Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Пимнева Л.А. 1 Королева М.Н. 1 Казанцева А.В. 1

---

1 Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

Исследованы основные закономерности ионного обмена иона марганца (II) из водных нитратных растворов природным минеральным сорбентом каолините в статических условиях. Получены количественные характеристики процесса сорбции ионов марганца (II) от концентрации ионов в растворе. Сорбционная емкость каолинита по ионам марганца изучена при температурах 298, 318, 333 К и составляет (ммоль/г): 0,031 (298 К); 0,063 (318 К) и 0,075 (333 К). Исследовано равновесие обмена ионов марганца (II) на каолините методом построения изотерм. Установлена природа взаимодействия ионов марганца и каолинита. Полученные расчетным путем константы взаимодействия ионов марганца с каолинитом показывают, что с ростом температуры процесса взаимосвязь ослабевает. Показано, что параметр сорбционного взаимодействия (К) характеризует энергию взаимодействия ионов марганца (II) с сорбентом. Найдены оптимальные условия концентрирования ионов марганца (II). Показана возможность применения природных сорбентов для очистки водных растворов.

Статья в формате PDF

1787 KB

природные сорбенты

сорбция

механизм сорбции

изотермы сорбции

количественные характеристики процесса сорбции

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975. – 512 c.

2. Калюкова Е.Н. Адсорбция катионов марганца и железа природными сорбентами. / Е.Н. Калюкова, В.Т. Письменко, Н.Н. Иванская // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2010. – Т. 10, Вып. 2. – С. 194–200.

3. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. – М.: Химия, 1984. – 448 с.

4. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. / Ю.Ю. Лурье. – М.: Изд-во Химия, 1979. – 480 c.

5. Пимнева Л.А. Извлечение катионов марганца и никеля природным сорбентом из природных и сточных вод / Л.А. Пимнева, М.Н. Королева – Вестник Тюменского архитектурно-строительного университета. – 2015. – № 1. – С. 77–80.

6. 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.

7. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды / А.Д. Смирнов. – Л.: Химия, 1982. – 168 c.

Актуальной задачей современности является повышение степени эффективности извлечение тяжелых металлов из сточных вод. Известно, что тяжелые металлы являются стойкими химическими загрязнителями, обладающие специфическими токсическими свойствами. В сточных водах, а также в природных подземных водах, как правило, содержатся соединения марганца [2].

При очистке сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов практическая задача заключается в подборе местных природных материалов. В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение сорбционной способности каолинита при извлечении ионов марганца из водных растворов.

Материалы и методы исследования

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

Эксперимент проводили при температурах 298, 318 и 333 К. Сорбцию ионов марганца на каолините изучали в статических условиях из нитратных растворов с концентрациями от 0,05 М до 0,16 М. Сорбент в количестве 1 г заливали 50 мл растворами. Контакт сорбента с раствором продолжался до установления равновесия в течение 7 суток [6]. Затем сорбент и раствор отделяли и анализировали на содержания ионов марганца и измеряли рН среды. Концентрацию ионов марганца в растворе определяли по методике [5].

Количество вещества, сорбированного единицей массы сорбента Г, ммоль/г, рассчитывали по формуле:

,

где С0 – концентрация марганца в исходном растворе, ммоль/л; Ср – равновесная (остаточная) концентрация извлекаемого иона марганца в растворе, ммоль/л; V – объем раствора, мл; g – масса сорбента, г.

По полученным результатам строили изотермы сорбции, дающие основные сведения о сорбционных свойствах материала и характере сорбции на нем определенных веществ.

Результаты исследования и их обсуждение

Перед рассмотрением и анализом экспериментальных данных по изучению основных закономерностей сорбции ионов Mn (II), рассмотрим ионное состояние исходных растворов. В водных растворах свободные ионы марганца (II) практически не существуют вследствие сильной гидратации. При образовании исходных растворов нитратов марганца происходит гидратообразование с выделением плохо растворимого гидроксида Mn(OH)2, а также гидролиз ионов марганца. Оба этих эффекта способны оказывать влияние на результаты сорбции. В 1М растворах начальная величина водородного показателя среды при начале гидратообразования рНгидр. для Mn²⁺ равна 7,8 [4], в случае 0,01М растворов Mn²⁺ 8,8 [4], а при полном осаждении, где автор принимает концентрацию 10^–5 М, рНгидр. составляет 10,4 [4].

