CC BY
1
- Химические науки -
ПОЛУЧЕНИЕ БИОСОРБЕНТОВ МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ С ЦЕЛЬЮ УДАЛЕНИЯ ИОНОВ СТРОНЦИЯ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Е.О. Сбитнева, студент
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Россия, г. Пермь)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-12-4-162-165
Аннотация. В статье рассматривается проблема загрязнения вод природным микроэлементом стронцием. Раскрывается актуальность очистки водоёмов от стронция в связи с негативным влиянием ионов стронция на организм человека и животных. Приведены преимущества использования морских водорослей в качестве биосорбентов. Описывается метод поверхностной модификации водорослей с целью увеличения числа функциональных групп в составе водорослей. Методом ИК-спектроскопии доказано вхождение функциональных групп в состав сорбентов. Проведены сорбционные эксперименты в статических условиях. Рассчитаны значения статических обменных ёмкостей полученных образцов по отношению к ионам стронция. Описывается перспектива использования сорбентов в разных областях науки.
Ключевые слова: биосорбенты, водоросли, поверхностная модификация, синтез, стронций.
В настоящее время актуальной проблемой является загрязнение вод токсичными веществами органической и неорганической природы. Одним из неорганических загрязнителей является стронций. Ионы стронция входят в состав костей, однако при превышении допустимых количеств ионы стронция вытесняют ионы кальция из костной ткани и оказывают неблагоприятное действие на здоровье [1]. Проблема очистки водоёмов от стронция имеет интерес в связи с вовлечением в питьевое водоснабжение артезианских вод с высоким содержанием стронция [2].
Проблема загрязнения поверхности и подземных вод по Sr2+ появилась в результате освоения месторождения стронциевых солей в Кунгурском районе Пермского края (Россия). Мазуевское месторождение содержит стронций в виде целестина и стронци-
анита ^гСОз). В природных водах этого региона наблюдается повышенное содержание ионов стронция [3]. Повышенные концентрации стронция наблюдаются в средних водах Московского артезианского бассейна. Расположен на территории Московской, Смоленской, Тульской, Калужской, Калининской, Ярославской, Владимирской областей, Мордовии. Также стронций обнаружен в колодцах Архангельской и Воронежской областей, Нижнего Новгорода и некоторых других городов [4]. Существуют различные способы очистки вод от тяжёлых металлов, однако
сорбционный метод удаления металлов из вод является одним из простых, распространённых и эффективных. В настоящее время для удаления стронция используют различные адсорбенты, такие как: активированный уголь, каолинит, магнитопорошковые композиты, гидроксиапатит, оксиды графена, карбиды титана, алюминия и композиты с многослойными углеродными нанотрубками и частицами оксида железа, однако многие сорбенты являются токсичными для очистки питьевой воды от ионов стронция. Стоит задача в разработке нетоксичных, эффективных и недорогих сорбентов для очистки вод от ионов стронция.
В исследовании выбраны морские водоросли вида Cystoseira barbata (C.barbata). Водоросли имеют ряд преимуществ, таких как: большая удельная поверхность, пористость, нетоксичность, возможность многократного использования в качестве сорбента. Также в состав водорослей входят ионы кальция и магния, которые могут замещаться на стронций по механизму ионного обмена. Морские водоросли избирательны к ионам одно- и двухвалентных металлов. С увеличением заряда избирательность повышается. На поверхности водорослей содержатся функциональные группы, благодаря которым происходит связывание с ионами металлов, в том числе с ионами стронция. Изучено образование комплексных и хелатных соединений
■ Химические науки
аминополикарбоновых кислот с ионами двухвалентных металлов, в том числе с ионами Бг2+ [5]. Известно, что кристаллическая структура комплексов белков или аминокислот с металлами имеет октаэдрическое строение. Два остатка аминокислоты связаны с центральным атомом металла амино- и карбоксильной группами, свободные координационные места заняты водой. Особой устойчивостью обладают комплексы с аминокислотами, имеющими функциональные боковые цепи. С целью увеличения количества сорб-ционных центров на поверхности водорослей проведена обработка растворами органических соединений: Трилон Б, глутаминовая кислота, гексаметилендиаминтетрауксусная кислота.
Методом ИК спектроскопии доказано вхождение функциональных групп в состав сорбента в результате обработки морских водорослей. Спектры получены с применением ИК-Фурье спектрометра №со^ 380. На ИК спектрах (рис. 1) после обработки водорослей C.barbata растворами аминокислот: трилон Б,
глутаминовая кислота, гексаметилендиамин-тетрауксусная кислота присутствуют характеристические полосы с максимумом поглощения при 3350-3500 см-1 (▲), соотвествующие валентным колебаниям К-Н в -ЫНз+. Также отмечается наличие полос поглощения с максимумом при 2850-3000 см-1 (■), что характеризует колебания связи О-Н в карбоксильной группе. Полосы поглощения 2100-2400 см"1 ( Ж ) соответствует связи N-11; проявляется в виде группы полос ЯэКН+ при обработке водорослей раствором Трилона Б (рис. 1а). Зафиксированы характеристические полосы поглощения с максимум при 1600-1650 см-1(^), описывающие валентные колебания С=О в СООН, а также деформационные колебания КИз+ (рис. 1б). Отмечено наличие полос поглощения при 1400-1500 см_1(#). Подтверждается наличие связи С-С. На рисунке 1в присутствует полоса с максимумом поглощения при 1050-1100 см"1, отвечающая связи С-
N(4).
