Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА АДСОРБЦИИ ОРТО-ФЕНИЛЕНДИАМИНА НА БЕНТОНИТАХ В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Тихомирова Е.И. 1 Истрашкина М.В. 1 Атаманова О.В. 1 Косарев А.В. 1 Кошелев А.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина»
Настоящая статья посвящена исследованию механизма адсорбции органических соединений (на примере о-фенилендиамина) на монтмориллонитах с различной модификацией. В качестве адсорбентов рассмотрены немодифицированный бентонит; бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками; бентонит, модифицированный глицерином и углеродными нанотрубками. Экспериментально получены значения равновесной концентрации Сp исследуемых веществ в растворе при разных значениях их начальной концентрации. Построены изотермы сорбции С = f(Г) о-фенилендиамина на разных вариантах модифицированного бентонита в статических условиях. Установлены значения статической обменной емкости (СОЕ) для адсорбции органических веществ на исследуемых сорбентах (Т = 20 °С). Найдены значения коэффициента межфазного распределения Kd о-фенилендиамина между фазой сорбента и водной фазой, а также степень адсорбционного извлечения S загрязнителя на изучаемых сорбентах. Результаты исследований позволили установить характеристики эффективности изучаемых сорбентов по отношению к о-фенилендиамину, а также механизм адсорбции.
органические соединения
о-фенилендиамин
бентонит
статическая обменная емкость
коэффициент межфазного распределения
степень адсорбционного извлечения
1. Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах: Справочник / Я.М. Грушко. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1982. – 216 с.
2. Карманов А.П. Технология очистки сточных вод. Учебное пособие / А.П. Карманов, И.Н. Полина. – Сыктывкар: СЛИ, 2015. – 207 с.
3. Истрашкина М.В. Особенности адсорбции ароматических аминосоединений на различных вариантах модифицированного бентонита / М.В. Истрашкина, О.В. Атаманова, Е.И. Тихомирова // Известия Самарского научного центра РАН. – 2016. – Т. 18, № 2(2). – С. 381–384.
4. Жолнин А.В. Общая химия: учебник / Под ред. В.А. Попкова, А.В. Жолнина. – М.: ГЕОТАР-Медиа, 2012. – 399 с.
5. Белов П.С. Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа: учеб.для вузов / П.С. Белов, И.А. Голубева, С.А. Низова. – М.: Химия, 1991. – 256 с.
6. Бобырев С.В. Моделирование процесса адсорбции аминов на модифицированном бентоните в системе очистки сточных вод / С.В. Бобырев, М.В. Истрашкина, А.В. Косарев, О.В. Атаманова, Е.И. Тихомирова, А.Л. Подольский // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. – Бишкек, 2016. – Т. 16, № 5. – С. 127–131.
7. Калюкова Е.Н. Адсорбция катионов марганца и железа природными сорбентами / Е.Н. Калюкова, В.Т. Письменко, Н.Н. Иванская // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2010. – Т. 10. – Вып. 2. – С. 194–200.
8. Kosarev A.V. Adsorption efficiency for adsorption of a series of oligomer resins on reinforcing yarns / A.V. Kosarev, V.N. Stoudentsov, D.K. Budyak // Fibre Chemistry. – 2014. – Vol. 45, № 6, March. – P. 372–375.
9. Alekseeva A.A. The use of leaves of different tree species as a sorption material for extraction of heavy metal ions from aqueous media / A.A. Alekseeva, D.D. Fazullin, D.A. Kharlyamov, G.V. Mavrin, S.V. Stepanova, I.G. Shaikiev, A.S. Shaimardanova // International Journal оf Pharmacy & Technology. – 2016. – Vol. 8. – № 2. – P. 14375–14391.
10. Зеленцов В.И. Применение адсорбционных моделей для описания равновесия в системе оксигидроксид алюминия – фтор / В.И. Зеленцов, Т.Я. Дацко // Электронная обработка материалов. – 2012. – № 48(6). – С. 65–73.

