Изучение десорбции ионов железа (II) из отработанного кленового листового опада в статических условиях

УДК 628.16.081.3

М. В. Силайчева, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев

ИЗУЧЕНИЕ ДЕСОРБЦИИ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (П) ИЗ ОТРАБОТАННОГО КЛЕНОВОГО ЛИСТОВОГО ОПАДА В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Ключевые слова: модельная вода, ионы железа (II), сорбция, кленовый опад, десорбция.

Исследована возможность повторного применения кленового листового опада в качестве сорбционного материала для очистки модельной воды, загрязненной ионами железа (II). Сорбционный процесс проводился в течение 60 мин. Регенерация сорбционного материала осуществлялась раствором соляной кислоты с концентрацией 1 моль/дм3 в течение 45 мин. Было последовательно проведено несколько циклов «сорбция-десорбция» для установления момента истощения сорбционного материала.

Keywords: model water, iron ions (II), sorption, maple litter, desorption.

The aim of article is investigation of reusability of maple leaf litter reusability as sorption material for model water treatment polluted with iron (II) ions. Sorption process was carried out during the course of 60 min. Reactivation of sorption material was implemented with hydrochloric acid solution with concentration of 1 mol/dm3 during the course of 45 min. Several cycles of «sorption-desorption» were carried out for establishment of exhaustion point of sorption material.

Присутствие тяжелых металлов (ТМ) в окружающей среде является серьезной проблемой по причине их токсичности, тенденции к биоаккумуляции, что является угрозой, как для жизни человека, так и для живых объектов природной среды. Общеизвестным является факт, что ТМ могут навредить нервной системе и костям человека, а также могут блокировать функциональные группы важнейших ферментов [1]. В последнее время в природных и сточных водах наблюдается повышенное содержание ионов железа, которые способны вызывать нарушение слизистой оболочки кишечника и развитие печеночной недостаточности у людей, механическое повреждение и асфиксию рыб и икры [2].

Традиционные методы для удаления растворенных ионов ТМ включают химическое осаждение, окисление или восстановление, фильтрацию, ионный обмен, применение мембранных технологий, восстановительное выпаривание, биологическую и электрохимическую очистку. Хотя все вышеперечисленные способы могут применяться для удаления ТМ, они имеют определенные преимущества и ограничения. Среди всех вышеназванных методов, процесс адсорбции считается более предпочтительным, чем другие, из-за его удобства, простоты эксплуатации и конструкции. В дальнейшем, этот способ сможет удалять/минимизировать различные типы поллютан-тов и, таким образом, будет иметь более широкое применение в борьбе с загрязнением водных ресурсов [1].

В настоящее время большое внимание уделяется внедрению различных путей очистки, не требующих больших вложений финансовых средств и не оказывающих негативного влияния на окружающую природную среду. Актуальным видится использование в качестве сорбентов и их модификатов различных отходов от переработки природного сырья. К таковым отходам относится и листовой опад, ежегодно накапливающийся на территории населенных пунктов [3]. Листва деревьев различных пород широко исследовалась в качестве сорбционного материала для удаления ионов ТМ из водных сред [4].

В данной работе в качестве сорбционного материала (СМ) применялся кленовый листовой опад (КЛО) деревьев вида Acer platanoides (клен остролистный). В состав листвы клена данного вида входят: дубильные вещества, алкалоиды, углеводы и сахара, органические кислоты, флавоноиды, липиды, жирные кислоты, каротин, протеин, клетчатка, а также витамины группы В, витамин Е и аскорбиновая кислота [5]. Известно, что опад клена остролистного также содержит: лигнина - 17,3 %, целлюлозы -16,3 % [6], дубильных веществ - 1,6 % [7]. Зольность по древесине клена составляет 7,67 % [8]. Наличие целлюлозы, лигнина и дубильных веществ способствует протеканию хемосорбционных процессов с участием функциональных групп в составе названных биополимеров.

Ранее в работах [9, 10] показана возможность сорбции кленовым опадом ионов железа (II), содержащихся в модельных водах. Также рассматривалась кинетика и механизм сорбционного процесса при различных температурах с вычислением термодинамических параметров и констант скоростей процесса. Установлено, что оптимальное время сорбции составляет 60 мин. Однако, в ходе проведенных экспериментов возник вопрос о повторном использовании отработанного сорбционного материала, поскольку КЛО, содержащий ионы железа (II), может стать причиной вторичного загрязнения окружающей среды при попытке его утилизации.

