CC BY
1
ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ / TECHNOLOGY OF INORGANIC SUBSTANCES
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО SIO2 ДЛЯ ОЧИСТКИ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ, СОДЕРЖАЩИХ ТЯЖЕЛЫЕ
МЕТАЛЛЫ
Научная статья
Федорова С.А.1' *
1 ORCID : 0000-0002-0703-8349;
1 Севастопольский государственный университет, Севастополь, Российская Федерация
* Корреспондирующий автор (sveta-fedorova-62[at]yandex.ru)
Аннотация
Достаточно надежным способом очистки сточных вод от тяжелых металлов является использование комбинации различных методов очистки. Чаще всего в основе лежат сорбционные методы. Среди сорбентов перспективным является использование наноструктурированных соединений. В нашей работе приведены результаты исследования сорбции Pb2+ наноструктурированным SiO2 в присутствии Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+. Используя метод полного факторного эксперимента была получена количественная характеристика влияния присутствия катионов Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ на определение Pb2+. Эксперимент проводили в статических условиях (8, 16, 24 суток). Изменение концентрации Pb2+ определяли колориметрически плюмбоновым методом при Л = 540 нм. В ходе экспериментального исследования с использованием ПФЭ были получены количественные характеристики влияния Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ на определение Pb2+. Отмечено, что использование нанопорошка SiO2 позволяет очистить модельные растворы на 75% в статических условиях. Влияние Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ на сорбцию Pb2+ наноструктурированным SiO2 существенного влияния не оказывает.
Ключевые слова: наноструктурированный SIO2, сорбции Pb2+, полный факторный эксперимент.
USE OF NANOSTRUCTURED SIO2 FOR PURIFICATION OF MODEL SOLUTIONS CONTAINING HEAVY
METALS
Research article
Fedorova S.A.1' *
1 ORCID : 0000-0002-0703-8349;
1 Sevastopol State University, Sevastopol, Russian Federation
* Corresponding author (sveta-fedorova-62[at]yandex.ru)
Abstract
A sufficiently reliable way to treat wastewater from heavy metals is to use a combination of different treatment methods. Most often sorption methods are the basis. Among sorbents, the use of nanostructured compounds is promising. Our work presents the results of the study of Pb2+ sorption by nanostructured SiO2 in the presence of Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+' Using the method of full factorial experiment, a quantitative characterization of the effect of the presence of Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ cations on the determination of Pb2+ was obtained. The experiment was conducted under static conditions (8, 16, 24 days). The change in Pb2+ concentration was determined colourimetrically by the plumbon method at Л = 540 nm. During the experimental study using PFE, quantitative characterization of the effect of Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ on the determination of Pb2+ was obtained. It was observed that the use of SiO2 nanopowder allows the purification of model solutions by 75% under static conditions. The influence of Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ on the sorption of Pb2+ by nanostructured SiO2 has no significant effect.
Keywords: nanostructured SiO2, Pb2+ sorptions, full factorial experiment.
Введение
Побочным эффектом наращивания мощностей производств является увеличение сточных вод промышленных предприятий. При этом ПДК по тяжелым металлам достаточно жесткие. Для очистки сточных вод применяются различные технологические схемы и оборудование. Наиболее эффективным способом очистки сточных вод от тяжелых металлов является комбинация различных методов очистки. Лидирующее место, на сегодняшний день, занимают сорбционные методы. Специалисты [1] считают, что для решения проблемы загрязнения окружающей среды целесообразно использовать нанопористые углеродные материалы. По данным отчета ИКТ «рынок нанотехнологий» [2], к 2032 году по сравнению с 2022 годом объем мирового рынка нанотехнологий увеличится в 3,8 раза (рисунок 1).
»тя «w ЮИД итш и л ИШ1 ДЕД «пи «им
Source: www.precedenceresearch.com
Рисунок 1 - Тенденции роста мирового объема нанотехнологий DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.1
Примечание: источник [2]
Наноматериалы представляют собой структуры протяженностью менее 100 нм (нанометр, 10_э м) в одном направлении. На этом уровне материалы обладают уникальными, обусловленными размерами, свойствами: химическими, адсорбционными, каталитическими, магнитными, механическими, оптическими, биологическими [3], [4]. Этим объясняется их широкое использование в различных направлениях человеческой деятельности, в том числе в области очистки и обеззараживания воды и сточных вод [3]. Среди наноструктурированных оксидов широкое применение нашел диоксид кремния, как один из наиболее дешевых в производстве порошков ультрадисперсного порядка [5], [6], [7], [8]. +
Одним из компонентов состава сточных водя является Pb2+. Предварительные исследования [9], [10] показали целесообразность проведения дальнейших исследований по определению эффективности сорбции Pb2+ наноструктурированным SiO2 в присутствии типичных компонентов Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+, характерных для сточных вод промышленных предприятий.
