CC BY
42УДК 544.723:549.08:543.33 А.Ш.Рамазанов, Г.К. Есмаил
Сорбционное концентрирование ионов меди, цинка, кадмияи свинцаиз водных
растворов природнойглиной
Дагестанский государственный университет; [email protected]
Изучены структурные характеристики и химия поверхности глины Левашинского района Республики Дагестан.Исследован процесс сорбции ионов меди, цинка, кадмия и свинца из водных растворов на исследуемом материале. Выявлено,что содержащая монтмориллонит природная глина обладает высокой емкостью по ионам тяжелых металлов и может быть использована как сорбент для группового концентрирования при анализе и очистке водных растворов от ионов меди, цинка, кадмия и свинца.
Ключевые слова: глина, ионы меди, цинка, кадмия и свинца, сорбционное концентрирование.
Сорбционные материалы на основе глинистых пород находят все большее применение для группового концентрирования при анализе и очистке природных и сточных вод от токсичных неорганических и органических примесей, в том числе от радиоактивных изотопов [1,2]. Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой емкостью, избирательностью, катионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью.
Ранее нами были определены сорбционные характеристики по отношению к ионам стронция образца природного алюмосиликата Астраханской области [3], к ионам свинца и меди двух образцов глинистых материалов Табасаранского района Республики Дагестан [4] и к ионам кадмия и свинца образца глины из Республики Йемен [5].
Целью данной работы являлось изучение структуры и химии поверхности, а также сорбционной активности по ионам меди, цинка, кадмия и свинца образца глины Лева-шинского района Республики Дагестан.
Экспериментальная часть
Объектом исследований являлась природная глина Левашинского района Республики Дагестан. Глинистый материал размалывали, отсеивали мелкие и крупные частицы, оставляя частицы диаметром 0,25-0,5 мм.Отобранную фракцию глины промывали дистиллированной водой и высушивали до воздушно-сухого состояния.
Измерение удельной поверхности образца глины, удельного объема пор и распределения пор по размерам осуществляли с помощью прибора «СОРБИ-МБ»(ЗАО «МЕТА», г. Новосибирск) методом БЭТ.
Исследования химического состава поверхности глины проводили с использованием сканирующего электронного микроскопаLEO 1450 (Германия), оснащенного энерго-дисперсионным рентгеновским микроанализатором с полупроводником Si - (У) детектором EDXINCAEnеrgy фирмы
Фазовый состав глины определяли на рентгеновском дифрактометре EmpyreanSe-ries 2 фирмы Рапа1у;юа1 (Голландия).
Термогравиметрические исследования глины проводили на приборе марки NETZSCHSTA 409 РС^ (Германия).
Сорбционную активностьобразца глины относительно ионов меди, цинка, кадмия и свинцаизучали на модельных растворах, которыеготовили растворением вдистиллиро-ванной воде соответствующих химически чистых реактивов.
Опыты по сорбции ионов тяжелых металлов из водных растворов проводили в статическом режиме при постоянном встряхивании,для чего в коническую колбу вносили навеску сорбента, раствор с определенной концентрацией сорбата, выдерживали при перемешивании в течение заданного времени при определенной рН и температуре.
Величину сорбции %), сорбционную емкость (ах) оценивали по уменьшению содержания исследуемого иона в объеме раствора до и после сорбции методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе марки СоШха700 (Апа1у^Ыепа, Германия).
Результаты и их обсуждение
Из данных, представленных в табл. 1, видно, что образец глины, промытой водой, характеризуется относительно небольшой удельной поверхностью ^ = 16,9 м2/г) и на его поверхности обнаружены только мезопоры (Уме=044 см3/г).
Таблица 1. Текстура образца глины, промытой водой
S,M2/r Vm^CMV R<1,5hm VMe, см3/г R 1,5-50 нм VMa, СМ3/Г R>50 нм ZV, см3/г
16,9 - 0,044 - 0,044
На дифрактограмме образца глины, промытой водой (рис. 1), обнаружены наборы линий, принадлежащие нескольким фазам. Поиск соответствия по базе дан-ных,заложенных в программное обеспечение дифрактометра, позволил идентифицировать их как следующие фазы: Са-монтмориллонит, карбонат кальция икварц.
I
1000
500
Montmorillonite 82,0 % Calcium Carbonate 14,9 % Quartz low 3,12 %
10 20 30 40
Рис.1. Дифрактограмма образца глины, промытой водой
Результаты элементного анализа (табл. 2) и термогравиметрии (рис. 2) подтвердили, что основными минералами, входящими в состав исследуемой глины, являются: кальциевая разновидность монтмориллонита, кальцит и кварц.
