XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование процесса сорбции ионов цинка активированными сорбентами на основе продуктов переработки древесины

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Изгуттинова А.Б. 1

---

1Назарбаев Интеллектуальная школа химико-биологического направления города Усть-Каменогорск

Попова М.В. 1

---

1Назарбаев Интеллектуальная школа химико-биологического направления города Усть-Каменогорск

Работа в формате PDF

277.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Водные ресурсы претерпевают загрязнения тяжелыми металлами промышленных предприятий. Город Усть-Каменогорск является одним из центров металлургической промышленности с такими крупными предприятиями как «Казцинк», Титано-Магниевый комбинат и Ульбинский металлургический комбинат.

Повышенные токсические концентрации неко­торых тяжелых металлов вызывают негативные воздействия в организме человека. Так, например, длительный прием высоких доз цинка может увеличить риск развития болезни Паркинсона. повреждения нервной системы, проблемы со зрением и слухом, повреждение печени и других органов [1]. Токсичность тяжелых металлов оказывает негативное влияние на экосистемы в целом, влияя негативно на жизненный цикл организмов, начиная от микроорганизмов до животных.

Процессы сорбции широко применяются в очистке природных, городских сточных вод, промышленных и сельскохозяйственных стоков. Создание дешевых эффективных сорбирующих материалов широкого спектра действия с использованием доступного сырья растительного типа представляется одним из наиболее перспективных путей решения проблемы очистки вод.

Сорбенты природного происхождения из опилов обладают достаточной сорбционной ёмкостью и более низкой стоимостью по сравнению с синтетическими материалами, что существенно сказывается на себестоимости очищенной воды. Внедрение таких сорбентов имеет большое практическое значение для решения проблемы очистки загрязненных вод. Кроме того, сорбенты на основе целлюлозы обладают такими преимуществами, как биоразлагаемость и отсутствие токсичности и отвечают принципам «зеленой химии».

Цельюданной научной работы является изучение закономерности процесса сорбции ионов цинка сорбентами на основе продуктов переработки древесины.

Для достижение данной цели были поставлены несколько задач:

1) Изучение литературы и выбор методик исследования;

2) Отбор и подготовка проб для анализа (опилы пихты);

3) Определение содержания целлюлозы в пробах;

4) Проведение исследования по сорбции ионов цинка и определение оптимальных условий сорбции.

В данной исследовательской работе мы ознакомились с работамиНгуен Т.К., Присевко Д.Ю., Маркина В.М., Ишханова Е.В., и зарубежных авторов, в том числе Saeed, A., Akhter, W.M., Iqbal, M. Вышеуказанные работы были изучены с целью получить информацию о предыдущих исследованиях, методах, результатах и выводах, связанных с сорбцией цинка и использованием различных сорбентов.

Методы, используемые для реализации проекта: теоретические – методы анализа литературных источников; эмпирические–методы наблюдения, сравнения, химические методы анализа; методы математической обработки данных.

Исследование представляет собой вклад в область сорбции цинка из сточных вод и использования целлюлозосодержащих отходов в качестве эффективного сорбента. Данная работы полезна тем, что может привести к расширению знаний об эффективном удалении тяжелых металлов из воды, а также для разработки более эффективных технологий очистки воды в будущем.

Практическая значимость проекта в том, что он помогает решить проблему очистки воды от ионов цинка, что в свою очередь, улучшает качество воды и позволяет сохранить окружающую среду, а также здоровье и благополучие людей.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ПРОБЛЕМАМ СОРБЦИИ ИОНОВ ЦИНКА

1. 1. Сорбция и сорбционные методы

Сорбция — это процесс поглощения одного вещества (сорбата) другим веществом (сорбентом). Данные процесс широко применяется в различных областях, включая промышленность, медицину и окружающую среду. Основными принципами сорбции являются адсорбция и абсорбция. При адсорбции сорбат притягивается к поверхности сорбента и фиксируется на ней. В то время как в процессе абсорбции сорбат проникает внутрь структуры сорбента [2].

Процесс сорбции тяжелых металлов можно объяснить следующим образом. Сорбенты взаимодействуют с ионами металловв водном растворе, образуя комплексы, которые впоследствии удаляются из раствора.

