Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,578

СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КАОЛИНИТА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ МЕДИ (II)

Пимнева Л.А. 1 Лебедева А.А. 1
1 Тюменский государственный архитектурно-строительный университет
Исследованы основные закономерности ионного обмена катиона меди (II) из водных растворов природным минеральным сорбентом каолините в статических условиях. Исследована степень извлечения ионов меди из растворов в зависимости от концентрации исходного раствора. Показано, что степень извлечения меди из растворов от 0,01М до 0,06М близка к 100?%. Изучено влияние на степень извлечения ионов меди отношение количества навески сорбента к объему исходного раствора. С увеличением объема раствора сульфата меди с концентрацией 0,02 М при постоянной навески каолинита происходит увеличение величины сорбции. Исследовано равновесие обмена ионов меди на каолините методом построения изотерм при изменении температуры процесса от 298 К до 333К. Полученные результаты показывают, что с увеличением температуры величина сорбции ионов меди возрастает от 2,97 до 3,46 ммоль/г. Показано, что параметр сорбционного взаимодействия (К) характеризует энергию взаимодействия ионов меди с сорбентом.
природные сорбенты
сорбция
механизм сорбции
изотермы сорбции
количественные характеристики процесса сорбции
1. Вигдорович В.И. Сорбционная очистка проточных растворов от меди (II) концентратом глауконита ГБМТО /Сорбционные и хроматографические процессы. – 2013. – Т. 13. – Вып. 4. – С. 442–448.
2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975. – 512 с.
3. Марков В.Ф. Извлечение меди из промышленных стоков с помощью композиционного сорбента сильнокислотный катионит – гидроксид железа / Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ. – 2007. – № 3 (47). – С. 144–149.
4. Пимнева Л.А. Закономерности сорбции катионов меди (II) каолинитом / Л.А. Пимнева, А.А. Лебедева // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9. – Часть 2. – С. 268–271.
5. Полещук И.Н. Сорбционная активность каолинита по отношению к ионам цинка / И.Н. Полещук, В.В. Малышкина // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9. – Часть 2. – С. 272–274.
6. Хурамшина И.З. Сорбционная доочистка медьсодержащих водных растворов / И.З. Хурамшина, А.Ф. Никифоров// Экология и промышленность России, июнь 2013 г. – С. 29–31.

Для извлечения ионов меди из сточных вод различных промышленных предприятий широко применяются сорбционные методы [1, 3, 5, 6]. При сорбции из растворов происходит поглощение сорбентом как ионов меди, так и молекул воды. При извлечении из водных растворов ионов металлов, молекулы воды составляют им конкуренцию. В результате сорбции наблюдается конкуренция двух видов межмолекулярных взаимодействий: гидратация ионов металлов и взаимодействие ионов металлов с сорбентом [2].

Гидратная оболочка препятствует сорбции ионов меди вследствие уменьшения электрического взаимодействия. Чем больше у иона величина ионного потенциала, тем сильнее он гидратируется в воде. Катион Сu2+ характеризуется радиусом гидратированного иона равный 4,19.

Для очистки сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов основной практической задачей является подбор местных материалов, их доступность и обладающих достаточной глубиной очистки.

Целью данной работы является исследование ионообменных свойств каолинита по отношению к катионам меди, определение его сорбционных характеристик, а также экспериментальное подтверждение целесообразности применения сорбента для очистки природных и сточных вод промышленных предприятий.

Материалы и методы исследования

Исследована сорбционная способность каолинита по отношению к катионам меди (II) на природном сорбенте – каолините. Для изучения процесса сорбции использовали природный минерал каолинит с размером частиц 2,5÷3,5 мм.

Сорбцию проводили в статических условиях по отношению к ионам меди методом переменных концентраций при температуре от 25 до 60 °С с использованием термостатированного шкафа с точностью ± 1 °С. Сорбент массой 1 г помещали в колбу и заливали 50 мл раствора. Растворы готовили методам разбавления раствора сульфата меди с концентрациями ионов меди от 0,01 М до 0,24 М.

Концентрацию ионов меди определяли по методике [4].

Результаты исследования и их обсуждение

На основании полученных данных рассчитали статическую емкость сорбции ионов меди Г, (ммоль/г) :

pim01.wmf, моль/г

коэффициент распределения Кd, мл/г

pim02.wmf, мл/г

и степень сорбции α ( %)

pim03.wmf,

где C0 – концентрация элемента в исходном растворе, ммоль/л; Cp – равновесная (остаточная) концентрация извлекаемого иона в растворе, ммоль/л; V – объем раствора, л; g – масса сорбента, г.