Методы и принципы исследования
Объектом исследования являются модельные растворы, содержащие Pb2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.
Предметом исследования - использование нанопорошков SiO2 для очистки модельных растворов от ионов Pb2+.
Целью исследования является определение степени очистки модельных сред от Pb2+ на нанопорошке SiO2 в присутствии иных солей тяжелых металлов: Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.
Задачи исследования:
1. Проанализировать возможности использование нанопорошка SiO2 для очистки сточных вод от тяжелых металлов.
2. Провести экспериментальные исследования использования нанопорошка SiO2 на степень очистки модельных сред от ионов Pb2+ в присутствии катионов Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.
В ходе исследования использовали метод полного факторного эксперимента для подготовки анализируемых проб.
Определение ионов Pb2+ проводили фотоколориметрически плюмбоновым методов на КФК-3.
Основные результаты
Используемые в работе нанопорошки были предварительно исследованы на электронном микроскопе Phenom World (рисунок 2).
Рисунок 2 - Нанопорошок диоксида кремния: слева - увеличение в 5100 раз, при общей длине фотокадра в 52,7 мкм; справа - увеличение в 8200 раз, при общей
длине фотокадра 32,8 мкм DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.2
Примечание: состав используемого нанопорошка диоксида кремния представлен в таблице 1 и на рисунке 3
Таблица 1 - Состав нанопорошка диоксида кремния DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57.3
Символ элемента Atomic Conc. Weight Conc. Oxide Symbol Stoich. wt Conc.
O 80,09 70,86
Si 17,91 27,81 SÍO2 97,81
C 2,00 1,33
Рисунок 3 - Поэлементный состав DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57.4
Примечание: отключенные элементы: В, I, La, Sb, Те
Было проведено экспериментальное исследование по использованию нанопорошка SiO2 на степень очистки модельных сред, содержащих РЬ2+, №2+, Си2+, Cd2+, Zn2+.
Для экспериментального определения способности нанопорошков очищать модельные растворы будет проведен полный факторный эксперимент. Готовили 3 серии растворов. В каждой серии было 16 проб с порошком SiO2. Сами
пробы компановались из РЬ2+, Cd2+, Ni2+, Си2+, Zn2+. Также будет сделаны контрольные растворы с РЬ2+ и наропорошком SiO2. Концентрация РЬ2+ во всех пробах была постоянной. Исследования проводили в статических условиях. Время экспозиции первой серии проб с нанопорошками 8 дней, второй - 16 дней, третьей - 24 дня
По истечении указанного времени пробы центрифугировали, декантировали, затем отбирали пипеткой Мора аликвоту в 10 мл, которую переносили в мерную колбу на 25 мл. В которой определяли РЬ2+ плюмбоновым методом на КФК-3.
Для проведения эксперимента моделировали состав проб, используя полный факторный эксперимент. В роли выходной величины Y будет выступать значение оптической плотности А. Рабочая матрица для четырехфакторного эксперимента представлена в таблице 2.
Таблица 2 - Рабочая матрица ПФЭ для четырех элементов DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.5
Значение
№ опыта РЬ2+, мг/л Cd2+, мг/л №2+, мг/л Си2+, мг/л Zn2+, мг/л выходной величины Y
1 1 1 1 1 1 ^
2 1 1 1 1 -1 Y2
3 1 1 1 -1 1 Yз
4 1 1 1 -1 -1 Y4
5 1 1 -1 1 1 Y5
6 1 1 -1 1 -1 Y6
7 1 1 -1 -1 1 Y7
8 1 1 -1 -1 -1 Y8
9 1 -1 1 1 1 Y9
10 1 -1 1 1 -1 Yl0
11 1 -1 1 -1 1
12 1 -1 1 -1 -1 Yl2
13 1 -1 -1 1 1 Ylз
14 1 -1 -1 1 -1 Yl4
15 1 -1 -1 -1 1 Yl5
16 1 -1 -1 -1 -1 Yl6
Концентрация РЬ2+ во всех пробах была постоянной и составляла 1 мг/л. Минимальная концентрация для других катионов была 0,7 мг/л, а максимальная - 1,4 мг/л. Концентрация нанопорошка во всех пробах составляла 3%.