Промышленные сточные воды современных производственных предприятий отличаются содержанием в них значительного количества органических соединений, таких как нефтепродукты, фенолы, ароматические углеводороды, масла, смолы, аминопродукты и многие другие [1]. Состав органических загрязнителей в сточных водах разных предприятий весьма различен и колеблется в широких пределах даже на предприятиях и цехах одного и того же производственного профиля [2].

Особого внимания заслуживают предприятия различных отраслей органического синтеза, таких как производство красителей, агротехнологические производства (фунгицидов, ветеринарных антигельминтных препаратов и др.), предприятия по производству ингибиторов коррозии, металлургические предприятия, заводы по производству полимеров. Указанные производства способствуют попаданию в сточные воды такого сильного токсиканта, как орто-фенилендиамин.

Для очистки стоков от о-фенилендиамина было предложено использование адсорбционных фильтров с бентонитовыми загрузками, включающими бентониты различных модификаций [3]. Для установления наиболее предпочтительных вариантов модификаций бентонита по отношению к о-фенилендиамину необходимо было экспериментально проверить эффективность адсорбции органических катионов на нескольких модифицированных сорбентах в статических условиях.

Материалы и методы исследования

Лабораторные исследования сорбционных характеристик бентонитов по отношению к о-фенилендиамину выполнялись на следующих сорбентах: немодифицированном гранулированном бентоните; бентоните, модифицированном углеродными нанотрубками; бентоните, модифицированном глицерином и углеродными нанотрубками.

В процессе проведения лабораторного эксперимента навеску, содержащую 10–100 мкг 1,2-фенилендиамина, растворяли в 0,5 мл концентрированной Н2S04 и разбавляли водой до объема 2 мл. После охлаждения осторожно добавляли 2 мл 6,5 н раствора NaОН и 1 мл 2 %-ного раствора ацетилацетона. Красный раствор через 3 мин фотометрировали при 560 нм [4].

Оценка параметров эффективности сорбции проводилась путем установления равновесных концентраций Ср о-фенилендиамина. В каждом эксперименте равновесная концентрация о-фенилендиамина определялась по установившимся значениям концентрации загрязнителя во времени.

Величина адсорбции определялась по зависимости

tih01.wmf (1)

где С0i – исходная концентрация органического вещества в растворе, Сpi – равновесная концентрация органического вещества в растворе (мг/л); V – объем раствора (л); m – масса навески бентонита (г).

Значения статической обменной емкости СОЕ (мг-экв/г) в соответствии с литературой [5] определялись, как tih02.wmf где величина Г – предельное значение величины адсорбции (мг-экв/г) [6].

Коэффициент межфазного распределения Kd (мг/л) о-фенилендиамина между фазой сорбента и водной фазой определялся по формуле [7]:

tih03.wmf. (2)

Решая совместно выражения (1) и (2), получили зависимость, использованную для расчета коэффициента межфазного распределения:

tih04.wmf (3)

Для расчета степени адсорбционного извлечения использовалась формула [7, 8]:

tih05.wmf (4)

Для изучения особенностей взаимодействия катионов о-фенилендиамина с изучаемыми сорбентами были выбраны три подхода, а именно изотермы Ленгмюра, Фрейндлиха и Бронауэра-Эммета-Тейлера (изотермы БЭТ) [9]. По результатам расчетов были построены изотермы адсорбции, отвечающие требованиям каждой из этих моделей.

Результаты исследования и их обсуждение

Установленные экспериментально значения равновесной концентрации Сp о-фенилендиамина в растворе при разных значениях его начальной концентрации приведены в табл. 1.

Общая изотерма адсорбции о-фенилендиамина представлена на графике (рис. 1).

Значения СОЕ при адсорбции о-фенилендиаминана исследуемых немодифицированном и модифицированных бентонитах приведены в табл. 2.

Значения Kd для адсорбции о-фенилендиамина на изучаемых сорбентах приведены в табл. 3.

Значения степени адсорбционного извлечения S для адсорбции о-фенилендиаминана изучаемых сорбентах приведены в табл. 4.

