» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Февраль, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №2 (11) 2018

Автор: Ильясова Римма Рашитовна, канд.хим.наук, доцент химического факультета
Рубрика: Химические науки
Название статьи: Новые подходы в сорбционной очистке промышленных сточных вод от ионов Cu (II) и Zn (II)

Статья просмотрена: 323 раз
Дата публикации: 24.01.2018

546.22.-121, 661.152, 631.8

НОВЫЕ ПОДХОДЫ В СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ Cu (II) и Zn (II):

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ильясова Римма Рашитовна

кандидат химических наук, доцент

Силантьева Юлия Владиславовна, Мирхайдарова Эльвина Даниловна,

Шагаргазина Гульгена Вильевна

студенты 5 и 4 курсов химического факультета

Башкирский государственный университет, г. Уфа

 

Аннотация. В статье приведены результаты изучения влияния степени дисперсности природного минерала перлита на извлечение ионов меди (2+) и цинка сорбционным методом.  Авторами предложен эффективный сорбент на основе перлита.

Ключевые слова: тяжелые металлы, сорбент, сорбция.

 

Одной из проблем настоящего времени является загрязнение окружающей среды, в частности водоемов, соединениями тяжелых металлов. Соединения тяжелых металлов попадают в естественные водоемы со стоками предприятий тяжелой индустрии и абсолютно чужды экосистемам (ксенобиотики), поэтому вред от них существенен, а последствия их воздействия на экосистему подчас непредсказуемы. Соединения металлов лидируют по объему выбросов в водоемы. Многие из них чрезвычайно токсичны (Hg, Pb, Cd, Tl, Cr), другие вызывают токсические эффекты в больших дозах, хотя и являются микроэлементами (Cu, Zn) [1].

В частности, в малых количествах медь является незаменимым биогенным микроэлементом, активно участвуя в процессах дыхания, транспорта железа и др. В то же время при концентрациях, незначительно превышающих оптимальные, она становится токсичной для всего живого. Ее токсическое воздействие связано с активизацией процессов свободно-радикального окисления органических молекул в клетке, вследствие которых нарушаются структура и проницаемость клеточных мембран, функционирование электрон-транспортных цепей дыхания, а также ферментов, участвующих в метаболизме углеводов и синтезе белков. В ряду устойчивости металл-лигандных комплексов - комплексы с Cu (II) занимают первое место, что характеризует ионы меди высшим уровнем токсичности. С учетом высоких объемов мировой добычи (итоги 2017 года свидетельствуют о росте производства и потребления меди на 3%) медь становится самым опасным загрязнителем биоты.

С биологической точки зрения цинк является биологически необходимым элементом. Вместе с медью цинк занимает первое место среди рассеянных элементов по интенсивности поглощения биотой морей и океанов. Предельно допустимые нормы соединений меди в питьевой воде до 1 мг/л, цинка - до 5 мг/л. При этом концентрации меди и цинка в сточных водах превышают иногда значение ПДК в несколько раз [2].

В России из 60 кубических километров сточных вод по меньшей мере третья часть попадает в окружающую среду без всякой очистки. Вода не успевает самоочищаться. Для того, чтобы «вылечить» реку после такой агрессии, необходимо разбавлять загрязненную воду чистой в соотношении 1: 100. Что практически невозможно при высоких концентрациях соединений меди и цинка в недоочищенных стоках предприятий тяжелой промышленности. В частности, анализ сточных вод горнодобывающих предприятий Южного Урала (Сибайский филиал Учалинского ГОК, Бурибаевский ГОК) показывает, что концентрации ТМ достаточно высоки, что негативно сказывается на качестве воды прилегающих поверхностных водоемов. Например, превышение норм ПДК в реках Карагайлы (г. Сибай) составило: ионов меди (2+) и цинка каждого примерно в 100 раз [3].

Вода, загрязненная указанными ионами, становится непригодной для питья, купания и других бытовых нужд. В связи с вышеуказанным, актуальной задачей является разработка экологически безопасной эффективной технологии, позволяющей селективно извлекать соединения меди (2+) и цинка из техногенных вод со снижением их концентраций в стоке до норм ПДК.

В настоящее время для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов широко используются различные методы: механические, химические, биологические, физико –химические и др. Физико-химические методы очистки сточных вод по сравнению с остальными имеют ряд существенных преимуществ: возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений; достигается более глубокая и стабильная степень очистки; меньшие размеры сооружений; меньшая чувствительность к изменениям нагрузок; возможность полной автоматизации; более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры; методы не связаны с контролем над деятельностью живых организмов; возможность рекуперации различных веществ.

К физико-химическим методам относятся и сорбционные методы, которые широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических и неорганических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если эти вещества биологически не разлагаются или являются сильно токсичными. Достоинством сорбционного метода также является возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ. Эффективность сорбционной очистки зависит от химической природы сорбента, величины сорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе. [4,5].

Необходимость очистки больших объемов воды предъявляет определенные требования к сорбентам – они должны быть дешевыми и обладать высокими сорбционными характеристиками при температурах, близких к температурам окружающей среды. К сожалению, современные сорбенты не всегда сорбционно эффективны. В этой области существуют и такие проблемы, как, отсутствие надежных способов регенерации сорбентов, ресурсосберегающих экологизированных технологий очистки, способов утилизации тяжелых металлов из отходов.

