CC BY
32
ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 504.4.054.001.5
Е. А. Тарановская, Н. А. Собгайда, К. И. Шайхиева, П. А. Морев
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА СУШКИ ХИТОЗАНА НА ЕГО СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Ключевые слова: лиофильная и естественная сушка, хитозан, катионы тяжелых металлов, очистка.
Изучено влияние лиофильной и естественной сушки образцов хитозана на его сорбционные свойства по отношению к ионам тяжелых металлов.
Keywords: lyophilization and natural drying, chitosan , cations of the heavy metals, cleaning.
Explored the influencing of lyophilization and natural drying of chitosan to sorption properties towards heavy metals ions.
В настоящее время в Российской Федерации создалась довольно сложная экологическая ситуация. Качество вод большинства поверхностных водоемов страны не отвечают установленным нормативам. Главными
загрязняющими поверхностные воды веществами являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения, содержащие в своем составе ионы тяжелых металлов, пестициды и гербициды, аммоний- и нитрат ионы. В большинстве промышленно развитых районов страны сброс сточных вод составил более 100 м3 на душу населения. В Иркутской области и Краснодарском крае названный показатель превышал 500 м3 на человека. В основных промышленных центрах России - г. Москве, Нижегородской области, Республике Татарстан и других регионах - более 200 м3 на 1 человека в год, в Санкт-Петербурге - более 300 м3 [1]. Для очистки сточных вод используется множество методов, наиболее перспективными из которых являются сорбционные.
Для сорбционной очистки сточных вод от поллютантов различного происхождения используют множество сорбционных материалов, для получения которых используют различные исходные материалы и технологии. Одним из перспективных направлений сорбционной очистки является использование в качестве сорбционного материала хитозана. Использование названного биополимера для создания новых материалов является одним из перспективных направлений химической науки и технологии. Известно, что хитозан может применяться в качестве сорбционного материала для извлечения из сточных и природных вод ионов тяжелых металлов [2-10], нефтепродуктов [11-14], как флокулянт при осаждении белков [15], обеззараживания стоков [16]. В частности, нами ранее показана возможность удаления из модельных стоков ионов 2и2+, С^+, РЬ2+, нефтепродуктов и взвешенных веществ [17].
Неоспоримым достоинствам хитозана относится его совершенная безопасность для человека и
окружающей среды. В природных условиях он распадается полностью. Экологически чист [18].
Для получения сорбционных материалов, хитозан или его смесь в уксусной кислоте выдерживают в растворе №ОН, а затем сушат. Для получения материалов с различными свойствами, возможно использование несколько видов сушки.
Естественная сушка проводится на открытом воздухе при естественном освещении, без влияния человека на факторы интенсифицирующие процесс (температуры продукта и сушильного агента (воздуха), давление, скорость движения сушильного агента, влажность и т. д.).
Искусственная сушка производится в специальных аппаратах (сушильных установках), с принудительным изменением факторов, влияющих на интенсивность процесса (температура, давление влажность, геометрические размеры объекта сушки и т. д.).
Искусственную сушку возможно осуществлять термически и лиофильно. Термическая, или тепловая, сушка материалов — основана на различных методах подвода теплоты.
Лиофильная сушка (Лиофилизация) (от др.-греч. М>ю — растворяю и фЛею — люблю) — способ мягкой сушки веществ, при котором высушиваемый препарат замораживается, а потом помещается в вакуумную камеру, где и происходит возгонка (сублимация) растворителя.
Преимущества такого способа высушивания — отсутствие воздействия высоких температур на препарат, сохранение дисперсной фазы препарата, возможность использования летучих растворителей. Метод лиофилизации позволяет получать сухие ткани, препараты, продукты и т. п. без потери их структурной целостности и биологической активности. При лиофилизации
большинство белков не подвергается денатурации и может длительно сохраняться при умеренном охлаждении (около 0 °С). Лиофилизированные ткани и препараты при увлажнении восстанавливают свои первоначальные свойства.
Целью данной работы явилось изучение влияния различных видов сушки материалов из хитозана на
их способность извлекать из стоков ионов тяжелых металлов.
Сорбционные материалы получали по различным технологиям.