В работе [11] предлагается использовать для регенерации в статическом режиме водные растворы соляной и серной кислот следующего разбавления: от 1:1 до 1:9. Установлено, что при использовании соляной кислоты, оптимальными являются разбавления 1:6 и 1:8, что соответствует молярной концентрации 1,0-1,2 моль/дм3. В случае применения серной кислоты оптимальными также являются разбавления 1:6 и 1:8, что соответствует молярной концентрации 1,1-1,2 моль/дм3. В работе [12] для проведения процесса десорбции использовались горячая вода (80 °С), раствор соляной кислоты (концентрированная, разбавление 1:1, 1:2, 1:5), раствор тиомо-

чевины (10 %). Наибольшая степень извлечения адсорбированных ионов (76 %) наблюдается при использовании концентрированной соляной кислоты, наименьшая (36 %) - при использовании горячей воды. По причине трудной десорбции в работе [12] представлена схема утилизации отработанного сорбента.

Для проведения экспериментов в настоящем исследовании в качестве модельного поллютанта использовался FeSO4 • 7Н20, причем навески брались с учетом кристаллизационной воды. Эксперименты по определению кратности использования КЛО для сорбции ионов железа из модельного раствора проводились путем выдерживания СМ в модельной воде при постоянном перемешивании в течение 60 мин при комнатной температуре. Соотношение массы СМ (г) к объему модельной воды (см3) составило 2,5:100. Проводилось по три параллельных опыта.

Процесс сорбции проводился в несколько этапов до полного насыщения СМ. На I этапе сорбции в плоскодонную колбу объемом 250 см3 приливалось 200 см3 модельной воды, содержащей ионы железа (II) с концентрацией 1000 мг/дм3, и насыпался предварительно высушенный и измельченный до размера фракции 5 мм КЛО в количестве 5 г. Далее, содержимое колбы подвергалось перемешиванию при помощи лабораторного шейкера в течение 60 мин.

После окончания процесса сорбции, содержимое колб отделялось от СМ, который высушивался до достижения постоянной массы, а в фильтратах определялась концентрация ионов Fe(II) комплексо-нометрическим методом [13].

Аналогично проводились эксперименты сорбции (П-1У), где в качестве СМ брался отработанный кленовый опад предыдущего этапа, до достижения остаточной концентрации ионов железа в фильтратах 1000±0,5 мг/дм3. Исходная концентрация модельной воды С^е)исх (мг/дм3), остаточная концентрация ионов железа С^е)ост (мг/дм3), степень очистки ф (%) и погрешность эксперимента £ (%) представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты экспериментов «сорбция I-IV»

Процесс С(Ре)исх, мг/дм3 C(Fe)cCT, мг/дм3 ф ± £, %

Сорбция I 1000 528,08 621,60 495,60 50,81 ± 6,15

Сорбция II 908,88 908,88 929,60 2,48 ± 2,28

Сорбция III 936,32 940,80 925,68 0,69 ± 0,48

Сорбция IV 999.4 999.5 999.6 0,02 ± 0,01

На основе данных таблицы 1 очевидно, что эффективность удаления ионов Fe(П) на первом этапе сорбции составляет ф1 = 50,81 %. После проведения процесса сорбции II становится ясно, что эффективность удаления ионов железа (II) резко снижается и

составляет всего ф2 = 2,48 %. На стадии сорбции III можно говорить о приближении к истощению сорб-ционных свойств КЛО, поскольку поглощение ионов железа (II) практически не происходит (эффективность ф3 = 0,69 %), что также подтверждается проведенным нами процессом сорбции IV, где степень очистки практически равна нулю (ф4 = 0,01 %). Таким образом, после осуществления 4-х этапов сорбции, наступает полное истощение сорбционных свойств КЛО. Суммарное содержание ионов железа (II) после проведения четырех этапов сорбции составило 596,40 мг, то есть максимальная сорбцион-ная емкость СМ составила 23,86 мг/г.

Следующим ступенью исследования являлось определение возможности регенерации отработанного КЛО после сорбции ионов железа.

Эксперименты по десорбции проводились следующим образом: отработанный СМ после I этапа сорбции (так как основная масса ионов железа поглотилась кленовым опадом на этой стадии) выдерживался в молярном растворе соляной кислоты (1М HCl) при постоянном перемешивании в течение 45 мин и температуре 20±3 0C в соотношении 2,5:100 - масса отработанного СМ (г) к объему 1М раствора HCl (см3). Проводилось три параллельных опыта.

После окончания процесса десорбции содержимое колб отделялось от регенерированного СМ, который высушивался до достижения постоянной массы, а в фильтратах определялась концентрация ионов Fe(II) комплексонометрическим методом [13].