Таблица 2. Химический состав исходной глины, %
SiO2 M2O3 Fe2O3 TiO2 MgO СаО K2O Na2O п.п.п. £
61,15 11,10 2,16 0,27 2,35 7,35 1,00 0,85 13,77 100
Температура/ С° Рис. 2. Термогравитограмма образца глины, промытой водой
Изучение влияния рН на величину сорбции ионов тяжелых металлов из водных растворов на природном сорбенте(рис.3)показало,что оптимальной кислотностью среды для сорбции ионов свинца является интервал рН 3,5-6,0; кадмиярН 5,0-8,0;цинка рН 5,0-8,0; меди рН 4-6. Для группового концентрирования исследуемых ионов тяже-
Рис. 3. Зависимость степени сорбцииСи2+, Ъп , Сс12+ и РЬ2+на глине, промытой водой,от рН (ССи^п=10 мг/л; Сед^=2 мг/л; К=250 мл; т=0,1г; т=30 мин; /=20±2 0С)
Из зависимости степени сорбции ионов меди, цинка, кадмия и свинца на глине, промытой водой,от времени(рис. 4) видно, что сорбция в статических условиях с высокой скоростью протекает в течение первых 5-10 минут,а величина сорбции достигает максимальных значений после 30 минут.
Сорбционную емкость глинистого материала по ионам тяжелых металлов определяли по кривым насыщения (рис. 5). Установлено, что емкость глины, промытой водой, по ионам меди составляет 0,28 мМоль/г, цинка 0,26 мМоль/г, кадмия 0,28 мМоль/г и ионам свинца 0,26 мМоль/г. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высокой сорбционной способности исследуемой глины.
Время (мин.)
Рис. 4. Зависимость степени сорбции Си2+, Zn2+, Сс12+ и РЬ2+на глине, промытой водой, от времени (ССи,2п=10 мг/л; Сса,Р(=2 мг/л; Р=250 мл; га=0,1г;^=20±2°С; рН= 5,5±0,5)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
С исх (ммоль/л)
Рис.5. Зависимость сорбционной емкости глины, промытой водой,от концентрации Cu2+, Zn2+, Cd2+ и Pb2+ (V=100 мл; m = 0,1 г;т = 60 мин; t=20±20C; pH= 5,5±0,5)
Анализом растворов ионов тяжелых металловдо и после обработки сорбентом атомно-абсорбционным методом установлено, что сорбция ионов меди, цинка, кадмия и свинца на содержащей Ca-монтмориллонит глине протекает по ионообменному механизму замещения катионов кальция, натрия и магния на ионы тяжелых металлов.
Экспериментально установлено, что количественная десорбция ионов меди, цинка, кадмия исвинца с сорбента достигается обработкой растворами1 молярных HNO3, HCl. При этом сорбционная способность регенирированного образца глины по ионам тяжелых металлов и его текстура практически не меняются.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что содержащая монтмориллонит глина Левашинского района Республики Дагестан может быть использована как эффективный, доступный и дешевый сорбционный материал при индивидуальном и групповом концентрировании ионов меди, цинка, кадмия и свинца при анализе и очистке водных растворов от данных ионов.
Литература
1. Третинник В.Ю. Природные дисперсные минералы и перспективы их использования в технологии водоочистки // Химия и технология воды. - 1998. - Т. 20, №2. -С. 34-42.
2. Мясоедова Г.В., Никашина В.А. Сорбционные материалы для извлечения радионуклидов из водных сред // Рос.хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). - 2006. -№ 5. - C. 55-63.
3. Рамазанов А.Ш., Атаев М.Б., Каспарова М.А. и др. Адсорбция ионов стронция из водных растворов природным алюмосиликатом // Вестник Дагестанского научного центра. - 2011. - № 43. - С. 33-37.
4. Рамазанов А.Ш., Каспарова М.А., Сараева И.В. и др. Сорбционные свойства природных глинистых материалов Республики Дагестан // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2013. - Вып. 1. - С. 212-217.
5. Есмаил Г.К., Рамазанов А.Ш. Сорбция ионов кадмия и свинцаиз водного раствора прокаленной глиной // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2013. - Вып. 6. - С. 200-203.
Поступила в редакцию 4 июля 2013 г.
Copper, zinc, cadmium and lead ions sorption concentration from aqueous solutions
by natural clay
A.Sh. Ramazanov, G.K. Esmail Dagestan State University; [email protected]
Structuralcharacteristics andsurface chemistry of Levashaclayhave been studied.The process ofsorption of-copper, zinc, cadmium and lead from has been analyzed. It has been revealed thatmontmorilloniteclay hasa high capacityforheavy metal ionsand can be usedas a sorbentfor a groupconcentrationin the analysisand purificationof aqueous solutionsofionsof copper,zinc, cadmium and lead.
Keywords: clay, copper, zinc, cadmium and lead ions,sorption concentration.
Received July4, 2013
