Химия и химическая технология / Неорганическая химия

Иванова Е. С., д.п.н., к.х.н. Гавронская Ю. Ю.

РГПУ им А.И. Герцена, Санкт-Петербург, Россия

Структура и свойства сорбента на основе глины Боровичского месторождения

Эффективность масштабной сорбционной очистки сточных вод гальванических и металлообрабатывающих производств определяется не только активностью, но и экономической доступностью используемых сорбентов. Перспективным направлением является использование природных глин, которые обладают довольно высокими адсорбционными, ионообменными и фильтрационными свойствами, и в то же время повсеместно доступны, их запас практически неограничен, а стоимость невысока [1]. В зависимости от минералогического состава, степени кристалличности и условий подготовки глин их сорбционная емкость составляет ~ 0.1–0.4 ммоль/г [1-4]. В связи с этим в настоящей работе рассмотрены свойства и оценена сорбционная способность термически модифицированной глины Боровичского месторождения (г. Боровичи, Новгородская область, Россия).

В качестве исходного материала использовали красную глину состава (масс %): SiO₂ – 55.34, Al₂O₃ – 17.7, CaO – 4.53, Fe₂O₃ + TiO₂ – 7.29, MgO – 2.42, Na₂O + K₂O – 4.32. Для предварительной подготовки сорбента глинную массу формовали в гранулы диаметром около 4 мм. Формованные гранулы нативной глины при контакте с водой набухают и постепенно разрушаются, образуя суспензии с различной седиментационной устойчивостью, что становится препятствием для практического применения нативной формы глины в качестве сорбента из водно-солевых растворов. С целью получения механически-устойчивого сорбента сформированные гранулы подвергали дополнительной термической обработке при 250, 400, 500 и 650°С в течение 2 часов; по мере повышения температуры прокаливания изучались адсорбционные характеристики термообработанных глин. Термомодифицированные глины, в водных растворах длительное время сохраняющие форму гранулы, не загрязняют дисперсионную среду частицами каркаса.

Рис.1. Изотерма адсорбции паров воды на глине Боровичского месторождения Новгородской области, термомодифицированной при 650⁰С.

Для определения адсорбционных характеристик данного термомодифицированного глинистого сорбента (ТГС) была получена изотерма адсорбции паров воды (рис. 1), по которой установлены значения удельной поверхности S_уд ≈ 30 м²/г и объёма пор V_п ≈ 0.150 см³/г. Значение емкости монослоя a_m = 0.49 ± 0.02 ммоль/г, определенное по уравнению БЭТ [5], является ориентиром для ожидаемой предельной сорбции ионов из водных растворов.

В случае сорбции на ТГС из растворов солей никеля следует учитывать постепенное выщелачивание входящих в состав глины основных оксидов, ведущее к устойчивому увеличению рН и вероятность образования Ni(OH)₂, что ограничивает возможность уверенного определения ионообменной адсорбции Ni²⁺ на описываемых сорбентах областью рН < 7. Это обуславливает выбор начальных значений показателя кислотности водных растворов при изучении сорбции никеля на ТГС (pH ≈ 2).

С целью определения необходимого времени контакта сорбента с очищаемым раствором (раствором адсорбтива) изучены кинетические зависимости сорбции ионов Ni²⁺ на ТГС в широком диапазоне концентраций растворов (с = 10^-5÷10^-2) при различных массовых соотношениях Т:Ж (1:2000–1:5) в статических условиях. Было выявлено [6], что достаточное для достижения адсорбционного равновесия время контакта сорбента с раствором составляет 24 часа, а соотношение Т:Ж = 1:700 является оптимальным, при котором значения максимальной адсорбции оказываются наиболее высокими во всём диапазоне исследованных концентраций.

Рис.2. Изотерма адсорбции Q ионов Ni²⁺ из водных растворов на ТГС Боровичского месторождения при соотношении Т:Ж = 1:700.

Зависимость величины адсорбции ионов Ni²⁺ на ТГС от концентрации (рис. 2) описывается изотермой I типа. Линеаризация в координатах уравнения Лэнгмюра [2] даёт значение предельной адсорбции ионов Ni²⁺ 0.25 ммоль/г (0.5 ммоль-экв/г), что хорошо соотносится со значением ёмкости монослоя, полученным по изотерме адсорбции паров воды. Очевидно, что адсорбционные центры ТГС, доступные для паров воды, оказываются столь же доступными для ионов никеля при адсорбции из раствора. Полученное значение предельной сорбции позволяет рассматривать термомодифицированную глину Боровичского месторождения Новгородской области в качестве перспективного сорбента ионов тяжелых металлов.

Литература:

1. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах. Киев: «Наукова думка», 1975. – 351 с.

2. Путилина В. С. Адсорбция тяжелых металлов почвами и горными породами. Характеристики сорбента, условия, параметры и механизмы адсорбции: аналит. обзор / В. С. Путилина, И. В. Галицкая, Т. И. Юганова / Новосибирск: ГПНТБ СО РАН, 2009. 155 с. (Сер. Экология. Вып. 90).

3. Fu Fenglian Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review / Fenglian Fu, Qi Wang // Journal of Environmental Management, 2011. V. 92. P. 407-418.

4. Кац Э.М., Никашина В.А., Бычкова Я.В. Сорбция тяжелых металлов Ni, Cd, Cr, Zn, Cu из поверхностной воды на природном и модифицированном клиноптилолитах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2013. Т.13. Вып. 6. С. 808 – 815.

5. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М: Мир, 1984. – 310 с.

6. Иванова Е.С., Гавронская Ю.Ю., Стожаров В.М., Пак В.Н. Взаимосвязь состава, структуры и сорбционных свойств природных алюмосиликатов // Журнал общей химии. 2014. Т. 84. № 2. С. 185-188.