CC BY
11
УДК 544.72: 546.48
Л.В. Мосталыгина, Е.Г. Худякова,
К.П. Двухватская, Л.А. Кискина, С.Н. Елизарова,
А.В. Костин
Курганский государственный университет
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ КАДМИЯ ПИЩЕВЫМИ ВОЛОКНАМИ МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР ЗАУРАЛЬЯ
Аннотация. Изучен процесс сорбции ионов кадмия пищевыми волокнами, выделенными из масличных культур Зауралья. Показано, что скорость сорбции максимальна в первые 5 минут. Получена изотерма сорбции. Проведено математическое описание процесса сорбции с использованием уравнения Ленгмюра.
Ключевые слова: пищевое волокно, ионы свинца, сорбция, загрязнение окружающей среды.
L.V. Mostalygina, E.G. Khudyakova,
K.P. Dvukhvatskaya, L.A. Kiskina, S.N. Elizarova,
A.V. Kostin
Kurgan State University
STUDYING SORPTION OF CADMIUM IONS BY DIETARY FIBRES OF ZAURALYE REGION OIL CROPS
Abstract. The research has been carried out about the process of sorption of cadmium ions by dietary fibers separated from Zauralye region oil crops. It is shown that the speed of sorption is maximal during the first 5 minutes. The sorption isotherm is drawn up. Mathematical formulation of the sorption process with application of Lengmuir equation is carried out.
Index terms: dietary fiber, lead ions, sorption, environmental pollution.
ВВЕДЕНИЕ
Среди тяжелых металлов, все более загрязняющих окружающую среду, наибольшей токсичностью обладает кадмий. Происходит интенсивное накопление этого иона в различных природных объектах. Источники поступления ионов кадмия в окружающую среду - неочищенные стоки предприятий цветной металлургии, ТЭЦ на угле и нефти, предприятия по производству пластмасс (содержание кадмия может достигать 0,2-4 мг/л), использование фосфатных удобрений; естественные пути поступления - вулканические извержения (вулканические породы содержат до 0,2 мг/кг кадмия), выщелачивание почв. В дождевой воде концентрация кадмия может превышать 50 мкг/л. В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах
кадмий содержится в малых концентрациях, в загрязненных и сточных водах концентрация может достигать десятков микрограммов в 1 дм3 [1].
Через почву и растения большая часть ионов кадмия поступает в организм человека и животных. Высокие концентрации ионов кадмия в организме человека приводят к нарушению функций печени и почек, а также к деформации скелета.
По химическим свойствам кадмий подобен цинку. Он может замещать его в активных центрах металлсодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению в функционировании ферментативных процессов [2]. Основным механизмом токсического действия кадмия считается блокирование сульфгидрильных групп ферментов, которые обеспечивают равновесие оксидант-ных и прооксидантных процессов в биологических мембранах. Кадмий также образует комплексы с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Он взаимодействует с компонентами клетки, молекулами клеточных органел и мембран, проникая в клетку через потенциал зависимые кальциевые канальца. Так, металл оказывает заметное влияние на обмен нуклеиновых кислот и белка. Он ингибирует включение тимидина в ДНК регенерирующей печени, угнетает синтез белка в печени. Соединения кадмия отрицательно действуют на нервную систему, поражают дыхательные пути и вызывают изменения внутренних органов [3].
Поиск эффективных методов уменьшения подвижности ионов кадмия в природных объектах окружающей среды является актуальной задачей. Целесообразность использования природных сорбентов очевидна. Они являются экологически чистыми, и их воздействие безвредно для окружающей среды, человека и животных. Наше внимание привлекли пищевые волокна районированных масличных культур Зауралья. Актуальным в настоящее время является создание композитов на основе двух и более материалов, что позволит плавно менять сорбционные свойства такого материала и воздействовать на ионы металла в «нужном» количестве. Поэтому наши исследования являются первой ступенью на пути создания таких материалов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для выполнения эксперимента использованы следующие средства измерений, оборудование, материалы и реактивы:
1 рН-метр-иономер Эксперт-001.
2 Индикаторный электрод-кадмийселективный электрод ХС^-001.
