Физико-химические основы сорбционной очистки модельных вод от ионов железа (II) с использованием целлюлозосодержащих отходов

Очистка сточных вод от тяжелых металлов (ТМ) – жизненно важное направление системного оздоровления экологической обстановки в окружающей среде, так как повышенное содержание солей ТМ крайне отрицательно действует на организм человека [1].

Материалы растительного происхождения, накапливающиеся в виде отходов различных производств, представляют практический интерес в качестве сырья для очистки водных сред от поллютантов. К таким отходам относится и листовой опад, ежегодно накапливающийся на территории населенных пунктов. Таким образом, сорбенты, изготовленные из вторсырья, позволяют решить сразу две проблемы: очистка воды и утилизация отходов [2].

Исследование кинетики сорбции позволяет установить скорость достижения равновесия, влияние на нее температуры, максимальную сорбционную емкость, а также выявить преобладающую стадию процесса и механизм взаимодействия ионов металла с сорбционным материалом (СМ).

В настоящей работе изучены физико-химические основы сорбционной очистки модельных вод (МВ) от ионов Fe(II) СМ на основе целлюлозосодержащего отхода – листового опада клена (ОК), в статических условиях.

Подготовка СМ включает сушку ОК в течение недели при комнатной температуре, измельчение до размера фракции 5 мм и удаление жилок.

В качестве загрязнителя МВ использовался сульфат двухвалентного железа FeSO 4 ∙7H 2 O, причем навеска берется с учетом кристаллизованной воды. В пять плоскодонных колб емкостью 100 см³ с помощью мерного цилиндра наливали по 100 см³ раствора, содержащего ионы Fe(II) с концентрацией 100 мг/дм³, в каждую колбу добавляли по 1 г измельченного ОК.

Далее содержимое колб подвергалось нагреванию на водяной бане. Проводилась серия экспериментов в интервале температур: 297-370 К. Через каждые 10, 30, 60, 75, 90 мин растворы охлаждали и отфильтровывали, а в фильтратах определяли остаточную концентрацию ионов железа комплексометрическим методом [3].

В таблице 1 представлены данные для построения кинетических кривых процесса сорбции ионов Fe(II) кленовым опадом.

Таблица 1 – Данные для построения кинетических кривых процесса сорбции при различных температурах.

Установлено, что экспериментальные данные некорректно описываются моделью псевдо-первого порядка, однако соответствуют модели псевдо-второго порядка. Данная модель подразумевает, что лимитирующей является стадия химического взаимодействия [4]. Кинетические параметры адсорбции представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты обработки кинетических зависимостей адсорбции ионов Fe(II) при различных температурах.

По данным таблиц 1 и 2 делаем вывод, что адсорбция протекает быстро на начальной стадии и замедляется при приближении к состоянию равновесия, а с увеличением температуры скорость процесса сорбции возрастает, в то время как, время достижения равновесия уменьшается.

Минимальное время равновесия составляет 46 мин при температуре 370 К [5].

Определяем термодинамические параметры процесса сорбции.

Результаты вычислений данных параметров представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты обработки кинетических зависимостей адсорбции ионов Fe(II) при различных температурах.

На основании данных таблицы 3 делаем вывод, что с ростом температуры возможность протекания процесса сорбции увеличивается, т.к. отрицательное значение энергии Гиббса возрастает по мере нагревания. Константа скорости процесса резко увеличивается в интервале от 353 до 370 К: при 370 К она составляет 0,489 г∙мг-1∙мин-1.

Значение энергии активации, равное Е а = 18,24 кДж/моль, подтверждает, что в качестве лимитирующей стадии выступает процесс хемосорбции, поэтому утверждаем, что в процессе поглощения ионов Fe(II) кленовым опадом, происходит окисление ионов Fe(II) до Fe(III) и их взаимодействие с таннинсодержащими веществами, которые входят в состав ОК. Химическую природу сорбции также подтверждает положительное значение энтальпии, которое свидетельствует об эндотермичности процесса, т.к. для физической сорбции характерен экзотермический эффект.

Химическую природу процесса сорбции также можно объяснить возможностью взаимодействия ионов железа с функциональными группами лигнина, такими как метоксильные (–ОСН3), гидроксильные (–ОН), карбонильные (–СО–) и карбоксильные (–СООН) [6].

Однако мы не исключаем наличия физической сорбции ионов Fe(II) функциональными группами целлюлозы. Согласно [7] ионообменные свойства целлюлозе сообщают карбоксильные группы, без учета их месторасположения, т.е. боковые или концевые. Целлюлоза в этом случае представляет собой слабую поликислоту, протоны которой обмениваются на катионы металла.

Наилучшие результаты по очистке МВ от ионов Fe(II) кленовым опадом получены при температуре 370 К. Максимальная сорбционная емкость составляет 9,593 мг/г, что соответствует остаточной концентрации ионов Fe(II), равной 4,07 мг/дм3, при времени контакта 60 мин. Данный способ предлагается использовать в качестве предварительной очистки сточных вод.