CC BY
0УДК 544.726.2
DOI: 10.21779/2542-0321-2023-38-3-98-103 М.А. Бабуев, М.В. Султанова
Применение адсорбционных моделей для описания системы «п-сульфобензол-азо-хромотроповая кислота - гапшиминская глина»
Дагестанский государственный университет; Россия, 367000, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а; [email protected]
Аннотация. С целью установления механизма сорбции хелатного реагента изучена система «п-сульфобензол-^о-хромо^оповая кислота - обожженная гапшиминская глина (СПАДНС-ОГГ)». В качестве сорбента использована обожженная при 815 °С глина, добытая в окрестностях селения Гапшима. Условия извлечения реагента глиной изучали спектрофотомет-рическим методом анализа на спектрофотометре Leki SS 1270. Исследовано влияние таких факторов, как кислотность раствора, время контакта сорбента с сорбатом, концентрация СПАДНС, на процесс извлечения. По кривым насыщения установлена статическая емкость глины по сорбируемому реагенту. Изотерма адсорбции СПАДНС гапшиминской глиной описана с применением моделей Ленгмюра, Фрейндлиха, Темкина и Редлиха-Петерсона. Значение средней свободной энергии адсорбции рассчитана обработкой изотермы адсорбции СПАДНС гапшиминской глиной с помощью модели Дубинина—Радушкевича. На основе полученных результатов сделаны выводы о природе связи между глиной и сорбируемым реагентом.
Ключевые слова: сорбция, гапшиминская глина, СПАДНС, извлечение, модель адсорбции.
Введение
Формирование сточных вод, содержащих различные красители - неизбежное следствие интенсивно развивающейся текстильной и химической промышленности. Среди многочисленных методов очистки такого типа сточных вод сорбционный метод является одним из наиболее эффективных.
В научной литературе за последние годы все большее внимание уделяется изучению сорбционных свойств различных глинистых материалов с целью их использования в качестве сорбентов. Показана перспективность применения обработанного кислотой монтмориллонита [1] и глино-полимерньк композитов [2; 3] для удаления различных органических веществ из сточных вод, а также для очистки водных сред от загрязнителей фармацевтического производства [4].
В работе [5] исследованы сорбционные свойства каолина и глины. Показана перспективность применения каолина для очистки талых вод от нефтепродуктов.
Авторы [6; 7] в обзорах обобщили удаление промышленных красителей адсорбентами на основе глины.
В работе [8] получены композиты целлюлоза-гшша-альгинат натрия и использованы для удаления красителя метиленового синего (МС). Показано, что МС адсорбировался на 90 % в течение равновесного времени 60 мин, при массе адсорбента 0,05 г, температуре 30 °С и рН 7 и 11 для целлюлозы-Na-Alg и целлюлозы-Ш-А^-глина соответственно. Установлено, что данные по адсорбции красителя МС соответствуют кинетике псевдопервого порядка. Композиты регенерировали с помощью HCl.
Для описания взаимодействия в системе «адсорбент — адсорбат» нами использованы широко применяемые модели адсорбции Редлиха-Петерсона, Темкина, Фрейнд-лиха и Ленгмюра.
Цель работы - установление наиболее адекватно описывающей процесс адсорбции модели для интерпретации данных по адсорбции в системе «СПАДНС—ОГГ».
Материалы и их описание
В качестве сорбента использовали глину, добытую в 1,0 км от с. Гапшима Аку-шинского района РД и обожженную при 815 °С. В качестве адсорбата использовали азокраситель СПАДНС (CAS 23647-14-5). Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре КФК-3-«ЗОМЗ». Для концом кислотности среды использовали рН-метр марки РН-150 МИ. Точные навески исследуемых образцов отбирали на аналитических весах марки "Pioneer".
Экспериментальная часть
Оптимальные условия сорбции СПАДНС на ОГГ (pH среды, время сорбции и концентрации адсорбата) изучали по аналогичным методикам, приведенным в [9].
Результаты и их обсуждение
Полнота адсорбции в системе «СПАДНС-ОГГ» зависит от ионного состояния адсорбата, зависящего в свою очередь от кислотности среды. Результаты исследования влияния рН раствора на процесс адсорбции в системе «СПАДНС-ОГГ» представлены на рис. 1.