Значения измерения оптической плотности модельных растворов последней серии опытов (24 дня) представлены в таблице 3. Значения оптической плотности определяли на длине волны 540 нм. На основании результатов полного факторного эксперимента составим таблицу результатов.
Таблица 3 - Значения оптической плотности модельных растворов на 24-ый день эксперимента DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.6
24 дня SiO2 540 пт 540 пт 540 пт
Опыт А1 А2 А3 Аср
1 0,357 0,358 0,357 0,357
2 0,216 0,215 0,216 0,216
3 0,239 0,240 0,239 0,239
4 0,141 0,142 0,141 0,141
5 0,564 0,566 0,565 0,565
6 0,201 0,202 0,201 0,201
7 0,298 0,299 0,299 0,299
8 0,237 0,237 0,239 0,238
9 0,309 0,309 0,310 0,309
10 0,177 0,179 0,175 0,177
11 0,208 0,209 0,207 0,208
12 0,120 0,121 0,122 0,121
13 0,470 0,469 0,470 0,470
14 0,273 0,271 0,272 0,272
15 0,358 0,359 0,358 0,358
16 0,209 0,208 0,209 0,209
Надежность полученных результатов подтверждается оценкой дис-персию среднего значения, представленной в таблице 4.
Таблица 4 - Вычисление дисперсий среднего для значений оптической плотности серии экспериментов (24 дня)
DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.7
Si Sx % Д
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,128
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,213
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,192
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,325
1,000Е-06 1,000Е-03 2,500Е-04 7,950Е-04 0,141
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,228
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,154
1,333Е-06 1,155Е-03 2,887Е-04 9,180Е-04 0,386
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,148
4,000Е-06 2,000Е-03 5,000Е-04 1,590Е-03 0,898
1,000Е-06 1,000Е-03 2,500Е-04 7,950Е-04 0,382
1,000Е-06 1,000Е-03 2,500Е-04 7,950Е-04 0,657
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,098
1,000Е-06 1,000Е-03 2,500Е-04 7,950Е-04 0,292
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,128
3,333Е-07 5,774Е-04 1,443Е-04 4,590Е-04 0,220
Используя метод полного факторного эксперимента была получена количественная характеристика влияния присутствия катионов Cd2+, №2+, Си2+, Zn2+ на определение РЬ2+ (уравнение 1). Все коэффициенты были значимыми.
У = 0,2738 + 0,0083X1 - 0,0526X2 + 0,0471X3 + 0,0769X4 (1)
Сравнение расчетных и экспериментальных значений представлены в таблице 5 и на рисунке 4.
Таблица 5 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений определения РЬ2+ в присутствии катионов Cd2+, №2+,
Си2+, Zn2+ плюмбоновым методом
DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.8
Опыт Аср Y
1 0,357 0,353
2 0,216 0,200
3 0,239 0,259
4 0,141 0,105
5 0,565 0,459
6 0,201 0,305
7 0,299 0,364
8 0,238 0,211
9 0,309 0,337
10 0,177 0,183
11 0,208 0,243
12 0,121 0,089
13 0,470 0,442
14 0,272 0,288
15 0,358 0,348
16 0,209 0,194
Рисунок 4 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений определения РЬ2+ в присутствии катионов Cd2+, №2+,
Си2+, Zn2+ плюмбоновым методом DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2024.142.57.9
Анализ других серий проводился аналогично. Сопоставление итоговых результатов представлено на рисунке 5. Отмечается аналогичный характер изменения содержания РЬ2+ для различного состава проб во временном интервале.
Рисунок 5 - Сравнение 8, 16 и 24 дневных экспериментальных кривых проб модельных растворов с нанопорошком
SiO2 и проб чистого РЬ2+ с SiO2 при Л = 540 нм DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57.10
Использован нормированный график с накоплениями для:
- отображения относительного вклада в общее значение со временем;
- отображения изменения вклада каждого значения со временем.
Как мы видим из графика (см рисунок 5) относительный вклад у значений на экспериментальных кривых со временем растет и составляет около 20% при 8 днях, около 40% при 16 и около 50% при 24 днях. В то же самое время мы видим, как некоторые пробы, а именно 3, 4, 11 показывают сильный провал, что можно объяснить повышенным содержанием никеля во всех трех пробах, а также кадмия - в 3, 4; цинка - в 3, 11 пробах. Одновременно мы наблюдаем вклад выше среднего у проб 5, 7, что можно объяснить сниженным содержанием никеля в них
Из данных эксперимента следует, что раствор содержащий только РЬ2+ показал снижение содержания свинца на 75%.
