Изучение кинетики сорбции ионов меди (II) природными сорбентами

Изучение кинетики сорбции ионов меди (II) природными сорбентами

При изучении кинетики сорбции ионов меди (II) природными сорбентами: опокой мергелем и торфом. Показано, что процесс сорбции идёт в смешаннодиффузионном режиме, определенный вклад в общую скорость процесса вносит и стадия взаимодействия Cu2+ с функциональными группами сорбента.

Аннотация статьи
ионы меди
кинетика сорбции
опока
мергель
торф
Ключевые слова

В настоящее время значительное внимание уделяется исследованию сорбционных свойств местных природных материалов, которые можно использовать для очистки газов и вод различного происхождения. Перспективным является применение природных материалов для сорбционной доочистки сточных вод гальванических производств от катионов Cu2+ [2]. Изучение кинетики сорбции имеет важное практическое и теоретическое значение, так как позволяет установить время достижения равновесия, максимальную рабочую ёмкость и механизм протекания сорбции. В данной работе приведено исследование кинетики сорбции ионов меди (II) материалами естественного происхождения: мергелем, опокой и торфом.

Мергель и опока относятся к цеолитсодержащему сырью. Торф – полидисперсная многокомпонентная система, включающая органическую часть, влагу, минеральные примеси. Исследуемые сорбенты предварительно измельчали и использовали фракцию с размером зёрен 1-2 мм.

Кинетику сорбции изучали методом ограниченного объёма. Для этого в пробирку помещали 0,01 г сорбента и 10 см3 исследуемого раствора с оптимальным значением рН и концентрацией меди 1мкг/см3. Полученную смесь тщательно перемешивали и выдерживали в течение 1, 3, 5, 7, 10, 20 минут. После чего быстро отфильтровывали содержимое каждой пробирки через фильтр «белая лента» на воронке Бюхнера, применяя колбу Бунзена и водоструйный насос. Содержание меди в фильтрате определяли экстракционно-фотометрически диэтилдитиокарбаматом свинца. Для разрушения комплексов меди к фильтрату, полученному после сорбции на торфе, добавляли 20-30 мг персульфата аммония и 0,3 см3 концентрированной соляной кислоты, растворы кипятили в течение 5-7 минут. По разнице массы меди в исходном растворе и растворе после сорбции находили количество меди, переходящее за время экспозиции в фазу сорбента. Интегральные кинетические кривые сорбции ионов меди (II) приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Интегральные кинетические кривые сорбции ионов Cu2+: 1-опока, 2- мергель, 3-торф

Максимальная степень извлечения достигается за 7 минут при массовом соотношении раствор: сорбент 1000:1, это время можно считать временем установления сорбционного равновесия в системе раствор - сорбент.

Сорбция Cu2+ протекает в смешаннодиффузионном режиме. Известно [3], что для внешнедиффузионных процессов кинетическая кривая должна быть линейной, если представить её в координатах -ln (1-F) – t, где t – время, мин; F - степень достижения равновесия в системе, рассчитываемая как F=At/Ae, где At – количество сорбированного вещества в момент времени t, ммоль/г, Ae – количество сорбированного вещества в состоянии равновесия, ммоль/г. На рисунке 2 видно, что для всех исследуемых сорбентов прямолинейная зависимость в координатах -ln (1-F) – t наблюдается только на начальном этапе сорбции. Это свидетельствует о том, что вначале сорбционный процесс протекает по внешнедиффузионному механизму, а по мере его протекания влияние внешнедиффузионного фактора падает, в внутридиффузионного, наоборот, возрастает [1].

Рис. 2. Зависимость -ln (1-F) от времени для сорбции ионов Cu2+: 1 - опока, 2 – мергель, 3 – торф

Для установления вклада химической реакции в процесс сорбции экспериментальные данные были аппроксимированы в моделях псевдо-первого и псевдо-второго порядка (таблица 1). Линейные формы этих моделей представлены уравнениями (1) и (2) соответственно.

 (1)

 (2)

где Ае и Аt – количество сорбированного металла на единицу массы сорбента в состоянии равновесия и в момент времени t, ммоль/г; k1 – константа скорости сорбции модели псевдо-первого порядка, мин-1; k2 – константа скорости сорбции модели псевдо-второго порядка, г/ммоль*мин.

Экспериментальные данные лучше всего аппроксимируются в форме уравнения кинетической кривой псевдо-второго порядка (2), следовательно, химическое взаимодействие также оказывает влияние на общую скорость процесса.

Таблица 1

Результаты обработки интегральных кинетических кривых сорбции ионов меди (II) моделями химической кинетики 

сорбент

модель псевдо-первого порядка

модель псевдо-второго порядка

k1

R2

k2

R2

опока

0.15

0.8835

12.56

0.9798

мергель

0.12

0.8347

68.03

0.9988

торф

0.37

0.9610

75.87

0.9979

Для опоки константа скорости осаждения ионов Cu2+ из раствора низкая, что связано, в первую очередь, с диффузией, обусловливающей проникновение сорбируемого вещества вглубь структуры сорбента. Мергель имеет более высокую константу скорости за счёт содержания в своей структуре карбонат-ионов. Из исследуемых сорбентов торф имеет самую высокую константу скорости осаждения, что объясняется наличием в его структуре различных функциональных групп и полимолекулярных ассоциатов.

Таким образом, процесс сорбции ионов меди (II) мергелем, опокой и торфом довольно сложен, включает в себя как диффузию, так и химическую составляющую.

Текст статьи
  1. Алосманов Р.М. Исследование кинетики сорбции ионов кобальта и никеля фосфорсодержащим катионитом [Текст] / Алосманов Р.М. // Сорбционные и хроматографические процессы. –  2010.  –  Т.10. Вып.3. – С. 427-432.
  2. Лозинская Е.Ф. Выбор природных сорбентов для очистки сточных вод от ионов меди (II) [Электронный ресурс] / Е.Ф. Лозинская, Т.Н. Митракова, Н.А. Жиляева. – Режим доступа: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/001-002.pdf
  3. Неудачина Л.К. Кинетика сорбции ионов тяжёлых металлов пиридилэтилированным аминопропилполисилоксаном / Л.К. Yеудачина, Ю.С. Петрова, А.С. Засухин, В.А. Осипова, Е.М. Горбунова, Т.Ю. Ларина // Fналитика и контроль. – 2011. – Т.15, № 1. – С. 87-95.
Список литературы
Ведется прием статей
Размещение электронной версии журнала
22 июня
Загрузка в eLibrary
22 июня
Рассылка печатных экземпляров
30 июня