Химия и химические технологии/Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

к.х.н. Никифорова Т.Е., Одинцова Л.С.

Ивановский государственный химико-технологический университет, Россия

Сорбция ионов никеля (II) льняным волокном

Разработка новых эффективных сорбентов и сорбционных технологий на их основе для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов различной природы является актуальной задачей. Целлюлозосодержащие сорбенты широко используются в медицине, фармацевтической и пищевой промышленности при создании лекарственных препаратов пролонгированного действия, полимерных материалов различного функционального назначения и БАД. Биосорбенты полисахаридной природы вызывают особый интерес, поскольку они представляют собой вторичные ресурсы агропромышленного комплекса и образуются в процессе переработки возобновляемого сырья - древесины, льна, хлопка [1, 2]. Относительно неплохие равновесно – кинетические характеристики, а также низкая стоимость позволяют рассматривать их в качестве перспективных сорбентов при очистке водных сред различной природы.

Целью настоящей работы явилось установление закономерностей распределения ионов Ni(II) в гетерофазной системе водный раствор NiSO₄ – льняное волокно.

Важным вопросом является вопрос о механизме сорбции ионов металлов целлюлозными сорбентами [3-5]. Существуют разные точки зрения: ионный обмен на -СООН группах, комплексообразование за счет взаимодействия с группами -ОН, а также с участием всех атомов кислорода элементарного звена целлюлозы [3, 4]. На наш взгляд, наиболее обоснованным является объяснение механизма сорбции с участием СООН- групп целлюлозных сорбентов. Наличие СООН- групп в льняном волокне может быть обусловлено присутствием пектиновых веществ. Кроме того, карбоксильные группы могут образовываться в льняном волокне в процессах его очистки при 1, 2, 3 и 6 атомах углерода пиранозного цикла в качестве концевых и боковых групп. Величина карбоксильной кислотности сорбента, определенная методом потенциометрического титрования, составила 0,54 мэкв/г, что свидетельствует о недостаточно высоких сорбционных возможностях льняного волокна как катионообменника.

При выборе сорбента и условий сорбции важную роль играют равновесно-кинетические характеристики [6]. В кинетическом эксперименте в статических условиях при перемешивании было установлено, что процесс сорбции происходит в течение 5 мин. Быстрое время установления равновесия обусловлено сравнительно высокоразвитой поверхностью сорбента со значительной долей аморфной структуры и высокой гидрофильностью полисахаридных звеньев.

Для оценки сорбционной способности льняного волокна были проведены исследования на приборе Quantochrome NOVA 1200e, которые по адсорбции азота позволили определить величину удельной поверхности сорбента, средний диаметр пор и общий объем пор. Установлено, что удельная поверхность сорбента достигает 15,9 м²/г, Сравнивая полученное значение удельной поверхности льняного волокна с удельной поверхностью ряда других целлюлозосодержащих материалов (солома пшеницы – 10 м²/г, шелуха гречихи – 11 м²/г, лузга подсолнечника – 20 м²/г) [2], можно заключить, что изучаемый биополимер обладает довольно развитой для целлюлозосодержащих материалов поверхностью. Это свидетельствует о перспективности использования льняного волокна для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов различной природы, в том числе, пищевых систем, а также в качестве энтеросорбента и пищевых добавок.

Для определения предельной сорбционной емкости сорбента были получены изотермы сорбции Ni(II) из водных растворов сульфата металла при 293°К. При описании экспериментальных изотерм для ионов тяжелых металлов целлюлозными сорбентами наиболее часто в литературе используют модель сорбции Лэнгмюра [3, 7]. Предельная сорбция льняного волокна по отношению к ионам никеля, полученная по модели Лэнгмюра, составила 0,6 моль/кг. С учетом этой величины была рассчитана поверхность сорбента, которая при условии, что катион металла сорбируется вместе с двумя молекулами воды, составляет 163,5 м²/г. Это значительно превышает величину поверхности льняного волокна в сухом состоянии. Однако поверхность целлюлозы в набухшем состоянии, согласно литературным данным [8], может достигать 200 м²/г. Таким образом, расчетная величина поверхности льняного волокна не превышает величины поверхности набухшей целлюлозы.

В настоящей работе для описания изотермы сорбции ионов никеля льняным волокном были использованы также модели сорбции Фрейндлиха и ТОЗМ. Эти модели хорошо (с коэффициентом корреляции 0,99-0,98) описывают процесс, однако модель Фрейндлиха не позволяет получить значение предельной сорбционной емкости сорбента. При сравнении результатов обработки экспериментальных изотерм по моделям Лэнгмюра и ТОЗМ видно, что значение предельной сорбции ионов металла, определенное по модели ТОЗМ, в несколько раз выше. Как свидетельствуют литературные данные [9], предельная сорбционная емкость немодифицированных целлюлозных сорбентов не превышает 1 моль/кг. Это согласуется с данными, полученными в результате обработки изотерм с привлечением модели адсорбции Лэнгмюра, а также с содержанием карбоксильных групп в сорбенте.

Литература:

1. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Багровская Н.А., Родионова М.В. // Химия растительного сырья. 2007. № 1. С. 69-73.

2. Ставицкая С.С., Миронюк Т.И., Картель Н.Т., Стрелко В.В. // Журн. Прикл. Химии. 2001. Т. 74. № 4. С. 575-578.

3. Никифорова Т.Е., Багровская Н.А., Козлов В.А., Лилин С.А. // Химия растительного сырья. 2009. №1. С. 5-14.

4. Багровская Н.А., Никифорова Т.Е., Козлов В.А. Влияние кислотности среды на равновесную сорбцию ионов Zn(II) и Cd(II) полимерами на основе целлюлозы / ЖОХ. 2002. Т. 72. Вып. 3. С.373-376.

5. Никитина Т.В. Очистка вод от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов сорбентами на основе отходов волокнистых материалов и графита: Автореф. дисс. … канд. хим. наук. Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета, 2011. 16 с.

6. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия, 1983. 295 с.

7. Никифорова Т.Е., Козлов В.А. / Физикохимия поверхности и защита материалов. 2011. Т. 47. №1. С. 23-27.

8. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.-Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1962. 712 с.

9. Целлюлоза и ее производные. Под ред. Н. Байклза и Л. Сегала. Перевод с англ. Под ред. доктора техн. наук З.А. Роговина. Т. 2. М.: Мир, 1974. – 510 с.