Я,% ^
70 65 -60 55
50 -\ 45
40
0
2
4
6
8
10
pH
Рис. 1. Зависимость степени извлечения СПАДНС обожженной гапшиминской глиной от рН раствора (тсорб. = 0,5 г, V = 50 мл, Среаг. = 0,001 М, V = 1,0 мл)
Как видно из рис. 1, максимальная степень извлечения реагента наблюдается при рН = 10,0. При данном значении рН все сульфогруппы СПАДНС находятся в анионном состоянии и облегчается протекание ионообменной реакции. Дальнейшее исследование проводили при данном значении рН.
Результаты исследования влияния продолжительности контакта фаз на степень извлечения приведены на рис. 2.
Т, МИН
Рис. 2. Зависимость степени извлечения СПАДНС обожженной гапшиминской глиной от продолжительности контакта фаз (тсорб. = 0,5 г, Ук = 50 мл, Среаг. = 0,001М, Уа =1,0 уш,рН = 10,0)
Установлено, что 20 мин контакта фаз достаточно для достижения динамического равновесия в системе «СПАДНС-ОГГ».
Результаты исследования зависимости степени извлечения СПАДНС обожженной гапшиминской глиной от его равновесной концентрации представлены на рис. 3.
а-103, ммоль/г
ШС
10,0
8,0 -
6,0
4,0
2,0 -
0,0 4
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 С 10
^равн
2
Рис. 3. Изотерма сорбции СПАДНС гапшиминской глиной
(тори. = 0,5 г, У = 50 мл, Среаг. = 0,001 М, рН = 10,0, т =20 мин)
ммоль/
Установлено, что изотерма свидетельствует о протекании процесса капиллярной конденсации в мезопорах. По классифика ции ИЮПАК изотерма адсорбции относится к типу V. Вогнутый характер начального участка изотермы дает основание говорить о слабом взаимодействии в системе «СПАДНС-ОГГ».
Статическая ёмкость ОГГ по СПАДНС составила 0,0097 ммоль/г, что свидетельствует о низких емкостных возможностях ОГГ.
Полученная изотерма описана моделями Ленгмюра [10], Фрейндлиха [11], Тем-кина [12] и Редлиха-Петтерсона [13] аналогично [9]. Величины рассчитанных констант всех использованных моделей приведены в табл. 1.
Таблица 1. Константы уравнений моделей описания адсорбции СПАДНС обожженной гапшиминской глиной
№ Тип модели Параметры модели
1. Модель Ленгмюра л/ммоль amax, ммоль/г R2
1,1 0,11 0,0217
2. Модель Фрейндлиха ^ (ммоль/г^л/ммоль)1 п П R2
0,11 1,02 0,9164
3. Модель Темкина л/ммоль а R2
102 250 0,8305
4. Модель Редлиха-Петерсона л/г а Р R2
102 1,8 0,0253 0,0026
Установлено, что модель Фрейндлиха наиболее правильно описывает процесс адсорбции. Это свидетельствует об образовании мономолекулярного слоя СПАДНС на ОГГ и обладании равной энергией и энтальпией всеми активными центрами. Для описания полученной изотермы остальные модели практически непригодны.
Константы уравнения модели Дубинина-Радушкевича, полученные аналогично [14], представлены в табл. 2.
Таблица 2. Константы уравнений моделей описания адсорбции СПАДНС
гапшиминской глиной
Модель Дубинина-Радушкевича К, моль /кДж ат^, ммоль/г
-0,008 0,59 0,9171
Рассчитанное значение средней свободной энергии адсорбции (Е), равное 7,91 кДж/моль, указывает на то, что адсорбция СПАДНС на ОГГ протекает с образованием химических связей, близких к ионной связи.
Выводы
Оптимальными условиями достижения динамического равновесия в системе «СПАДНС-ОГГ» являются рН 10,0 и 20 мин контакта фаз. Статическая ёмкость сорбента по реагенту, равная 0,0097 ммоль/г, свидетельствует о низких емкостных характеристиках ОГГ.
Модель Фрейндлиха наиболее правильно описывает процесс адсорбции. Это свидетельствует об образовании мономолекулярного слоя СПАДНС на ОГГ и обладании равной энергией и энтальпией всеми активными центрами. Для описания полученной изотермы остальные модели практически непригодны.
Рассчитанное значение средней свободной энергии адсорбции (Е), равное 7,91 кДж/моль, указывает на то, что адсорбция СПАДНС на ОГГ протекает с образованием химических связей, близких к ионной связи.
