К.х.н. Хромышева Е.А., к.т.н. Хромышев В.А., Панасенко А.И.

Мелитопольский государственный педагогический университет имени Богдана Хмельницкого, Украина

Адсорбционная очистка питьевой воды каолинитом от ионов Fe³⁺

Проблема очистки питьевых вод от ионов тяжелых металлов, в последнее время приобрела особую актуальность. Однако существующие методы, в большинстве случаев или очень дорогостоящие, или не позволяющие обеспечить достаточно глубокую очистку.

Несовершенство методов очистки питьевой воды значительно ухудшает ее санитарно-гигиенические показатели. Недостаточно, по нашему мнению, уделяется внимание очистке питьевой воды от ионов тяжелых металлов природными сорбентами, добываемыми на территории Украины. Одним из наиболее перспективных адсорбентов для очистки питьевой воды могут быть каолиниты. Хорошие адсорбционные характеристики, дешевизна и доступность делают применение каолинитов привлекательным для очистки питьевой воды от ионов тяжелых металлов.

Объект исследования. Процесс адсорбции ионов тяжелых металлов из питьевой воды на границе раздела фаз раствор – твердое тело.

Предмет исследования. Адсорбционная очистка питьевой воды от ионов железа Fe³⁺с помощью каолинита.

Цель исследования. Определение эффективности применения каолинитов для адсорбционной очистки питьевой воды от ионов тяжелых металлов.

Для исследования использовали модельные растворы с содержанием ионов железа Fe³⁺ до 0,5 мг/л. Опыты проводились при температуре 18-20°С, за исключением специально оговоренных случаев. Повторов в каждой точке не менее трех.

В качестве адсорбента использовали глинистый минерал – каолинит, химический состав которого Al₄[Si₄,O₁₀](O H)₈ (39,5% Al₂O₃, 46,5% Si O₂ и 14% H₂O).

Опыты по определению величины адсорбции проводили следующим образом. В 6 стеклянных колб емкостью 100 мл, содержащих по 50 мл модельного раствора, вводили от 0,1 до 0,50 мг/л адсорбента, закрывали колбы хорошо притертой стеклянной пробкой и встряхивали в течение 0,5 часа до установления равновесия на аппарате для встряхивания АВС-6с. Затем содержимое центрифугировали на лабораторной центрифуге типа ЦЛС-3 при 50 об/с. Раствор отделенный от адсорбента анализировали на содержание в нем ионов Fe³⁺ по стандартной методике с аммоний роданидом и рассчитывали разность его содержания в растворе до и после адсорбции. Экспериментально установлено, что оптимальная доза адсорбента составляет 0,3 мг/л при исходной концентрации ионов железа Fe³⁺ 0,5 мг/л.

Величину адсорбции рассчитывали по уравнению где V – объем раствора, из которого происходила адсорбция, л; m – масса адсорбента, мг. Исследования, которые были поставлены с целью выявления механизма адсорбции Fe³⁺на каолините, показали, что изотерма адсорбции соответствует уравнению Ленгмюра и относятся к L-типу (рис.1), что соответствует мономолекулярной адсорбции, описанной уравнением Ленгмюра. Соответствие уравнения адсорбции, характеру экспериментальной зависимости осуществляли, используя метод линеаризации, т.е. приводили уравнение к виду уравнения прямой и строили зависимость в соответствующих координатах. В том случае, если в соответствующих координатах изотерму или участок изотермы, можно было представить прямой линией - применение теории, а следовательно и уравнение возможно.

Уравнение Ленгмюра

Такое поведение изотермы обусловлено пористой структурой адсорбента.

Исследования показали, что максимальная адсорбция (80%) наступает при дозе каолинита 0,3 мг/л, дальнейшее увеличение содержания адсорбента не приводит к повышению степени очистки воды от ионов Fe³⁺ (рис.1).

Рис. 1. Изотерма адсорбции ионов Fe³⁺ (концентрация 0,5 мг/л) на каолините.

Исследования, направленные на выяснение влияния температуры раствора на степень адсорбционной очистки сточной воды от ионов Fe³⁺ показали, что увеличение температуры раствора от 10 до 60°С, при концентрации каолинита 0,3 мг/л, повышает степень очистки воды от ионов Fe³⁺ до 85% (концентрация 0,5 мг/л) при температуре 30°С. Дальнейшее повышение температуры не приводит к увеличению степени очистки воды от ионов Fe³⁺ (рис. 2), а при 50°С происходит снижение степени адсорбции. Это связано по нашему мнению с тем, при повышении температуры возрастает интенсивность молекулярно-теплового движения, что затрудняет фиксацию молекул на поверхности раздела фаз.

Рис. 2. Зависимость степени адсорбции ионов Fe³⁺ (концентрация 0,5 мг/л) на каолините от температуры.

Экспериментально установлено, что наибольшая степень выделения извлечения ионов ионов Fe³⁺ наблюдается в щелочных (рН=9) средах, которая зависит от формы нахождения веществ в растворе. При этом степень выделения з ионов Fe³⁺ повышается в среднем на 10%.

Таким образом, экспериментально доказана возможность применения каолинитов для удаления ионов тяжелых металлов из питьевой воды. Установлен характер адсорбции ионов Fe³⁺на границе раздела фаз раствор – твердое тело, определена эффективная доза адсорбента, оптимальная температура процесса и диапазон значений рН.