Аналогично проводились эксперименты по десорбции (II-III), где в качестве навески брался регенерированный кленовый опад предыдущего этапа, до достижения постоянной концентрации ионов железа в фильтратах. Количество ионов Fe(II), выделившееся в фильтрат после десорбции х (%) и погрешность эксперимента £ (%) приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты экспериментов «десорбция I-Ш»

Процесс C(Fe)ocT, мг/дм3 X ± £, %

Десорбция I 245,28 181,44 209,44 35,55 ± 13,37

Десорбция II 124,88 120,40 127,12 20,81 ± 1,79

Десорбция III 160,72 162,40 162,40 27,13 ± 1,03

На основании данных, приведенных в таблице 2, сделан вывод, что после процесса I этапа десорбции, в фильтрат выделилось лишь х1 = 35,55 % от числа поглощенных ионов железа (II). Данное обстоятельство объясняется тем, что основная часть адсорбированных в ходе сорбции I ионов Fe(II) остается на поверхности и в массе СМ, что обусловлено взаимодействием ионов железа (II) с функциональными группами лигнина, целлюлозы и дубильных веществ [3, 14]. В ходе процесса десорбции II

этапа продолжается выделение в фильтрат ранее адсорбированных ионов Fe(II), их количество составляет х2 = 20,81 % от общего числа поглощенных ионов. На стадии десорбции III этапа происходит дальнейшее выделение ионов Fe(II) в фильтрат, при этом количество выделившихся ионов железа (II) несколько возросло по сравнению с десорбцией II стадии (х3 = 27,13 %). В ходе десорбции суммарное число выделившихся ионов составило 498,02 мг, т.е. степень десорбции составила 83,5 %

На основе анализа полученных данных, можно утверждать, что СМ целесообразно использовать только для первичной сорбции, поскольку в дальнейшем происходит резкий спад в поглощении загрязняющих ионов ТМ, в данном случае ионов Fe(II), а последующая регенерация не позволяет полностью восстановить сорбционную способность КЛО в полном объеме. Данный факт свидетельствует об экономической нерациональности проведения процесса десорбции, т.к. для возврата СМ на повторное использование после регенерации требуется обеспечить высокую степень десорбции иона металла (выше 95 %) [15]. В нашем случае степень десорбции после каждого процесса регенерации не превышала 35,55 %. В качестве рекомендаций по улучшению процесса регенерации отработанного СМ могут выступать: увеличение времени десорбции и концентрации раствора соляной кислоты.

Литература

1. G. Vaima, R. Singh, V. Sahu, International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, 2, 7, 45-56 (2013).

2. http://www.cnshb.ru/AKDiL/0033a/base/k0090006.shtm.

3. А.И. Юсупова. Автореф. дисс. ... канд. тех. наук, Казань, 2015. 16 с.

4. А.А. Алексеева, И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, Известия Уфимского научного центра РАН, 3, 19-30 (2015).

5. http://www.tiensmed.ru/news/klen-pw1 .html#nov3

6. G. Milton Ward, Journal of the North American Bentho-logical Society, 5, 2, 127-139 (1986).

7. S.A. Sedov, I.N. Valiev, P.A. Kuzmin, A.M. Sharifullina, Biosciences & Biotechnology Research Asia, 11, 169-172 (2014).

8. Г.Г. Карташова, В сб. Химический состав деревьев и кустарников, произрастающих на уступах угольного разреза, УрГУ, Свердловск, 1984. С. 72-77.

9. М.В. Силайчева, О.А. Гальблауб, С.В. Степанова, Материалы II Международной молодежной научной конференции «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов», Белгород, 2014. Ч.2. С. 235-237.

10. М.В. Силайчева, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 20, 257259 (2015).

11. Ю.С. Сырых. Автореф. дисс. ... канд. тех. наук, Иркутск, 2010. 19 с.

12. А.В. Редина. Автореф. дисс. ... канд. тех. наук, Томск, 2013. 20 с.

13. Ю.Ю. Лурье, Аналитическая химия промышленных сточных вод, Химия, Москва, 1984. 448 с.

14. В.А. Демин, Химия процессов целлюлозно-бумажного производства. Часть I. Структура, свойства и химические реакции лигнина, СЛИ, Сыктывкар, 2008. 64 с.

15. С.Д. Аронбаев, Universum: Химия и биология: электронный научный журнал, 6 (24) (2016), http://7universum.com/ru/nature/archive/item/3255.

© М. В. Силайчева - магистрант кафедры Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, silmarina93@mail.ru; С. В. Степанова - к.т.н., доцент кафедры Инженерной экологии того же вуза; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии того же вуза.

© M. V. Silaycheva - master's degree student of Engineering Ecology Department of Kazan National Research Technological University, silmarina93@mail.ru; S. V. Stepanova - Ph. D, Associate Professor of Engineering Ecology Department of the same university; 1 G. Shaikhiev - Ph. D, Head of Engineering Ecology Department of the same university.