Характеристики эффективности изучаемых сорбентов по отношению к о-фенилендиамину, приведенные в табл. 2–4, свидетельствуют о том, что наибольшей эффективностью по отношению к исследуемому токсиканту обладает бентонит, модифицированный нанотрубками.

При дальнейшем теоретическом анализе механизма адсорбции о-фенилендиамина на изучаемых сорбентах в статических условиях были построены изотермы адсорбции типа Г = f(Cp).

Для изучения особенностей взаимодействия катионов о-фенилендиамина с изучаемыми сорбентами построены изотермы адсорбции о-фенилендиамина на бентоните с углеродными нанотрубками, как наиболее эффективном из рассматриваемых сорбентов. Таким образом, изотерма адсорбции о-фенилендиамина на бентоните, модифицированном углеродными нанотрубками, в линеаризованной по Ленгмюру форме приведена на рис. 3. Изотерма адсорбции о-фенилендиамина на бентоните, модифицированном углеродными нанотрубками, линеаризованная по Фрейндлиху, показана на рис. 4.

Таблица 1

Значения исходной концентрации (С0) и величины адсорбции (Г) о-фенилендиамина

С0, мг/л

0

20

30

40

50

100

200

400

600

800

1000

1500

2000

2500

3000

Г, мг/г

Немодифицир. бентонит

0

0,44

0,53

0,67

0,88

0,99

0,99

2,34

2,34

7,23

9,84

13,87

21,02

22,17

22,1

Бентонит, модифицир.

углеродными нанотрубками

0

0,5

0,74

0,92

0,99

1,2

1,2

5,16

5,16

13,5

18,1

30,4

41,85

51,62

51,31

Бентонит, модифицир. глицерином и углеродными нанотрубками

0

0,48

0,67

0,86

1,01

1,04

1,04

3,34

3,34

8,96

11,58

24,9

31,35

37,94

38,43

 

Таблица 2

Значения СОЕ при адсорбции о-фенилендиамина на исследуемых сорбентах (Т = 20 °С)

Органическое вещество

Вид модификации бентонита

tih06.wmf,

мг-экв/г

s2

σ

ΔCOE,

мг-экв/г

tih07.wmf,

мг-экв/г

tihomT1.tif

Немодифицированный бентонит

22,10

0,180

0,424

± 1,05

22,10 ± 1,085

Бентонит, модифицир. углеродными нанотрубками

51,310

0,108

0,328

± 0,815

51,310 ± 0,815

Бентонит, модифицир. глицерином и углеродными нанотрубками

38,430

0,103

0,321

± 0,755

38,430 ± 0,755

 

Таблица 3

Значения Kd для адсорбции о-толуидина и о-фенилендиамина на изучаемых сорбентах (Т = 20 °С)

Органическое вещество

Вид модификации бентонита

tih08.wmf,

мг/л

s2

σ

ΔKd , мг/л

tih09.wmf,

мг /л

tihomT2.tif

Немодифицированный бентонит

0,01

3,3·10-7

5,8·10-4

± 0,001

0,01 ± 0,001

Бентонит, модифицир. углеродными нанотрубками

0,048

3·10-6

1,7·10-4

± 0,004

0,048 ± 0,004

Бентонит, модифицир. глицерином и углеродными нанотрубками

0,025

3·10-7

5,8·10-4

± 0,001

0,025 ± 0,001

 

tihom1.tif

Рис. 1. Изотермы сорбции о-фенилендиамина на разных вариантах модифицированного бентонита в статических условиях

tihom2.tif

Рис. 2. Изотермы адсорбции Г = f(Cp) о-фенилендиамина на изучаемых сорбентах

По аналогии с графиками на рис. 3 и 4 были построены графики изотерм адсорбции о-фенилендиамина, линеаризованные по Ленгмюру и Фрейндлиху для других изучаемых видов модификации бентонита. Построение изотерм адсорбции о-фенилендиамина, линеаризованных в соответствии с моделью Бронауэра – Эммета – Тейлера (БЭТ) показало, что использование данной модели неприменимо к текущим процессам, поскольку величина аппроксимации полученных экспериментальных данных по отношению к линеаризованной по БЭТ-форме модели не превышала R2 = 0,06.