В связи со снижением в процессе сорбции концентраций Mn2+, гидролизующихся по уравнению

Mn ²⁺ + HOH ↔ MnOH⁺ + H⁺ ,

происходит непрерывное изменение водородного показателя среды. Величина рН может быть рассчитана из зависимости (КW = 10^-14)

,

где lgKВ и С – соответственно константа диссоциации слабого основания, образующего соль по второй ступени, равная для Mn(OH)2 (5·10^-4) [4]. Результаты расчетов показали, что по мере снижения содержания ионов Mn2+ рН раствора существенно возрастает. Эти данные подтверждают и экспериментальные измерения рН растворов до и после сорбции ионов марганца (II) на каолините (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость рН раствора нитрата марганца от концентрации ионов Mn (II): исходных растворов до сорбции (1) и растворов после сорбции (2)

Для установления закономерностей сорбции ионов марганца (II) на каолините было изучено влияние концентрации исходного раствора и температуры на величину сорбции. В результате было установлено, что с увеличением концентрации ионов марганца (II) возрастает величина удельной сорбции. Полученные данные показывают, что сорбционная емкость при температуре 298 К составляет 0,031 ммоль/г; при 318 К – 0,063 ммоль/г и при 333 К – 0,075 ммоль/г. Таким образом, сорбционная емкость возрастает с ростом температуры.

В результате сорбции наблюдается конкуренция двух видов межмолекулярных взаимодействий: гидратация ионов металлов и взаимодействие ионов металлов с сорбентом [1]. С увеличением концентрации сорбция на исходном каолините возрастает и в области 0,1 ммоль/мл наблюдается перегиб (рис. 2), указывающий на изменение механизма сорбции. На первой ступени сорбции марганца предельное значение не достигается и выше отмеченной концентрации сорбция проходит одновременно на различных активных центрах. Сорбция проходит по ионообменному механизму по схеме:

Рис. 2. Зависимость сорбции ионов марганца из растворов нитрата марганца (II) на каолините при температуре, К: 1 – 298, 2 – 318, 3 – 333

Рис. 3. Изотермы сорбции ионов марганца на каолините при температуре, К: 1 – 298; 2 – 318; 3 – 333

Рис. 4. Изотерма сорбции ионов марганца (вторая ступень) в линейных координатах уравнения Ленгмюра при температуре: 1 – 298; 2 – 318; 3 – 333

Расчеты изотерм сорбции ионов марганца на каолините

На второй ступени сорбции ионов марганца (II) также происходит по ионообменному механизму, но на менее доступных активных центрах, находящихся в участках каолинита с более высокой степенью дисперсности.

Изотермы сорбции ионов марганца (II) (рис. 3) принадлежат к изотермам IV типа по классификации БЭТ [3], которым характерна конечная адсорбция при приближении к насыщению концентрации.

Выявление сорбционных параметров предельной удельной сорбции Г∞ и константы, указывающей на сродство сорбата к сорбенту, проведено обработкой результатов в соответствии с линейной формой уравнения Ленгмюра [2]:

,

где Г∞ – предельная емкость сорбента, ммоль/г; Г – количество сорбированных ионов Mn2+, ммоль/г; КL – константа сорбционного взаимодействия, характеризующая интенсивность сорбции, л/ммоль, С – равновесная концентрация, ммоль/л.

Линейная изотерма (рис. 4) позволяет графически определить оба постоянных параметра сорбционной изотермы Лэнгмюра (Г∞ и КL). Экстраполяция прямолинейной изотермы до оси ординат дает отрезок, равный 1/(Г∞·КL), а тангенс угла наклона прямой tg∞ = 1/Г∞ [7]. Рассчитанные значения постоянных уравнения Лэнгмюра приведены в таблице.

Параметр сорбционного взаимодействия (КL) характеризует энергию взаимодействия сорбата с сорбентом. Чем сильнее это взаимодействие, тем больше его величина. Как видно из таблицы, что чем выше температура процесса, тем больше ослабевает взаимодействие сорбата с сорбентом.

Заключение

Установлено, что каолинит обладает высокой сорбционной способностью по отношению к ионам марганца. Изотермы сорбции ионов марганца (II) в широком интервале концентраций раствора нитрата марганца подчиняется уравнению Ленгмюра; рассчитаны предельные значения сорбции.

Библиографическая ссылка