Полученные данные по сорбции (табл. 1) ионов меди (II) показывают о высокой сорбционной активности каолинита. Степень извлечения до 0,06 М раствора близка к 100 %. На рис. 1 представлены результаты степени извлечения ионов меди при изменении температуры процесса. Из графической зависимости видно, что с увеличением исходной концентрации степень очистки растворов от ионов меди снижается. Это можно объяснить тем, что с увеличением концентрации исходного раствора ионная сила растворов увеличивается, при этом активность ионов меди уменьшается. Таким образом, свободных ионов меди в растворе становиться меньше и степень сорбции должна уменьшаться.

С практической точки зрения эффективность очистки растворов зависит от соотношения расхода сорбента и объема очищаемого раствора. Известно, что величина сорбции (Г, ммоль/г) определяется соотношением массы сорбента и содержания ионов в очищаемом растворе, то есть, его концентрацией и объемом. На рис. 2 видно, что с увеличением объема раствора сульфата меди с концентрацией 0,02 М при постоянной навески каолинита происходит увеличение величины сорбции.

pimnev1.tif

Рис. 1. Изменение степени извлечения ионов меди (II) при сорбции в зависимости от температуры, К: 1. – 298, 2. – 307, 3. – 313

pimnev2.tif

Рис. 2. Зависимость сорбции ионов меди из раствора с концентрацией 0,02 М раствора от соотношения Т/Ж

pimnev3.tif

Рис. 3. Изотермы сорбции меди на каолините при температурах, К: 298 (1); 313 (2); 333 (3)

Таблица 1

Коэффициент распределения, степень сорбции и статическая обменная емкость каолинита при извлечении меди (II) из растворов при температуре 298 К

C0, ммоль/мл

0,01

0,02

0,04

0,06

0,10

0,20

0,24

Cp, ммоль/мл

0,0005

0,0035

0,005

0,015

0,053

0,142

0,184

Кd, мл/г

1100

250

360

141,7

47,6

20,5

16,1

α, %

95,65

83,33

87,80

73,91

48,79

29,07

24,33

Г, ммоль/г

0,55

0,88

1,8

2,13

2,53

2,90

2,95

Значит, при снижении отношения Т:Ж содержание ионов меди в растворе обеспечивает частичное заполнение активных центров поверхности.

Количество поглощенных ионов закономерно увеличивается с ростом их содержания в исходном растворе. Статистическая обменная емкость каолинита, контактирующего с растворами, исходная концентрация которых более 12 г/л составляет 4,6 мг/г (или 2,9 ммоль/г).

По полученным результатам строили изотермы сорбции, дающие основные сведения о сорбционных свойствах материала и характере сорбции на нем определенных веществ. На рис. 3 представлены изотермы сорбции ионов меди на природном каолините при разных температурах. Полученные результаты показывают, что с увеличением концентрации в исходном растворе величина сорбции возрастает. Изотерма имеет резкий подъем в области малых равновесных концентраций, на котором количество сорбированного иона металла практически пропорционально его содержанию в растворе (участок Генри), и характерный участок насыщения сорбента в данных условиях.

Изотермы сорбции ионов меди на каолините описываются изотермой I типа [], что позволило рассчитать адсорбционные параметры с использованием теории мономолекулярной адсорбции по уравнению Ленгмюра, записанного в линейной форме:

pim04.wmf,

где Г∞ – предельная емкость сорбента, ммоль/г; Сс – количество сорбированных ионов меди, ммоль/г; К – константа сорбционного взаимодействия, характеризующая интенсивность сорбции, мл/ммоль.

Результаты расчета приведены в табл. 2.

С увеличением температуры с 298 до 333 К происходит возрастание величины сорбции. Это означает, что при более высокой температуре величина сорбции ионов меди возрастает с 2,97 ммоль/г до 3,46 ммоль/г.

Таблица 2

Параметры сорбции ионов меди на каолините

Параметр сорбции

298 К

318 К

333 К

Г∞, ммоль/г

2,97

3,39

3,46

К, мл/ммоль

0,333

0,307

0,296

Заключение

По результатам работы можно сделать вывод, что природный каолинит обладает высокими сорбционными свойствами по отношению к ионам меди. Сорбция ионов меди достигает максимального значения при определенном соотношении твердое/жидкость для исследуемой концентрации раствора сульфата меди.


Библиографическая ссылка

Пимнева Л.А., Лебедева А.А. СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КАОЛИНИТА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ МЕДИ (II) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 3-1. – С. 51-53;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8669 (дата обращения: 08.12.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074