Сравнение построенных моделей, исходя из величины аппроксимации каждой из них [10], позволяет утверждать, что механизмы адсорбции о-фенилендиаминана на всех изучаемых сорбентах более всего отвечают модели Фрейндлиха (см. табл. 5).

Таблица 4

Значения СОЕ для адсорбции о-фенилендиамина на изучаемых сорбентах (Т = 20 °С)

Органическое вещество

Вид модификации бентонита

tih10.wmf, %

s2

σ

ΔS, %

tih11.wmf, %

tihomT3.tif

Немодифицированный бентонит

27,625

0,445

0,674

± 1,67

27,625 ± 1,67

Бентонит, модифицир. углеродными нанотрубками

64,14

0,500

0,707

± 1,757

64,14 ± 1,757

Бентонит, модифицир. глицерином и углеродными нанотрубками

47,92

0,053

0,23

± 0,572

47,92 ± 0,572

 

Таблица 5

Параметры моделей адсорбции o-фенилендиамина на изучаемых сорбентах

Изотерма Ленгмюра

Адсорбент

уравнение

KL, л/мг

Г, мг/г

R2

Бентонит, модифицированный глицерином и углеродными нанотрубками

tih12.wmf

0,073

3,425

0,768

Бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками

tih13.wmf

0,138

3,717

0,748

Немодифицированный бентонит

tih14.wmf

0,046

2,660

0,709

Изотерма Фрейндлиха

Адсорбент

уравнение

KF, (мг/г)·(л/мг)1/n

n

R2

Бентонит, модифицированный глицерином и углеродными нанотрубками

tih15.wmf

5,689

1,475

0,866

Бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками

tih16.wmf

3,873

1,412

0,837

Немодифицированный бентонит

tih17.wmf

9,550

1,488

0,899

 

tihom3.tif

Рис. 3. Изотерма адсорбции о-фенилендиамина на бентоните, модифицированном углеродными нанотрубками, в линеаризованной по Ленгмюру форме

tihom4.tif

Рис. 4. Изотерма адсорбции о-фенилендиамина на бентоните, модифицированном углеродными нанотрубками, в линеаризованной по Фрейндлиху форме

Выводы

1. Преобладание модели Фрейндлиха в случае адсорбции о-фенилендиамина на указанных немодифицированном и модифицированных бентонитах свидетельствует о том, что преимущественно формируются смешанные слои «адсорбент – адсорбат».

2. Бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками, при адсорбции указанного ароматического амина в наилучшей степени формирует смешанные слои адсорбент – адсорбат, что объясняется высоким взаимодействием его адсорбционных центров с указанным адсорбатом.

3. Добавка глицерина к бентониту, модифицированному углеродными нанотрубками, несколько снижает эффективность взаимодействия адсорбата с алюмосиликатом и нанотрубками, что может объясняться собственной адсорбцией глицерина на компонентах адсорбента и сокращением количества адсорбционных центров.

Описанные исследования проводились в рамках Госзадания Минобрнауки РФ на выполнение НИР «Разработка экологически чистых энергосберегающих технологий комплексной очистки вод, загрязненных в результате природных и техногенных чрезвычайных ситуаций, для станций локальной водоподготовки в проблемных регионах Российской Федерации» (Проект 5.3922. 2017/ПЧ).


Библиографическая ссылка

Тихомирова Е.И., Истрашкина М.В., Атаманова О.В., Косарев А.В., Кошелев А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА АДСОРБЦИИ ОРТО-ФЕНИЛЕНДИАМИНА НА БЕНТОНИТАХ В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ // Фундаментальные исследования. – 2018. – № 1. – С. 18-23;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=42042 (дата обращения: 07.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074