Заключение
В ходе экспериментального исследования с использованием ПФЭ были получены количественные характеристики влияния №2+, Си2+, Cd2+, Zn2+ на определение РЬ2+. Отмечено, что использование нанопорошка SiO2 позволяет очистить модельные растворы на 75 % в статических условиях. Влияние Cd2+, №2+, Си2+, Zn2+ на сорбцию РЬ2+ наноструктурированным SiO2 существенного влияния не оказывает.
Конфликт интересов
Не указан.
Рецензия
Сообщество рецензентов Международного научно-
исследовательского журнала
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57.11
Conflict of Interest
None declared.
Review
International Research Journal Reviewers Community DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57.11
Список литературы / References
1. Нанопористые углеродные материалы спасут наши водоемы // Naked Science. — URL: https://naked-science.ru/article/column/nanoporistye-uglerodnye-materialy (дата обращения: 14.03.2024.)
2. Nanotechnology Market // Precedence Research. — URL: https://www.precedenceresearch.com/nanotechnology-market (accessed: 03.11.2024)
3. Нанотехнологии в процессах очистки сточных вод // Argel. — URL: https://www.vo-da.ru/articles/nanotehnologii-ochistki-vody (дата обращения: 14.03.2024)
4. Косян Д.Б. Биологические эффекты наночастиц диоксида кремния / Д.Б. Косян, А.М. Макаева, Е.А. Русакова // Журнал Современные проблемы науки и образования. — 2018. — № 6. — URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=28276#w0-tab0 (дата обращения: 15.03.2024.)
5. Немущенко Д.А. Исследование распределения наночастиц диоксида кремния в воде затворения / Д.А. Немущенко, В.В, Ларичкин, А.П. Онипченко и др. // Вестник МГСУ. — 2020. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-raspredeleniya-nanochastits-dioksida-kremniya-v-vode-zatvoreniya (дата обращения: 11.03.2024)
6. Флоренс-Вивиан И. Влияние SiO2- наночастиц на свойства цементных материалов / И. Флоренс-Вивиан, Р. Прадото, М. Моини и др. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. — 2018. — № 11. — URL: https://clck.ru/3A8WwS (дата обращения: 11.03.2024)
7. Mahmoud M. E. Adsorption of U(VI) ions from aqueous solution using silica nanopowder / M.E. Mahmoud, A.A. Yakout, H. Abdel-Aa et al. // Journal of Saudi Chemical Society. — URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1319610316300175 (accessed: 15.03.2024)
8. Mohseni Tabar M. Using silicon dioxide (SiO2) nano-powder as reinforcement for walnut shell flour/HDPE composite materials / M. Mohseni Tabar, T. Tabarsa, M.Mashkour et al. // J Indian Acad Wood Sci. — 2015. — 12. — P. 15-21. — DOI: 10.1007/s13196-015-0139-1
9. Shamsutdinov A.Sh. Manufacturing, Properties, and Application of Nanosized Superhydrophobic Spherical Silicon Dioxide Particles as a Functional Additive to Fire Extinguishing Powders / A.Sh. Shamsutdinov, N.B. Kondrashova, I. V. Valtsifer et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. — 2021. — 60 (32). — P.11905-11914. — DOI: 10.1021/acs.iecr.1c01999
10. Potapov V. Hydrothermal SiO2 Nanopowders: Obtaining Them and Their Characteristics / V. Potapov, R. Fedyuk, D. Gorev // Nanomaterials. — 2020. — 10. — P. 624. — DOI: 10.3390/nano10040624
11. Федорова С.А. Влияние нанопорошка SiO2 на очистку модельных сред (Pb2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+) / С.А. Федорова, А.Б. Купов // Инновационные подходы в современной науке. сб. ст. по материалам CXVIII междунар. науч.-практ. конф. — 2022. — № 10 (118). — С.95-98.