Модификация №1. Хлопья хитозана выдерживали в 1 Н растворе NaOH в течение 1 часа, затем промывали дистиллированной водой до нейтрального значения рН = 7,0-7,5, значение рН определяли рН-метром по промывным водам. Высушивание хлопьев осуществляется двумя способами:
а) термически (Модификация № 1 (а));
б) лиофильно (Модификация №1 (б)).
в • Л
* ^г^• - • I
. . Г V • /
б
Рис. 1 - Вид сорбционных материалов из хитозана, полученных по модификации №1: а -термически; б - лиофильно
Модификация №2. Изначально готовили раствор хитозана с уксусной кислотой, для этого к 980 мл 2 %-ной уксусной кислоты добавляли хитозан (20 г) небольшими порциями при постоянном перемешивании в течение 1 часа. Затем полученную смесь ещё дополнительно перемешивали в течение 4-5 часов до полного растворения хитозана. В полученный раствор приливали 1 Н раствор NaOH до полного преобразования раствора в белые сгустки. Далее образовавшиеся хлопья промывали дистиллированной водой до нейтрального
значения рН = 7,0-7,5. Высушивание хлопьев осуществляется двумя способами:
а) термически (Модификация № 2 (а));
б) лиофильно (Модификация №2 (б)).
Для оценки проведения работ по изучению адсорбционных свойств исходного хитозана и
материалов на его основе использовали модельные сточные воды (СВ), содержащие смесь ионов тяжелых металлов Cd2+, Zn2+) различных
концентраций в растворе и модельные растворы.
Модельные растворы изготавливали по ГОСТ 4212-76 «Методы приготовления растворов для колориметрического анализа». Для этого пользовались формулой:
Х = М*1/т1,
где М - мoлeкулярная масса рeактива, г; ml - атомная масса элeмeнта или масса иона в пригoтавливаeмoм растворе.
б
Рис. 2 - Вид сорбционных материалов из хитозана, полученных по модификации №2: а -термически; б - лиофильно
Раствор кадмия готовили из ацетата кадмия. Навеску соли 2,370±0,003 г растворяли в воде, которая содержала 0,5 см3 кислоты и доводили до 1 дм3 дистиллированной водой.
Модельный раствор, содержащий ионы Zn2+, готовили из навески гранулированного цинка. 1,0 г растворяли в 7 см3 раствора соляной кислoты (1:1) и доводили до 1 дм3 водой. Модельный раствор готовили методом разбавления основного раствора 0,001 Н раствором соляной кислоты.
Для приготовления раствора, содержащего ионы свинца (1 г/дм3), использовали навеску нитрата свинца. Навеску массой 1,60 г растворяли в воде, в присутствии 1 см3 азотной кислоты, и доводили до 1 дм3. Из полученного раствора готовились растворы
необходимых для эксперимента концентраций и далее разбавлялись 0,001 Н раствором азотной кислоты.
Для определения адсорбционных свойств материалов из хитозана в 1 дм3 полученных модельных сточных вод, содержащих смесь катионов тяжелых металлов (2и2+, С^+, РЬ2), добавляли по 20 г сорбентов различной модификации. Сорбцию проводили в течение 20 мин при постоянном перемешивании. Сорбенты отделяли от воды фильтрованием. Конечную концентрацию ионов тяжелых металлов определяли инверсионным вольтамперометрическим методом, который основан на электрохимическом накоплении определяемых элементов на поверхности рабочего электрода в виде амальгамы при заданном потенциале поляризации с последующей количественной оценкой величин их анодных токов электрорастворения, имеющих вид пиков на вольтамперограмме [19]. В работе использовали роботизированный комплекс «Экспертиза ВА-2Б» с электродом «3 в 1», который представляет собой целую вольтамперометрическую электродную систему в едином корпусе. По найденным конечным концентрациям в растворе определяли эффективность (Э) очистки модельных СВ по формуле:
Э = Сиач -Скон *Ш0% , Снач
где Снач. и Скон - начальная и конечная концентрации раствора, мг/дм3.