Модель Ленгмюра — это одна из наиболее распространенных моделей, используемых для описания процесса сорбции ионов тяжелых металлов на целлюлозных сорбентах [3]. Модель основана на предположении, что сорбция происходит на поверхности сорбента и что только ограниченное количество ионов тяжелых металлов может быть сорбировано на единицу поверхности.

Модель Ленгмюра описывается следующим уравнением:

Г = Qm * K * C / (1 + K * C)

где, Г - количество ионов тяжелых металлов, сорбированных на единицу массы сорбента (мг/г), Qm - максимальная емкость сорбента (мг/г), K - константа равновесия Ленгмюра (л/мг), которая характеризует силу взаимодействия между ионами тяжелых металлов и сорбентом, C - концентрация ионов тяжелых металлов в растворе (мг/л).

Кривая, полученная при построении этого уравнения, называется изотермой Ленгмюра. Если сорбция происходит в соответствии с моделью Ленгмюра, то она имеет линейную форму. Параметры модели определяются путем обработки экспериментальных данных, полученных при различных значениях концентрации ионов тяжелых металловв растворе.

Модель Ленгмюра широко используется в исследованиях по сорбции ионов тяжелых металлов на целлюлозных сорбентах, поскольку она обеспечивает удобный способ описания и прогнозирования процесса сорбции и оптимизации условий сорбции для максимального удаления ионов тяжелых металлов из раствора.

1. 2. Основные виды сорбентов тяжелых металлов

Существует несколько методов сорбции цинка, используемых для очистки сточных вод: используются сорбенты на основе природных и модифицированных материалов. Эти материалы могут быть использованы в виде гранул, порошка или фильтров.

Электрохимические методы сорбции, которые включают использование электродов из различных металлов, таких как железо, алюминий и цинк. Когда ток проходит через электроды, происходит окисление и растворение цинка, что затем можно легко удалить из воды.

Методы с использованием ионных смол. Материалы, способные обмениваться ионами с растворенным и в воде солями и металлами широко используются для удаления загрязняющих веществ, таких как ионы цинка в сточных водах [4].

Метод обратного осмоса. Обратный осмос — это процесс фильтрации воды, при котором специальная мембрана удаляет все типы загрязняющих частиц, включая ионы цинка. Данный метод является особенно эффективным для очистки очень загрязненных сточных вод от цинка [5].

Фотокаталитическая сорбция цинка включает применение диоксида титана или сульфида цинка в качестве катализатора, которые подвергаются активации светом и обеспечивают диссоциацию молекул цинка в воде [6].

Гуминовые вещества широко используются как сорбенты для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов [7]

Карбамид также может использоваться в качестве адсорбента для удаления ионов металлов из сточных вод. Карбамид обладает высокой адсорбционной способностью и может удерживать ионы металлов благодаря слабым взаимодействиям на поверхности адсорбента.

В качество сорбентов могут быть использованы функционально жидкие полимеры на основе хитозана - флокулянты. Они эффективно очищают сточные воды при температуре от 0 до 100 градус Цельсия и в диапазоне 3.5-10.5 рН. Имеют широкий спектр применений и безопасны для человека, более того они являются природными биоразрушающимся полимером [8].

Бентонитоовые глины также могут быть использованы как сорбенты. Бентонитовые глины обеспечивает большую площадь поверхности для адсорбции загрязняющих веществ, нетоксичны и экологически безопасны, что делает их привлекательным вариантом для различных областей применения в водоподготовке.

Как сорбенты используются активированный уголь, силикагель, глина, керамика, листья кукурузы [9], кора дерева ним [10], порошок из листьев тика [11], древесину папайи [12], на них было проведено множество исследований по сорбции ионов тяжелых металлов. Одним из сорбционных методов для очистки сточных вод от цинка является использование органической целлюлозы как сорбента. Органическая целлюлоза - это натуральный полимер, который может быть использован в качестве сорбента благодаря его способности взаимодействовать с тяжелыми металлами.

Согласно данным, представленным в работе [13], адсорбцию улучшает щелочь, поскольку на поверхности сорбентов (опилок) образуются новые адсорбционные центры. Исследователи рекомендуют использовать для модификации щелочные растворы с концентрацией 1%.