12. Федорова С.А. Регрессионная модель очистки модельных сред, содержащих Pb2+, наночастицами WO3 / С.А. Федорова, А.А. Ярошенко, В.М. Гавриш и др. // Инновационные подходы в современной науке. сб. ст. по материалам CXVIII междунар. науч.-практ. конф. 2022. № 10 (118). С.90-94.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Nanoporistye uglerodnye materialy spasut nashi vodoemy [Nanoporous carbon materials will save our water bodies] // Naked Science. — URL: https://naked-science.ru/article/column/nanoporistye-uglerodnye-materialy (accessed: 03.14.2024) [in Russian]
2. Nanotechnology Market // Precedence Research. — URL: https://www.precedenceresearch.com/nanotechnology-market (accessed: 03.11.2024)
Mewdynapodnhiu MayuMO-uccjedoBamejbCKUu wypnm ■ № 4 (142) • Anpejb
3. Nanotekhnologii v processah ochistki stochnyh vod [Nanotechnology in wastewater treatment processes] // Argel. — URL: https://www.vo-da.ru/articles/nanotehnologii-ochistki-vody (accessed: 14.03.2024) [in Russian]
4. Kosyan D.B. Biologicheskie effekty nanochastic dioksida kremniya [Biological effects of silicon dioxide nanoparticles] / D.B. Kosyan, A.M. Makaeva, E.A. Rusakova // ZHurnal Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Journal of Modern Problems of Science and Education]. — 2018. — No. 6. — URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=28276#w0-tab0 (accessed: 03.15.2024.) [in Russian]
5. Nemushchenko D.A. Issledovanie raspredeleniya nanochastic dioksida kremniya v vode zatvoreniya [Study of the distribution of silicon dioxide nanoparticles in mixing water] / D.A. Nemushchenko, V.V, Larichkin, A.P. Onipchenko et al. // Vestnik MGSU [Bulletin of MSSU]. — 2020. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-raspredeleniya-nanochastits-dioksida-kremniya-v-vode-zatvoreniya (accessed: 11.03.2024) [in Russian]
6. Florence-Vivian I. Vliyanie SiO2- nanochastic na svojstva cementnyh materialov [The influence of SiO2 nanoparticles on the properties of cement materials] / I. Florence-Vivian, R. Pradoto, M. Moini et al. // Vestnik BSTU im. V.G. Shukhova [Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov]. — 2018. — No. 11. — URL: https://clck.ru/3A8WwS (accessed: 11.03.2024) [in Russian]
7. Mahmoud M. E. Adsorption of U(VI) ions from aqueous solution using silica nanopowder / M.E. Mahmoud, A.A. Yakout, H. Abdel-Aa et al. // Journal of Saudi Chemical Society. — URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1319610316300175 (accessed: 15.03.2024)
8. Mohseni Tabar M. Using silicon dioxide (SiO2) nano-powder as reinforcement for walnut shell flour/HDPE composite materials / M. Mohseni Tabar, T. Tabarsa, M.Mashkour et al. // J Indian Acad Wood Sci. — 2015. — 12. — P. 15-21. — DOI: 10.1007/s13196-015-0139-1
9. Shamsutdinov A.Sh. Manufacturing, Properties, and Application of Nanosized Superhydrophobic Spherical Silicon Dioxide Particles as a Functional Additive to Fire Extinguishing Powders / A.Sh. Shamsutdinov, N.B. Kondrashova, I. V. Valtsifer et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. — 2021. — 60 (32). — P.11905-11914. — DOI: 10.1021/acs.iecr.1c01999
10. Potapov V. Hydrothermal SiO2 Nanopowders: Obtaining Them and Their Characteristics / V. Potapov, R. Fedyuk, D. Gorev // Nanomaterials. — 2020. — 10. — P. 624. — DOI: 10.3390/nano10040624
11. Fedorova S.A. Vliyanie nanoporoshka SiO2 na ochistku model'nyh sred (Pb2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+) [The influence of SiO2 nanopowder on the purification of model media (Pb2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+)] / S.A. Fedorova, A.B. Kupov // Innovacionnye podhody v sovremennoj nauke. sb. st. po materialam CXVIII mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Innovative approaches in modern science. Coll. of art. based on materials from the XVIII International. scientific-practical conf]. — 2022. — No. 10 (118). — P.95-98. [in Russian]
12. Fedorova S.A. Regressionnaya model' ochistki model'nyh sred, soderzhashchih Pb2+, nanochasticami WO3 [Regression model for purification of model media containing Pb2+ with WO3 nanoparticles] / S.A. Fedorova, A.A. YAroshenko, V.M. Gavrish et al. // Innovacionnye podhody v sovremennoj nauke. sb. st. po materialam CXVIII mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Innovative approaches in modern science. Coll. of art. based on materials from the XVIII International. scientific-practical conf]. — 2022. — No. 10 (118). — P. 90-94. [in Russian]