Результаты расчетов сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Эффективность модифицированными сорбентами
очистки
Модификация хитозана Эффективность очистки, %
Zn2+ Cd2+ Pb2+
1а 79 85 97
1б 59 66 95
2а 73 84 97
2б 57 57 81
хитозан 81 86 96
При сравнении полученных результатов видно, что наиболее высокой эффективностью очистки по исследуемым ионам тяжелых металлов обладают образцы хитозана 1а и 2а. Лиофильная сушка
материалов не даёт положительного эффекта, а, напротив, снижает сорбционные характеристики реагентов. Поэтому рациональней использовать сушку в естественных условиях, что требует меньших экономических затрат и упрощает технологию получения. При сравнении с исходным хитозаном эффективность очистки стоков от ИТМ не имеют существенной разницы. Наиболее выгодным с экономической точки зрения является сорбент, полученный по модификации № 2, его стоимость составляет 54 руб./кг.
Литература
1. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2014 году: Государственный доклад, Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, М., 2015. 191 с.
2. W.S. Wan Ngah L.C. Teong, M.A.K.M. Hanafiah, Carbohydrate Polymers, 83, 4, 1446-1456 (2011).
3. E. Guibal, Separation and Purification Technology, 38, 1, 15 43-74 (2004).
4. S.E. Bailey, T.J. Olin, R.M. Bricka, D.D. Adrian, Water Research, 33, 11, 2469 -2479 (1999).
5. W.S Wan Ngah, C.S Endud, R Mayanar, Reactive and Functional Polymers, 50, 2, 181-190 (2002).
6. A.-H. Chen, S.-C. Liu, C.-Y. Chen, C.-Y. Chen, Journal of Hazardous Materials, 154, 184-191 (2008).
7. W.S. Wan Ngah, S. Fatinathan, Chemical Engineering Journal, 143, 1-3, 62-72 (2008).
8. B.J. Mcafee, W.D. Gould, J.C. Nadeau, Separation Science and Technology, 36, 14, 3207-3222 (2001).
9. A. Gamage, F. Shahidi, Food Chemistry, 104, 3, 989-996 (2007).
10. F.-C. Wu, R.-L. Tseng, R.-S. Juang, Journal of Environmental Management, 91, 798-806 (2010).
11. A.L. Ahmad, S. Sumathi, B.H. Hameed, Water Research, 39, 12, 2483-2494 (2005).
12. A.L. Ahmad, S. Sumathi, B.H. Hameed, Chemical Engineering Journal, 108, 1-2, 179-185 (2005).
13. S. Sathivel, W. Prinyawiwatkul, Journal of the American Oil Chemists' Society, 81, 5, 493-496 (2004).
14. Е.А. Тарановская, Н.А. Собгайда, Эколого-правовые и экономические аспекты экологической безопасности регионов: материалы X Международной научно-практической конференции, ХНАДУ, Харьков, 2015. С. 53-54.
15. В.М. Быкова, Е.А. Ежова, С.В. Немцев, Аграрная Россия, 5, 30-31 (2004).
16. Е.А. Тарановская, Н.А. Собгайда, Н.А. Влазнева, Вестник технологического университета, 18, 14, 232236 (2015).
17. Н. А. Собгайда, В. Ф. Абдуллин, Н. А. Влазнева, Д. А. Лавренов, К. И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 14, 397-399 (2014).
18. Л.С. Гальбрайх, Соровский образовательный журнал, 7, 1, 51-56 (2001).
19. Р. Кальвода, Я. Зыка, К. Штулик и др., Электроаналитические методы в контроле окружающей среды, Химия, М., 1990. 240 с.
© Е. А. Тарановская - соискатель каф. «Экология и дизайн» Энгельского технологического университета (филиал) Саратовского госуд. технол. университета; Н. А. Собгайда - д.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; П. А. Морев -студент той же кафедры, К. И. Шайхиева - студ. каф. инженерной экологии КНИТУ.
© E. A. Taranovskaya - competitor of department "Ecology and Design" Engels Technological University (branch) of Saratov State Technical University; N. A. Sobgayda - Ph.D., assistant professor of department "Ecology and Design" at the same university, [email protected]; P. A. Morev - student of the department "Ecology and Design" at the same university, K. I Shaikhieva - student of Department of Environmental Engineering at KNRTU.