По исследованиям [14], pH раствора, концентрация ионов металла и адсорбента, время контакта, температура и размер частиц адсорбента являются важными факторами оказывающее влияние на процесс сорбции ионов тяжелых металлов. Для более детального изучения процесса сорбции тяжелых металлов на целлюлозосодержащих сорбентах могут использоваться различные методы, включая спектроскопию, микроскопию, термический анализ и другие.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изучив теорию и выбрав основные методы активации, мы перешли к экспериментальной работе.

Схема эксперимента включала в себя несколько этапов:

Получение сорбентов и изучение процессов сорбции

Определение содержания целлюлозы в опилках пихты

Отбор проб и подготовка к анализуопилов пихты

Анализ результатов

Вычисление степени извлечения и построение изотерм адсорбции

Рисунок 1- Этапы проведения эксперимента

2. 1. Отбор проб и пробоподготовка опилов пихты к анализу

Отбор проб опилов пихты осуществлялся на перерабатывающем предприятии города Усть-Каменогорска в сентябре 2022 года.

Из пробы методом квартования выделяют среднюю пробу. Для этого опилы пихты поместили на ровную поверхность, перемешали и разровняли тонким, равномерным слоем в виде квадрата, и по диагонали делят на четыре треугольника. Два противоположных треугольника удаляли, а два оставшихся объединяли и перемешивали. Таким образом получили среднюю пробу, которую использовали для анализа.

В ходе подготовки проб к анализу опилки пихты были измельчены. На первом этапе опилки пихты были высушены до постоянной массы и определена их влажность.

Метод определения влажности основан на определении влаги в образце высушиванием навески древесины 1 г в бюксе до постоянной массы при температуре 100-105°С.

Рисунок 2 – Образцы опилов пихты

Относительную влажность древесины, %, рассчитывали по формуле:

∙100%

где m₁- масса бюкса с oбразцами дo высушивания, г; m₂- масса бюкса с образцами после высушивания, г; m- масса пустого бюкса, г;

Данные химического анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Определение содержания влажности в опилках пихты

Образец пихты	Влажность, %
Образец 1	6,04
Образец 2	6,26
Образец 3	5,92
Среднее значение	6,07

2. 2. Методы определения содержания целлюлозы в продуктах переработки растительного сырья.

Поскольку целлюлоза вносит вклад в сорбционные процессы, было определено ее содержание в опилках пихты азотно-спиртовым методом. Метод основан на обработке опилок азотно-спиртовой смесью, с последующим кипячением, фильтрованием и высушиванием полученной целлюлoзы на стеклянных фильтрах. Навеску воздушно-сухих oпилoк массой 1 г поместили в коническую колбу вместимостью 250 мл и дoбавили мерным цилиндром 25 мл азотно-спиртовой смеси. К колбе присоединили обратный холодильник и кипятили опилки со смесью на водяной бане в течение 1 часа.

После окончания кипячения, oпилкам дали время осесть и осторожно слили жидкость через фильтр. Попавшие на фильтр опилки смыли обратно в колбу, используя 25 мл свежей азотно-спиртовой смеси, и снова кипятили в колбе с обратным холодильником в течение 1 часа.

После последней обработки целлюлозу отфильтровывали на высушенном до постоянной массы стеклянном пористом фильтре, промыли 10 мл свежей азотно-спиртовой смеси, а затем горячей водой. При промывке тщательно смыли всю целлюлозу из колбы на фильтр.

Фильтр с целлюлозой высушивали при температуре (103±2°С) до постоянной массы и взвесили.

Массовую долю «сырой» целлюлозы, % к абсолютно сухой древесине, рассчитали по формуле:

где, m₂ - масса пустого фильтра, г

m₆ - масса фильтра с целлюлозой после сушки, г

g- масса абсолютно сухой навески древесины, г

С - массовая доля «сырой» целлюлозы, %

Данные химического анализа приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Содержание целлюлозы в опилах пихты

Образец пихты	Целлюлоза, %
Среднее значение	40,11

2. 3. Получение сорбентoв и исследование их сорбционных свойств на модельных растворах цинка

На следующем этапе были подготовлены сорбенты и исследована сорбционная способность опилов древесины пихты по отношению к ионам цинка. В качестве сорбентов выбраны: 1- опилы пихты, высушенные до постоянной массы; 2 -проведена химическая активация опилов пихты 1М раствором NaOH в течение 24 часов

Рисунок 3- Химически активированные опилы пихты 1М раствором NaOH

Модельные растворы ионов цинка были приготовлены с концентрациями 0,01-0,05 моль/л. Начальная концентрация растворов и концентрация растворов после сорбции определена титрованием с помощью трилона Б.

