научный журнал «Актуальные исследования» #30 (57), июль '21

Природные сорбенты для очистки питьевой воды от ионов железа

Представлены результаты исследований сорбционных свойств доломита и шунгита по отношению к ионам железа. Показана целесообразность практического использования таких природных материалов для извлечения ионов железа из воды питьевого назначения. Установлено, что необработанные природные шунгиты имеют по сравнению с доломитом более низкую адсорбционную емкость, значительное повышение которой достигается при термической обработке. Показано, что для удаления ионов железа из воды доломит без дополнительной обработки характеризуется достаточной сорбционной эффективностью, соизмеримой по аналогичным показателям термически модифицированного шунгита.

Аннотация статьи
кинетика сорбции
природные минеральные сорбенты
доломит
шунгит
сорбционные свойства
ионы железа
Ключевые слова

Применению природных минеральных сорбентов – карбонатных пород, высокодисперсных алюмосиликатов и кремнеземов, позволяющих обеспечить высокую эффективность очистки воды от нормируемых примесей ионов тяжелых металлов, посвящены работы [1–5] и других исследователей. Как показано в этих работах, основная практическая задача заключается в подборе местных материалов, имеющих невысокую стоимость, но достаточную степень очистки по отношению к извлекаемым из воды примесям. По химическому составу вода, используемая для питьевых целей, в каждом регионе имеет свои особенности, обусловленные природными факторами данной географической зоны.

В настоящей работе для исследований выбраны природные минеральные сорбенты доломит и шунгит. Их сорбционные характеристики изучены по отношению к ионам железа. Повышенное содержание ионов железа в воде, используемой для питьевых целей из подземных источников, характерно для многих регионов.

Природный доломит – осадочная карбонатная горная порода, преимущественно состоящая из породообразующего минерала класса карбонатов - доломита CaCO3·MgCO3. На основе природного доломита изготавливают фильтрующие материалы, которые обладают способностью корректировать рН очищаемой воды.

Шунгит – горная порода осадочного происхождения, по структуре представляющая собой природный углерод–углеродный композит и минералы (кварц, полевой шпат, алюмосиликаты, карбонаты, пириты). Шунгитовые породы различных месторождений подразделяются по содержанию шунгитового углерода и по составу минеральной основы (алюмосиликатной, силикатной, карбонатной). Особенностями шунгита являются химическая и каталитическая активность, возможность использования в процессах очистки и обезвреживания жидких и газообразных продуктов, бактерицидные свойства [6, 7].

Подготовка образцов к эксперименту включала измельчение дроблением, рассев по классам крупности ситовым методом. Для сорбции использовали фракцию с размером зерен 0,25-0,5 мм. Подготовленные по гранулометрическому составу природные образцы пород доломита и шунгита высушивались при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния. В дальнейшем образцы шунгитового материала подвергались термообработке при температуре 380 оС в течение 1 часа.

Эффективность использования данных сорбентов для очистки оценивали на модельных водных растворах, приготовленных на дистиллированной воде с содержанием ионов железа(III) различной концентрации, при соотношении твердой (Т) и жидкой (Ж) фаз 1:100. Сорбцию ионов железа изучали в статическом режиме при температуре 25 оС. Процесс сорбции проводили путем смешивания сорбента с исследуемой водой, выдерживая в течение заданного времени, отделения раствора от твердой фазы фильтрованием. Использовали растворы в интервале концентраций ионов железа от 0,5 до 4 мг/дм3. Для исследования кинетики процесса сорбции использовали модельные растворы с фиксированной концентрацией ионов железа 2 мг/дми 4 мг/дм3. Измерения рН растворов проводили с использованием иономера И-130М. Концентрацию ионов железа в растворе до и после сорбции определяли фотометрическим методом на фотоколориметре КФК-2МП по стандартным методикам при длине волны λ = 540 нм с использованием кюветы с толщиной поглощающего свет слоя 30 мм.

Степень извлечения ионов железа из модельных водных растворов α, %, и величину адсорбции Г, мг/г, рассчитывали по разности концентраций начальной Си остаточной (равновесной) Сравн в каждый данный момент времени по формулам

где Си Сравн – начальная и равновесная концентрации ионов железа, мг/дм3V – объем исследуемого раствора, дм3mсорбента – масса навески сорбента, г; Г – сорбционная емкость сорбента, мг/г.