3 Электрод сравнения — хлорсеребряный в КС! насыщенном.
4 Весы лабораторные аналитические марки GR-200 Эй энд Ди(Япония).
5 Встряхиватель марки АВУ-6с.
6 Шкаф сушильный электрический круглый с терморегулятором, обеспечивающим температуру нагрева 105-110°С.
7 Колбы мерные, вместимостью 50, 200, 500, 1000 мл
8 Колбы конические, вместимостью 100 мл.
9 Пипетки мерные, вместимостью 5,0; 10,0; 25,0 мл.
10 Стаканы химические, вместимостью 50, 100, 400, 500 мл.
11 Пробки резиновые.
12 Воронка стеклянная.
13 Бюкс стеклянный.
14 Ступка фарфоровая.
15 Бумага фильтровальная.
16 Чашки выпаривательные фарфоровые, вместимостью 200 мл.
17 Вода дистиллированная.
18 Кадмий азотнокислый четырехводный.
19 Калий хлорид.
Для анализа использованы пищевые волокна (ПВ), которые выделяли из жмыха масличных культур. К навеске жмыха массой 3,0000 добавляли в стакан вместимостью 500 мл стократный избыток дистиллированной воды (300 мл) и кипятили в течение одного часа. Операцию повторяли трижды. Далее отстаивали раствор и отделяли волокно методом декантации. ПВ сушили в течение трех часов при температуре 100°С в сушильном шкафу. Таким образом удаляли свободный крахмал, оксид серы (IV), водорастворимые фракции [4].
Основной стандартный раствор азотнокислого кадмия с молярной концентрацией 1 моль/л готовили растворением 30,8400 г Cd(NO3)2 в 100 мл дистиллированной воды. Растворы с меньшей концентрацией получали путем последовательного разбавления основного стандартного раствора. Для изучения влияния времени контакта сорбционного материала на сорбцию ионов кадмия ПВ навеску сорбента массой 0,5000 г помещали в 50,0 мл исследуемого модельного раствора. Исходная концентрация ионов кадмия в растворе для каждого сорбента составляла 5,0 ммоль/л. Определение равновесной концентрации ионов кадмия в растворе проводили через 5, 15, 30, 45, 60, 90, 180 минут после встряхивания раствора на механическом встряхивателе.
Сорбционную способность пищевых волокон определяли в диапазоне концентраций ионов кадмия от 0,5 до 10,0 ммоль/л ( 0,5; 0,7; 1,0; 2,0; 5,0; 7,0; 10,0 ммоль/л). В конические колбы вместимостью 100 мл помещали 50 мл раствора азотнокислого кадмия соответствующей концентрации, 0,5000 г ПВ и оставляли для достижения равновесия на 24 часа. Определяли равновесную концентрацию ионов кадмия в растворе.
Сорбцию А, ммоль/г рассчитывали по формуле:
С0 -
исходная концентрация ионов
где
Cd2+ (ммоль/л);
С - концентрация ионов Cd2+ после сорбции (равновесная концентрация) (ммоль/л); V - объем раствора Cd(NO3)2 (л); т - масса сорбента (г).
Концентрацию ионов кадмия во всех случаях определяли ионометрически. Подготовку ионоселектив-ного электрода к работе проводили в соответствии с
паспортными данными. Для построения калибровочного графика использовали стандартные растворы нитрата кадмия с концентрацией 110-7- 1 10-1моль/л. Исходный раствор готовили по навеске азотнокислого кадмия, взвешенной на аналитических весах. Остальные растворы готовили последовательным разбавлением.
Ионоселективный электрод подключали к высоко-омному (индикаторному) входу иономера или цифрового вольтметра, а электрод сравнения — к входу «вспомогательный». Электрод сравнения использовали с электролитическим ключом с малым истечением, заполненным насыщенным раствором хлорида калия.
Проводили подготовку ионоселективного электрода к работе, затем выполняли калибровочное измерение в приготовленных стандартных растворах, последовательно меняя концентрацию раствора от меньшей к большей. Измерение потенциала при калибровке и последующем определении концентрации кадмия в анализируемом растворе проводили в стандартных условиях. По окончании измерений электрод промывали дистиллированной водой до потенциала ниже соответствующего потенциала в самом разбавленном растворе на 5-10 мВ.