Рисунок 4- Модельные растворы ионов цинка

10,0 мл раствора, содержащего цинк, переносили в коническую колбу вместимостью 250 мл, добавляли 50 мл дистиллированной воды, нейтрализовывали раствор при помощи аммиака (1 : 1) до рН = 7–8 по универсальной индикаторной бумаге, затем приливают 10 мл буферного раствора, на кончике шпателя добавляют эриохром черный титруют 0,0500 М раствором трилона Б до перехода окраски из фиолетовой в синюю. По результатам титрования рассчитывают массу цинка в исследуемом растворе.

Для изучения процесса сорбции, в конические колбы наливали по 100 мл модельных растворов иона цинка и добавляли по 0,5г сорбентов. Выдерживали в течение 1 часа и фильтровали. После фильтрования определяли концентрацию ионов цинка в растворах.

Рисунок 5 – Изучение процесса сорбции

После эксперимента были рассчитаны степени извлечения и адсорбция ионов цинка.

В качестве основного параметра сорбции определена степень извлечения α по формуле:

где C₀ – начальная концентрация компонента в растворе, г/л

С_s– концентрация компонента в растворе после взаимодействия с сорбентом, г/л

Адсорбцияионов цинка рассчитывается по формуле:

Где – разница между концентрациями, моль/л;

V – объем модельного раствора цинка, л;m – масса навески (0,5 грамм), г.

Данные эксперимента по адсорбции приведены в таблицах 3-4.

Таблица 3 – Сорбция на опилах пихты, высушенных при постоянной массе

Таблица 4 - Данные сорбции опилов пихты, модифицированные 1M NaOH

На основании полученных результатов построили графическую зависимость степени извлечения от концентрации для различных сорбентов (рисунок 1).

Концентрация растворов цинка, моль/л

Рисунок 6 – Зависимость степени извлечения от концентрации растворов цинка (1 – сорбент без активации, 2 – химическая активация 1М NaOH)

Как видно из графика 1, наименьшую степень извлечения имеют опилки без активации. Максимальная степень извлечения наблюдается при концентрации ионов цинка 0,01 моль/л -55,6%.

С целью определения влияния концентрации гидроксида натрия на степень извлечения ионов цинка из растворов солей, была проведена сорбция на растворах цинка с концентрацией 0,01моль/л сорбентами, модифицированными различными концентрациями гидроксида натрия.

Условия сорбции были идентичные экспериментам, описанным ранее. Результаты сорбции представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты сорбции опилов пихты, модифицированных растворами с различными концентрациями NaOH

Рисунок 2 – Зависимость степени извлечения от концентрации растворов NaOH

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Максимальную степень извлечения имеют опилки при модификации 1,5М раствором NaOH -78,9 %. С ростом концентрации раствора гидроксида натрия, используемого для активации, степени извлечения ионов цинка из растворов солей увеличивается.

Таким образом, в ходе исследования была изучена литература по сорбции тяжелых металлов, в частности ионов цинка из растворов солей, рассмотрены основные виды сорбентов и факторы, которые влияют на процесс сорбции. Определено содержание целлюлозы в опилах пихты - 40,11%. Установлено, что в ходе модификации целлюлозосодержащих сорбентов раствором гидроксида натрия их сорбционная способность по отношению к ионам цинка увеличивается, при этом максимальная сорбционная активность наблюдается при использовании модификации 1,5М раствором NaOH.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маркина В.М., Ишханова Е.В. Изучение влияния макро- и микроэлементов на здоровье сбережение обучающихся / Маркина В.М., Ишханова Е.В. [Электронный ресурс] // eLIBRARY : [сайт]. — URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38232544 (дата обращения: 23.04.2023).