Построенные зависимости изменения концентрации остаточного содержания ионов железа в растворе от продолжительности τ контакта раствора с сорбентом в координатах Сτ = f(τ) показали, что характер сорбционной активности доломита и шунгита идентичен. Наибольшие изменения в значениях остаточной концентрации ионов железа наблюдаются на начальных стадиях адсорбции в небольшом интервале первых 15 минут контакта раствора с сорбентами. Из кинетического эксперимента определено, что продолжительность адсорбции в течение 90 мин является достаточной для установления равновесия в системе. Дальнейшее увеличение продолжительности контакта раствора с сорбентами не приводит к существенному изменению концентрации определяемых ионов железа в растворе. В условиях выполненного эксперимента установлено, что природный шунгит по сравнению с доломитом имеет более низкую адсорбционную емкость по отношению к ионам железа. С учетом известных данных о термостойкости материала, в настоящей работе далее исследования проводили с образцом шунгита, термически обработанным при температуре 380 оС в течение 1 часа, что обеспечивает удаление гигроскопической и физически связанной воды из структуры минерала и способствует увеличению объема пор и удельной поверхности. Потеря массы образца шунгита в таком режиме термообработки составила 1,98 мас.%.

Изучение равновесия адсорбции ионов железа из растворов проводили в интервале концентраций 0,5 - 4 мг/дм3. Продолжительность адсорбции, необходимую для установления сорбционного равновесия между сорбентом и извлекаемыми ионами железа, выдерживали в течение 90 мин. В условиях установившегося равновесия в системе рассчитывали равновесную сорбционную емкость сорбента Гравн по иону железа. Для исследованных природных материалов было установлено, что содержание ионов железа в воде в рассматриваемом диапазоне исходных концентраций в результате сорбции термически модифицированным шунгитом снижается в 6,1 – 15,8 раз, тогда как для природного шунгита этот показатель определялся в пределах 2,6 – 7,3 раз. В опытах с природным доломитом снижение концентрации ионов железа в исследованном диапазоне исходных концентраций определяется значениями 3,7 – 14,6 раз, близкими по этому показателю термически модифицированному шунгиту. Степень извлечения ионов железа при использовании доломита и термически модифицированного шунгита составляла более 90 %, остаточная концентрация ионов железа не превышала установленные нормативы для состава питьевой воды (ПДКFe=0,3 мг/дм3) [8]. С использованием необработанного природного шунгита непревышение ПДК по содержанию ионов железа в растворе установлено при их содержании в очищаемой воде в пределах концентраций до 2 мг/дм3.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что доступные для многих регионов природные доломит и термически модифицированный шунгит по величине адсорбционной способности по отношению к ионам железа характеризуются близкими значениями и являются эффективными сорбентами.

Текст статьи
  1. Мильвит Н.В., Шашкова И.Л., Ратько А.И., Вечер В.А. Сорбционные свойства карбонатсодержащих трепелов // Журнал прикладной химии. 2007. Т. 80. № 11. С. 1819–1825.
  2. Свиридов А.В., Ганебных Е.В., Елизаров В.А. Алюмосиликатные сорбенты в технологиях очистки воды // Экология и промышленность России. 2009. № 11. С. 28–30.
  3. Рамазанов А. Ш., Есмаил Г. К., Свешникова Д. А. Кинетика и термодинамика сорбции ионов тяжелых металлов на монтмориллонит содержащей глине // Сорбционные и хроматографические процессы. 2015. Т. 15. № 5. С. 672–682.
  4. Кошелев А.В., Веденеева Н.В., Заматырина В.А., Тихомирова Е.И., Скиданов Е.В. Разработка технологии получения сорбентов на основе бентонитовых глин для систем очистки воды // Вода и экология: проблемы и решения. 2018. № 2 (74). С.32–39. DOI: 10.23968/2305–3488.2018.20.2.32–39.
  5. Кузьмина Р.И., Кондраова А.В. Динамика и кинетика процесса адсорбции ионов аммония на опоке // Химия и химическая технология. 2008. Т. 51. № 10. С.72–74.
  6. Мосин О.В. Новый природный минерал шунгит в водоподготовке // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2012. № 3. С. 26-36.
  7. Игнатов И., Мосин О.В. Состав и структурные свойства природного фуллеренсодержащего минерала шунгита. Математическая модель взаимодействия шунгита с молекулами воды // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. Выпуск 2. март-апрель : http://naukovedenie.ru
  8. СанПиН 2.1.4.1175-02. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников. – М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. – 32 с. (Издание официальное).
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 25 сентября по 01 октября
Осталось 5 дней до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
05 октября
Загрузка в eLibrary
05 октября
Рассылка печатных экземпляров
13 октября