Литература
1. Wang M., Chen Z., Rusyn I., Phillips T.D. Testing the efficacy of broad-acting sorbents for environmental mixtures using isothermal analysis, mammalian cells, and
H. vulgaris // J. Hazard. Mater. 2021. Vol. 408 (124425).
2. Zusman O.B., Perez A., Mishael Y.G. Multi-site nanocomposite sorbent for simultaneous removal of diverse micropollutants from treated wastewater // Appl. Clay Sci. 2021. Vol. 215 (106300).
3. Experimental and theoretical studies of Rhodamine B direct dye sorption onto clay-cellulose composite / A. Kausar, R. Shahzad, S. Asim et al. // J. Mol. Liq. 2021. Vol. 328 (115165).
4. Elamin M.R., Abdulkhair B.Y., Algethami F.K., Khezami L. Linear and nonlinear investigations for the adsorption of paracetamol and metformin from water on acid-treated clay // Sci. Reports. 2021. Vol. 11, № 1. - Pp. 1-13.
5. Voronov A., Malyshkina E., Maksimova S. Study of meltwater treatment using the industrial waste and natural sorbents // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2021. Vol. 1079, iss. 7 (072021).
6. Zhang T., Wang W., Zhao Y. et al. Removal of heavy metals and dyes by clay-based adsorbents: From natural clays to 1D and 2D nano-composites // Chem. Eng. J. 2021. Vol. 420 (127574).
7. Shahadat S.I., Momina M. Regeneration performance of clay-based adsorbents for the removal of industrial dyes: a review // RSC Adv. 2018. Vol. 8. -Pp. 24571-24587.
8. Kausar A., Rehman S.U., Khalid F. et al. Cellulose, clay and sodium alginate composites for the removal of methylene blue dye: Experimental and DFT studies // Int. J. Biol. Macromol. 2022. Vol. 209. - Pp. 57^585.
9. Babuev M.A., Isaev A.B., Alilova Z.A., Suleymanov S.I. Research into sorption conditions of 2-(4-sulfophenylazo)-1-amino-8-hydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid by commercial anion exchanger AB-17 // Chem. Probl. 2022. Vol. 20, № 1. - Pp. 7-17.
10. Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids. Part
I. Solids // J. American Chemical Society. 1916. Vol. 38, Issue 11. - Pp. 2221-2295.
11. Freundlich H.M.F. Over the Adsorption in Solution // J. Phys. Chem. 1906. Vol. 57. - Pp. 385^71.
12. Allen S.J., Gan Q., Matthews R., Johnson P.A. Comparison of optimised isotherm models for basic dye adsorption by kudzu // Bioresour. Technol. 2003. Vol. 88. - Pp. 143-152.
13. Redlich O., Peterson D.L. A useful adsorption isotherm // J. Phys. Chem. 1959. Vol. 63, Issue 6. - P. 1024.
14. Dubinin M.M., Radushkevich L.V. Equation of the characteristic curve of activated charcoal // Proc. Acad. Sci. U S S R. Phys. Chem. Sect. 1947. Vol. 55. - P. 331.
Поступила в редакцию 27 апреля 2023 г.
Принята 11 сентября 2023 г.
UDC 544.726.2
DOI: 10.21779/2542-0321 -2023 -38-3-98-103
The Use of Adsorption Models to Describe the "P-Sulfobenzene-Azo-Chromotropic Acid
- Gapshima Clay" System
M.A. Babuev, M. V. Sultanova
Dagestan State University; Russia, 367000, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43a; babuev77@mail. ru
Abstract. In order to establish the mechanism of sorption of the chelate reagent, the system "p-sulfobenzene-azo-chromotropic acid - calcined hapshima clay (SPADNS-CHC)" is studied. Clay fired at 815 °C, mined in the vicinity of the village of Gapshima, was used as a sorbent. The conditions
for the extraction of the reagent with clay are studied by spectrophotometry analysis on a Leki SS 1270 spectrophotometer. The influence of such factors as the acidity of the solution, the contact time of the sorbent with the sorbate, and the concentration of SPADNS on the extraction process is studied. According to the saturation curves, the static capacity of the clay for the sorbed reagent is established. The models of Langmuir, Freindlich, Temkin and Redlich-Peterson are used to describe the isotherm of SPADNS adsorption by the gapshima clay. To calculate the average free energy of adsorption, the SPADNS adsorption isotherm by the gapshima clay was processed using the Dubinin-Radushkevich model. On the basis of the results obtained, conclusions were drawn about the nature of the bond between the clay and the adsorbed reagent.
Keywords: sorption, gapshima clay, SPADNS, extraction, adsorption model.
Received27April, 2023 Accepted 11 September, 2023