2. Присевко Д.Ю. Процесс сорбции веществ и его место в деятельности человека – Старт в науке (научный журнал для школьников). Электронный ресурс).[https://science-start.ru/ru/article/view?id=2247]

3. Удаление ионов тяжелых металлов из водных сред листьями акации ушковидной (acaciaauriculiformis). Сборник Трудов Конференции. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49347201

4. K.S.S. Rao, S. Singh Ion Exchange Resins: Fundamentals and Applications [Ионообменныесмолы: основыиприменение] / K.S.S. Rao, S. Singh // Water Environment Research. - 2019. - T.1. - №1. - С. 68-83.

5. R. Kh. Muhammad, B. Yasir, Sh. Khurram Reverse Osmosis Technology in Wastewater Treatment: A Critical Review [Технология обратного осмоса в очистке сточных вод: критический обзор] / R. Kh. Muhammad, B. Yasir, Sh. Khurram // Water, Air, & Soil Pollution. - 2019. - T.230. - № 12. - С. 1-22.

6. S. A. Adeosun, S. S. Abdulkareem, A. O. Dada, Photocatalytic treatment technologies for zinc-contaminated wastewater: A review of recent advances and future perspectives [Фотокаталитические технологии очистки сточных вод от цинка: обзор последних достижений и перспективы развития] / S. A. Adeosun, S. S. Abdulkareem, A. O. Dada // Journal of Environmental Chemical Engineering. - 2020. - T.8. - № 5. - С. 104-291.

7. Богатырев Ю. В., Дмитриева Е. Д., Леонтьева М. М., Сюндюкова К. В., Сорбционная способность гуминовых веществ торфов Тульской области по отношению к ионам цинка. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки, с. 49-57.2017.

8. Saeed A., Saima Q., Muhammad B. T. Chitosan -Based Functionalized Liquid Polymers for Waste water Treatment: AReview [Функционально-жидкие полимеры на основе хитозана для очистки сточных вод: обзор] / SaeedA., SaimaQ., MuhammadB. T. // Polymers. — 2020. — T.12. — №5. — С. 1142-1163.

9. N.A.A. Babarinde, O.J. Babalola, A. Sanni, Isotherm and thermodynamic studies of the biosorption of Cd(II) from solution by maize leaf [Изотермические и термодинамические исследования биосорбции Cd(II) из раствора с помощью листьев кукурузы.] / N.A.A. Babarinde, O.J. Babalola, A. Sanni, // International Journal of Physical Sciences. — 2007. — № 2. — С. 207-211.

10. Bhattacharya, A.K., Mandal, S.N., Das, S.K. Adsorption of lead(II) from aqueous solution by Azadirachta indica (Neem) leaf powder [Сорбция иона свинца(II) из водного раствора с использованием порошка листьев Azadirachta indica (Neem)] / Bhattacharya, A.K., Mandal, S.N., Das, S.K. // Chemical Engineering Journal. — 2006. — № 123. — С. 43-51.

11. King, P., Srivinas, P., Kumar, P.Y., Prasad, V.S. Removal of zinc and copper from aqueous solutions using leaf powder of selected plants [Удалениецинкаимедиизводныхрастворовсиспользованиемпорошкалистьеввыбранныхрастений] / King, P., Srivinas, P., Kumar, P.Y., Prasad, V.S. // Journal of Hazardous Materials. — 2006. — № 136. — С. 560-566.

12. Saeed, A., Akhter, W.M., Iqbal, M. Removal and recovery of heavy metals from aqueous solution using papaya wood as a new biosorbent [Удаление и извлечение тяжелых металлов из водных растворов с использованием древесины папайи в качестве нового биосорбента.] / Saeed, A., Akhter, W.M., Iqbal, M. // Separation and Purification Technology. — 2005. — № 45. — С. 25-31.

13. Mazloomi, S., Zabihi, M., & Kaghazchi, T. Modification of almond shell as a low-cost adsorbent for removal of nitrate from water [Модификация скорлупы миндаля в качестве низко-стоимостного адсорбента для удаления нитратов из воды] / Mazloomi, S., Zabihi, M., & Kaghazchi, T. // Desalination. — 2012. — № 285. — С. 331-338.

14. Shah, M. P., & Patel, K. C. Review on Heavy Metal Adsorption Using Cellulose-Based Adsorbents. Journal of Encapsulation and Adsorption Sciences, 5(2), р. 45-54. 2015.