По полученным данным строили график зависимости потенциала электрода от отрицательного логарифма концентрации ионов кадмия в стандартом растворе (рисунок 1).
рС
Рисунок 1 — Калибровочный график
Результаты исследования и их обсуждение
Изучено влияние времени контакта на сорбцию ионов кадмия на ПВ в интервале от 5 до 180 минут. Построена зависимость АЛ (рисунок 2).
Рисунок 2 - Зависимость сорбции ионов свинца на пищевых волокнах от времени контакта с сорбентом
В первые 5 минут скорость сорбции составила 6,7010-4 мольг/мин. Далее процесс замедляется и че-
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 5
81
рез три часа равновесие устанавливается.
Исследования показали, что при максимальной концентрации 10 ммоль/л сорбция ионов кадмия на пищевом волокне составляет 0,4 ммоль/г.
С _ 1
А " Ам ■ К .„ где А,, - предельная сорбция (ммоль/г);
1
на рисунке 4, значения констант Лш и К могут быть найдены следующим образом:
Л = ^а 1
К =
ммоль/л
Рисунок 3 - Изотерма сорбции ионов кадмия на пищевых волокнах масличных культур
В пищевых волокнах, полученных нами водным гидролизом, возможно, преобладают группы, создающие на поверхности ПВ отрицательный заряд, поэтому поверхность ПВ электростатически притягивает положительно заряженные катионы свинца. Кроме того, в составе функциональных групп, располагающихся на поверхности волокна, могут присутствовать катионы, способные к обмену с ионами металла, находящегося в растворе.
Проведено математическое описание процесса сорбции с использованием уравнения Ленгмюра. Графическое решение этого уравнения позволило рассчитать константы, характеризующие сорбент и растворенное вещество.
Уравнение Ленгмюра имеет вид:
Уравнение Ленгмюра в линейном виде:
К — константа сорбционного равновесия; С — концентрация (ммоль/л). Определены константы уравнения Ленгмюра для сорбции ионов кадмия на пищевом волокне (рисунок 4).
Рисунок 4 — Гоафическое описание процесса сорбции ионов кадмия на пищевом волокне
В соответствии с зависимостью, представленной
Ад) ■ 7,
где Z — отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.
Для пищевого волокна значения Аш и К равны, соответственно 0,52 ммоль/г и 5,70. Уравнение принимает вид:
Как видно из полученных данных, в изученном интервале температур сорбционная способность ПВ по отношению к ионам кадмия невелика. Можно предположить, что ионы кадмия электростатически притягиваются к отрицательно заряженным участка поверхности пищевого волокна. Кроме того, возможен обмен с положительно заряженными ионами функциональных групп (ионный обмен) на поверхности природного материала. Увеличить сорбционную активность ПВ можно добавлением других природных сорбентов (например, бентонитовой глины или цеолита). Создавая композиционные материалы с различным соотношением природных компонентов, можно варьировать сорбционную активность - увеличивать или уменьшать ее, добиваясь нужного конечного результата по связыванию ионов кадмия.
Список литературы
1 Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и
экологии человека. М.: Издат. дом «ОНИКС XXI век»: Мир, 2004. 216 ^
2 Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ,
1994. 237 с.
3 Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб.: Химиздат, 2001.
304^
4 Дудкин М.С.,Черно Н.К., Казанская И.С. и др. Пищевые
волокна. Киев: Урожай, 1988. 152 с.
УДК 544.72:57.044
Л.В. Мосталыгина, М.А. Баймышева, К.П. Двухватская, ЛА. Кискина, С.Н. Елизарова, А.В. Костин
Курганский государственный университет
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ СВИНЦА НА ПИЩЕВОМ ВОЛОКНЕ
Аннотация. Изучен процесс сорбции ионов свинца на пищевом волокне масличных культур Зауралья. Показано, что скорость сорбции максимальна в первые 5 минут.
Ключевые слова: пищевое волокно, ионы свинца, сорбция, загрязнение окружающей среды.
