 1п(А) = f(e2) (рис.4), обработкой которых были получены уравнения Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина -Радушкевича, соответственно, которые приведены в таблице 1.

1/А, г/мг у 0,0621x1 0,0468

0.07

0.06

0,05 »» »- -

0,04

0,03

0,02

0,01 1/С, дм3/мг

0,1 0,2 0,3

Рис. 2 - Зависимость 1/А = 1"(1/С) сорбции красителя шелухой ячменя при температуре 22оС

Рис. 3 - Зависимость ^(А) = f(lgC) сорбции красителя шелухой ячменя при температуре 22оС

По данным таблицы 1 следует, что кинетику сорбции красителя шелухой ячменя лучше всего описывает уравнение Дубинина - Радушкевича с коэффициентом корреляции 0,994.

Рис. 4 - Зависимость 1пА = 1"(£2) сорбции красителя шелухой ячменя при температуре 22оС

Таблица 1 - Уравнения изотерм сорбции красителя «Анионный ярко-зеленый» и их коэффициенты корреляции

Вид изотермы Уравнение сорбции Коэф. корреляции

Ленгмюра у = 0,0621х + 0,0468 0,923

Фрейндлиха у = 0,0874х +1,1768 0,741

Дубинина -Радушкевича у = -0,0249х +3,3334 0,994

Таким образом, в режиме одноступенчатой статической адсорбции на модельных системах -растворах красителя марки «Анионный ярко-зеленый» исследованы сорбционные свойства шелухи ячменя при температуре 22 оС. Построены изотермы сорбции, обработкой которых определены уравнения сорбции красителя шелухой ячменя с достаточно высокими коэффициентами корреляции. Определено, что кинетику сорбции красителя шелухой ячменя лучше всего описывают уравнения Дубинина - Радушкевича (у = -0,0249х +3,3334) с коэффициентом корреляции 0,994.

Литература

1. С.С. Евлантьев, А.А. Войтюк, Н.А. Сахарова, Научный потенциал регионов на службу модернизации. АИСИ, Астрахань, 2, 111-113 (2012).

2. Л.А. Нестерова, Г.С. Сарибеков, Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 46, 4/8, 25-28 (2010).

3. M.T. Yagub, T.K. Sen, S. Afroze, H.M. Ang, Advances in Colloid and Interface Science, 209, 172-184 (2014).

4. G. Crini, Bioresource Technology, 97, 9, 1061-1085 (2006).

5. S. Dawood, T. K Sen, Journal of Chemical Process and Engineering, 1, 1-7 (2014).

6. О.А. Кондаленко, И.Г. Шайхиев, С.М. Трушков, Экспозиция Нефть Газ, 5, 46-50 (2010).

7. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, О.А. Кондаленко, И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 244-250 (2011).

8. С.В. Степанова, О.А. Кондаленко, С.М. Трушков, В.В. Доможиров, Вестник Казанского технологического университета, 10, 159-160 (2011).

9. О.А. Гальблауб, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Проблемы региональной экологии, 5, 127-130 (2014).

газовая

10. О.А. Кондаленко, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Безопасность в техносфере, 6, 57-62 (2012).

11. О.А. Кондаленко, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Международный научно-исследовательский журнал, 3-1 (10), 41-42 (2013).

12. О.А. Гальблауб, дисс......к.т.н., КНИТУ, Казань, 2013.

13. T. Robinson, B. Chandran, G.S. Naidu, P. Nigam, Bioresource Technology, 85, 1, 43-49 (2002).

14. T. Robinson, B. Chandran, P. Nigam, Bioresource Technology, 85, 2, 119-124 (2002).

15. I. Haq, H.N. Bhatti, M. Asgher, The Canadian Journal of Chemical Engineering, 89, 593-600 (2011).

16. D. Kohli, S. Garg, A.K. Jana, International Journal of Research in Mechanical Engineering & Technology, 3, 2, 153-156, (2013).

17. Адсорбция. Электронный ресурс: [Режим доступа: http://mipt.ru/dmcp/upload/dc8/OXF_6-arphaxxifjl.pdf], свободный, (дата обращения: 13.06.2015г.).

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

© А. Р. Вафина - аспирант кафедры инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, zamilova1991@mail.ru. И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru.

© A. R. Vafina - postgraduate student of Department of Engineering Ecology, Kazan National Research Technological University, zamilova1991@mail.ru; I. G. Shaikhiev - Doctor of Technical Science, Head of Department of Engineering Ecology, Kazan National Research Technological University, ildars@inbox.ru.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 10.01.16. по 10.02.16.