а б в
Рис. 1. ИК-спектры образцов С.ЬагЬа1а, обработанных трилоном Б (а), глутаминовой кислотой (б), гексаметилендиаминтетрауксусной кислотой (в) 1 - чистые водоросли; 2 - аминокислота; 3 - кислота с ионами Sr2+; 4 - обработка водорослей кислотой;5 - обработка кислотой и раствором Sr2+
Проведён эксперимент по сорбции стронция из чистого раствора. С этой целью в конические колбы вносили определённый объём раствора стронция, навеску сорбента и вы-
держивали на термостатируемом шейкере при температуре 25°С и скорости вращения 130 об/с до состояния равновесия. Затем растворы отфильтровывали. Содержание строн-
- Химические науки -
ция в растворе анализировали на атомно-абсорбционном спектрометре
ThermoScientific (AAC) iCE 3500. Определены
Анализируя полученные результаты (табл. 1), выявлено, что наибольшей статической обменной ёмкостью обладают образцы водорослей C.barbata, обработанные раствором трилона Б, раствором глутаминовой кислоты, а также образец чистых водорослей C.barbata. Результаты СОЁ образца водорослей C.barbata, обработанных раствором гек-саметилендиаминтетрауксусной кислоты значительно ниже. Это можно объяснить боль-
статические обменные ёмкости полученных сорбентов (СОЁ) по стронцию. Результаты полученных СОЁ приведены в таблице 1.
шими размерами молекулы чистого соединения, а также значениями константы нестойкости. Сравнивая значения константы нестойкости соединения трилона Б с ионами Sr2+ и соединения гексаметилендиаминтетрауксусной кислоты с ионами Sr2+, можно сделать вывод, что соединение трилона Б намного устойчивее второго, так как значение константы нестойкости на пять порядков меньше (табл. 2) [6].
Таблица 2. Значения констант нестойкости комплексов
Комплекс Константа нестойкости
Трилон Б+8г2+ 10-9
Гексаметилендиаминтетрауксусная кислота+ металлы 10-2-10-4
Глутаминовая кислота+металлы 10-2-10-3
Таблица 1. Значения сорбционных ёмкостей образцов
Обработка растворами Статическая обменная ёмкость, мг/г
Чистые водоросли C. barbata 43,90
C.barbata+трилон Б 42,69
C.barbata+глутаминовая кислота 40,86
C.barbata+ гексаметилендиаминтетрауксусная кислота 38,26
Определено, что полученные образцы об- бенты являются нетоксичными и могут быть ладают высокой ёмкостью к ионам стронция. применены в медицине в качестве биологиче-Могут быть использованы в экологии для ски активных добавок к пище, в ветеринарии очистки водоёмов от ионов Sr2+. Данные сор- в виде кормовых добавок.
Библиографический список
1. Umar Asima, Syed M. Husnainb, Naseem Abbasa, Faisal Shahzadc, Abdul Rehman Khand, Tahir Ali. Morphology controlled facile synthesis of MnO2 adsorbents for rapid strontium removal // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. - 2021. - Vol. 98. - P. 375-382.
2. Алексеев Л.С., Гладкова Е.В. Очистка питьевой воды от стабильного стронция // Природо-обустройство. - 2012. - №1. - С. 56-58.
3. Саенко Е.В. Сорбционная очистка от стронция природной воды, формирующейся в районе месторождения стронциевого сырья / Е.В. Саенко, Г.В. Леонтьева, В.В. Вольхин // Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов: Тезисы докладов Международной научной конференции, Пермь, 14-17 декабря 2005 года. - Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2005. - С. 203-204.
4. Щербаков В.И. Очистка питьевой воды от стронция фильтрационным методом с применением клиноптилолита / В.И. Щербаков, З.С.А. Аль-Амри, А.В. Михайлин // Вестник МГСУ. -2017. - Т. 12, № 4(103). - С. 457-463.
5. Головне Н.Н. Синтез комплексных соединений РЬ(П) и Ti(I) с глутаминовой и аспарагино-вой кислотами / Н.Н. Головнев, Г.В. Новикова, Д.С. Ивко // Материалы международной научной конференции «Молодежь и Химия». - Красноярск: КрасГУ, 2004. - С. 40-42.
6. Никольский Б.П., Григоров О.Н., Позин М.Е. Справочник химика. Том 3. Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы. - Москва-Ленинград: Издательство «Химия», 1965. - 1005 с.
- XuMunecKue nayHU -
PREPARATION OF BIOSORBENTS BY SURFACE MODIFICATION TO REMOVE STRONTIUM IONS FROM AQUEOUS SOLUTIONS
E.O. Sbitneva, Student
Perm National Research Polytechnic University (Russia, Perm)
Abstract. The article deals with the problem of water pollution by the natural trace element strontium. The relevance ofpurification of reservoirs from strontium in connection with the negative effect of strontium ions on the human body and animals is revealed. The advantages of using seaweed as bio-sorbents are given. A method of surface modification of algae is described in order to increase the number of functional groups in the composition of algae. The IR spectroscopy method proved the occurrence of functional groups in the composition of sorbents. Sorption experiments were carried out under static conditions. The values of the static exchange capacities of the obtained samples with respect to strontium ions are calculated. The prospect of using sorbents in various fields of science is described.
Keywords: biosorbents, algae, surface modification, synthesis, strontium.