В последние годы большие ожидания в области решения экологических задач связывают с применением новых сорбентов на основе высокодисперсных частиц, что является весьма перспективным.

Весьма привлекательным для использования в качестве сорбента ионов тяжелых металлов, является природный минерал перлит - природный материал, представляющий из себя вулканическую породу, в составе которого до 70-75% SiO2; 12-14% AI2O3; 3-5% Na2O, примерно столько же К2О, до 1% Fe2O3, CaO, МgО. Отличительной особенностью перлитовой породы является содержание в ней от 2 до 5 % связанной воды. В силу своей природы, химического состава перлит, инертен, химически, биологически стоек, безопасен для окружающей среды и экономичен. В больших количествах добывается в Азербайджане, Грузии, Казахстане. Важнейшие месторождения перлита находятся на территории Российской Федерации: в Восточной Сибири и на Урале [6].

Авторами изучены сорбционные свойства перлита природного (исходного) и перлита, полученного механическим измельчением природного материала на центробежной мельнице Alpine Z-160 с целью исследовать влияние степени дисперсности сорбента на извлечение ионов меди (2+) и цинка.

При этом решались следующие задачи:

·                    Установление оптимальных условий сорбционного концентрирования для исследуемых катионов частицами сорбента.

·                    Проведение сравнительного анализа значений сорбционного извлечения R% в зависимости от типа сорбентов.

Эффективность сорбции ионов исследовали по измерению степени извлечения R (%) по формуле:

R = [C0C / C0] × 100%

где С0 – концентрация определяемого соединения в водном растворе до сорбции (исходная), (моль/л);

С концентрация в растворе после сорбции (равновесная), (моль/л).

Для получения количественных характеристик использованы методы фотометрии и атомно-абсорбционной спектроскопии, а также необходимые стандартизованные методики [7, 8]. 

Согласно проведенным исследованиям, оптимальными условиями проведения сорбции катионов явились следующие: рН 5, температура 200С, время контакта фаз 5 минут, соотношение массы сорбента к раствору исследуемого раствора 1 г на 25 мл.

При этом максимальные значения степеней извлечения ионов R% составили:

1.                  Частицами исходного природного перлита: Cu (II) – 65 %, Zn (II) – 40 %.

2.                  Частицами высокодисперсного перлита: Cu (II) – 76 %, Zn (II) – 42 %.

при концентрации ионов в растворе 10-3 моль/л. При концентрации 10-4 моль/л степени извлечения R (%) ионов меди и цинка составили около 99,9% в обоих случаях.

По форме полученной изотермы сорбции сделаны выводы, что она соответствует изотермам сорбции Ленгмюра, т.е. сорбция протекает по мономолекулярному механизму.

Таким образом, высокодисперсный перлит эффективно извлекает в первую очередь  ионы меди (2+) и его можно рекомендовать использовать для очистки сточных вод от указанных ионов при концентрации 10-3 моль/л. При концентрации ионов 10-4 моль/л в воде перлит одинаково сорбционно эффективен по отношению и к ионам меди, и к ионам цинка.

Следует отметить, что установленная оптимальная температура сорбции 200С свидетельствует о протекании обратимой, физической сорбции, отсутствии химического взаимодействия между сорбентом и сорбатом во всех случаях. Также близкая к температуре окружающей среды температура сорбции позволяет обходиться без существенных затрат на поддержание температурных параметров во время осуществления сорбции ионов тяжелых металлов.

Отходы, образовавшиеся в результате сорбции ионов тяжелых металлов достаточно легко переработать с использованием хорошо известных методов металлургии. 



Список литературы:

  1. Ильясова Р.Р., Гайнетдинова Ю.М., Массалимов И.А., Мустафин А.Г. Изучение сорбционных свойств наночастиц железосодержащего сорбента по отношению к ионам тяжелых металлов // Химическая физика, - 2017, - том 36, - № 8, с. - 90–93.
  2. Шустов С.Б., Шустова Л.В., Горбенко Н.В. Химические аспекты экологии. - М.: Русское слово, - 2016, - 240 с.
  3. Мишурина О. А., Медяник Н. Л., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Комплексная переработка сточных вод с высоким содержанием меди, марганца и железа // Молодой ученый. - 2013. - №8, - с. 102-105.
  4. http://www.ugmk.com/analytics/surveys_major_markets/copper/
  5. http://markmet.ru/tehnika-bezopasnosti-v-metallurgii/toksichnost-tsinka-i-ego-soedinenii
  6. Петров А.Б. Обзор рынка перлита в СНГ. - М.: Инфомайн, - 2010, - 120 с.
  7. Методика количественного химического анализа на определение ионов тяжелых металлов в почвах, донных отложениях, сточной воде атомно-абсорбционным методом. ПНД Ф 16.1: 2.2: 2.3.36-02.
  8. Васильев В.П. Аналитическая химия. Физико – химические методы анализа. - М.: Высшая школа, - 2003. – Т.2. – c. 384


Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: