CC BY
1
DESCRIPTION OF ADSORPTION EQUILIBRIUM IN THE ORGANOBENTONITE-
DYE SYSTEM Seitnazarova O.M. (Republic of Uzbekistan)
Seitnazarova Oksana Muratbaevna - PhD, Associate Professor, DEPARTMENT OF PHYSICAL AND COLLOID CHEMISTRY, KARAKALPAK STATE UNIVERSITY, NUKUS, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article examines adsorption equilibrium in the organobentonite-dye system. Particular focus is given to the comparison of adsorption properties of two distinct organobentonite samples: KRH, derived from Krantau bentonite and chitosan, and KRGD, formed from Krantau bentonite and hexadecyltrimethylammonium bromide. Results indicate that the KRH sample exhibits superior adsorption characteristics for the MG dye, whereas KRGD fares better in the adsorption of MO dye. Such differences might be attributed to the structural and chemical peculiarities of these samples. The findings of the article are pertinent for optimizing adsorption processes and selecting effective materials for purification from various contaminants.
Keywords: hexadecyltrimethylammonium bromide, chitosan, bentonite, adsorption, dye, methylene blue, methyl orange.
ОПИСАНИЕ АДСОРБЦИОННОГО РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ ОРГАНОБЕНТОНИТ-КРАСИТЕЛЬ Сейтназарова О.М. (Республика Узбекистан)
Сейтназарова Оксана Муратбаевна - PhD, доцент, кафедра физической и коллоидной химии, Каракалпакский государственный университет, г. Нукус, Республика Узбекистан
Аннотация: статья рассматривает адсорбционное равновесие в системе органобентонит-краситель. Основное внимание уделяется сравнению адсорбционных свойств двух различных образцов органобентонитов: КРХ, полученного на основе Крантауского бентонита и хитозана, и КРГД, сформированного на основе Крантауского бентонита и гексадецилтриметиламмоний бромида. Результаты показывают, что образец КРХ обладает лучшими адсорбционными характеристиками для красителя МГ, тогда как КРГД проявляет себя лучше при адсорбции красителя МО. Такие различия могут быть обусловлены структурными и химическими особенностями данных образцов. Выводы статьи актуальны для оптимизации процессов адсорбции и выбора эффективных материалов для очистки от различных загрязнителей.
Ключевые слова: гесадецилтриметиламмоний бромид, хитозан, бентонит, адсорбция, краситель, метиленовый голубой, метилоранж.
При модифицировании минералов группы смектита, обладающих расширяющиеся структурной ячейкой, с сравнительно большими органическими катионами наблюдается внедрение органических молекул практически во всю внутреннюю поверхность минералов. А адсорбция молекул среды, то есть воды в основном протекает во внешне доступной поверхности [1]. Вместе с тем результаты исследования показывают, что адсорбция полярных органических молекул протекает не только на внешней поверхности, но ещё и на внутренних поверхностях бентонита за счет органических катионов в обменном комплексе [2]. С научной точки зрения, замена неорганических обменных катионов на органические молекулы способствует явным изменениям физико-химических и адсорбционных свойств глинистых материалов. Возросший интерес к органопроизводным глинистых минералов можно объяснить с возможностью их использования в качестве селективных сорбентов.
Целью данных исследований являлось исследование органобентонитов на основе Крантауской глины [3], модифицированных гексадецилтриметиламмоний бромидом (КРГД) и хитозаном (КРХ), способ получение которых были подробно описаны в ранних работах [4].
В лабораторных экспериментах по определения адсорбционной емкости были приготовлены растворы метилоранжа (МО) и метиленового голубого (МГ) в воде с значениями концентрации от 1 до 200 мг/л и определялись оптические плотности этих растворов. В растворы объемом 50 мл были добавлены по 0,01 г адсорбентов в виде порошка. После установления адсорбционного равновесия (от 6 до 24 часов для отдельных образцов) были измерены оптические плотности растворов и используя данные калибровочного графика устанавливались их концентрации в мг/л.
Полученные при 20°С и рН=7, изотермы адсорбции МГ и МО приводятся на рис. 1 и 2. С использованием равновесных изотерм адсорбции рассчитывались значения константы равновесия адсорбции и адсорбционной емкости.
Рис. 1. Изотермы адсорбции МГ на образцах 1) КР; 2) КРГД; 3) КРХ.
Из рис. 1 видно, что при невысоких показателях равновесной концентрации количество адсорбции МГ на КРГД резко увеличивается, достигая адсорбционной емкости МГ свыше 100 мг/г, что равняется 86% от максимальных показателей в растворе. Дополнительное повышение концентрации МГ практически не влияет на уровень адсорбции. По форме начального отрезка кривой изотермы можно отнести её к изотермам типа Н, характеризующимся сильным уровнем адсорбции при низких показателях адсорбата, что связано с высокой аффинностью органобентонита к МГ. Для образца КРХ получены результаты, схожие по уровню сорбции, однако форма его изотермы отличается, указывая на различную природу взаимодействия адсорбентов с катионным красителем.
Рис. 2. Изотермы адсорбции МО на образцах 1. КР; 2. КРГД; 3. КРХ.
У природного минерала маленький объем микропор, и катионообменные центры главным образом представлены катионами и Са2+, которые в основном располагаются между слоями и в меньшей мере на внешних поверхностях. По этой причине адсорбция катионного красителя МГ на образце КР происходит на внешней стороне кристаллов монтмориллонита и в мезопорах между матрицами. Вследствие этого природный бентонит не проявляет высокой адсорбционной активности. Эффективность адсорбции МГ на сорбентах располагается по следующему ряду: КРГД > КРХ > КР.
Несмотря на обширную удельную поверхность и большие показатели межслоевого промежутка, образец КРХ обладает менее высокой адсорбционной емкостью по сравнению с КРГД. Возможно, это связано с тем, что молекулы МГ имеют затрудненный доступ в микропоры сорбента из-за структурных особенностей материала. Таким образом, только небольшая доля микропор КРХ доступна для адсорбции
его частиц.Увеличение количества адсорбции МГ у образца КРГД связано, прежде всего, с количеством доступных катионактивных центров, а также гидрофобизацией поверхности монтмориллонита, что также положительно отразится на процессах адсорбции не только катионного красителя, но и других органических веществ.
Модифицирование бентонита КР привело к значительному увеличению его анионнообменной способности. Природный образец КР обладает низкой адсорбционной емкостью по отношению к МО, что обусловлено незначительным количеством его анионообменных центров А1-ОН и Fe-OH. Наибольшая величина анионообменной адсорбции наблюдается для сорбента КРХ, обладающего наибольшей удельной поверхностью и большим размером первичных щелевидных микропор.
По всей видимости, когда концентрация МО в растворе возрастает, это снижает отдельность молекул и способствует формированию их кластеров. Адсорбция единичных анионов МО осуществляется на активных участках и в микропорах адсорбента КРГД. Повышение уровня МО ведёт к дополнительной адсорбции на уже существующем адсорбционном слое, что подтверждается формой изотермы адсорбции КРГД. Исследование кривых выявило, что адсорбционная способность КРГД и КРХ к анионам в 6,47 и 6,7 раза превышает таковую у природной глины.
Для характеристики адсорбционных процессов МГ на созданных органобентонитах применялась модель Ленгмюра. Она позволяет анализировать равновесные свойства адсорбционных систем. Известно, что уравнение Ленгмюра подходит, когда адсорбция является мономолекулярной и поверхность адсорбента однородна и обладает одинаковым потенциалом.
Было определено, что уравнение Ленгмюра хорошо соответствует механизму адсорбции МГ на образцах КРГД и КРХ при невысоких показателях равновесной концентрации, как это подтверждается высокими значениями коэффициента R2. Однако при увеличении равновесной концентрации до 50 мг/л и выше наблюдаются отклонения от Ленгмюровой модели (см. рис. 3).
Рис. 3. Изотермы адсорбции МГ на: 1) КРГД; 2) КРХ в координатах линейного уравнения Ленгмюра.
Рис. 4. Изотермы адсорбции МО на: 1) КРГД; 2)КРХ в координатах линейного уравнения Ленгмюра.
С использованием данных из диаграммы (тангенс угла наклона прямой и величина отрезка, отсекаемого на оси ординат) соответствующих 1/Лх и 1/Лх*К вычислялись значения К и Ат. В табл. 1 приведены параметры изотермы Ленгмюра для данных адсорбентов.
Таблица 1. Параметры уравнения Ленгмюра.
Образец Параметры
Am, ммоль/г | 8уд, м2/г | К
по адсорбции МГ
КРГД 0,3322 210,3 1,09
КРХ 0,343 216 1,22
по адсорбции МО
КРГД 1,5625 487 1,02
КРХ 1,4880 690 0,98
Как можно увидеть из данных табл. 1 образец КРХ демонстрирует незначительно более высокое максимальное значение адсорбции (А„) для МГ по сравнению с образцом КРГД (0,343 ммоль/г против 0,3322 ммоль/г соответственно). Площадь удельной поверхности ^уд) для образца КРХ также немного выше, чем для КРГД (216 м2/г против 210,3 м2/г). Константа рассматриваемого процесса (К) для образца КРХ также чуть больше, чем для КРГД (1,22 против 1,09), что указывает на то, что адсорбционная способность КРХ к МГ может быть выше, чем у КРГД.
По адсорбции МО максимальное значение адсорбции (А„) для образца КРГД выше, чем для КРХ (1,5625 ммоль/г против 1,4880 ммоль/г). Площадь удельной поверхности ^уд) для образца КРХ значительно выше, чем для КРГД (690 м2/г против 487 м2/г). Это указывает на то, что, несмотря на меньшее значение А„, у образца КРХ может быть более развитая пористая структура или больше активных мест для адсорбции. Константы рассматриваемого процесса (К) для обоих образцов находятся примерно на одном уровне (1,02 для КРГД и 0,98 для КРХ).
Таким образом, оба образца КРХ и КРГД демонстрируют эффективность в адсорбции как МГ, так и МО. Однако, их способность к адсорбции различается в зависимости от вида адсорбируемого вещества.
КРХ, полученный на основе Крантауского бентонита и хитозана, может иметь преимущества в адсорбции МГ благодаря его лучшим значениям А„, 8уД и К.
Несмотря на высокую площадь удельной поверхности у КРХ, образец КРГД показывает лучшие результаты при адсорбции МО, что может быть связано с химической структурой или морфологией поверхности.
Список литературы /References
1. Dongsheng L., Jizu Y., & Yongfu Y. (2006). Synthesis and characteristics of organic bentonite gel. *J. Wuhan Univ. Technol.-Mat. Sci. Edit.*, 21, 92-94.
2. Carmody O., Frost R., Xi Y., & Kokot S. (2007). Adsorption of hydrocarbons on organo-clays - Implications for oilspill remediation. *Journal of Colloid and Interface Science*, 305, 17-24. http://dx.doi.org/10.1016/jjcis.2006.09.032
3. Seytnazarova O.M., Mamataliev N.N., Abdikamalova A.B., & Ikhtiyarova G.A. (2020). Adsorption activity of organobentonite based on Krantau clay. *International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology*, 7(12), 16164-16167.
4. Seytnazarova O.M., Kalbaev А.М., Mamataliev N.N., Abdikamalova А.B., & Eshmetov I.D. (2020). Organobentonites synthesis and their sorption characteristics research. *Palarch's Journal Of Archaeology Of Egypt/Egyptology*, 17(6), 14266-14279.
