bbk 000000

УДК 628.162.1

Филатова Е. Г., Дударев В. И., Сырых Ю. С., Нгуен Туан Ань

Извлечение ионов железа (II) из водных растворов углеродными сорбентами

Аннотация

Исследована поглощающая способность углеродных сорбентов марки ИПИ-Т по отношению к ионам железа (II). Сорбенты на основе карбонизованных полимерных материалов устойчивы к агрессивным средам, имеют развитую удельную поверхность, недороги. Получены изотермы адсорбции в статических условиях при температуре 298 К. Изотерма адсорбции удовлетворительно описывается уравнением Ленгмюра. Результаты исследований показали, что углеродные сорбенты марки ИПИ-Т способны сорбировать ионы железа (II), при этом сорбционная емкость составляет 0,24 моль/г. Изучена кинетика процесса, определены термодинамические параметры сорбции. Сорбционный метод очистки с применением сорбентов марки ИПИ-Т может быть экономически оправдан. Углеродные сорбенты перспективны для селективного извлечения ионов железа (II) из производственных сточных вод.

Ключевые слова

природные и сточные воды , ионы железа , углеродный сорбент , поглощающая способность , сорбционная емкость

Скачать статью в журнальной верстке PDF

В природных водах содержание железа колеблется от 0,01 до 26 мг/л. В то же время для некоторых производств (например, при производстве капрона, нейлона, целлофана, полупроводников, в электронике и др.) содержание соединений железа в технологической и оборотной воде не должно превышать 0,05 мг/л, т. е. требуется глубокая очистка воды от соединений железа. При этом используют аэрацию, реагентные методы, электродиализ, обратный осмос и адсорбцию [1].

Целью исследовательской работы авторов было изучение поглощающей способности углеродных сорбентов марки ИПИ-Т по отношению к ионам железа (II). Сорбенты на основе карбонизованных полимерных материалов устойчивы к агрессивным средам, имеют развитую удельную поверхность, недороги.

Изучение адсорбционной способности сорбента по отношению к ионам железа (II) проводили с помощью изотерм и кинетических кривых адсорбции. Использовались методы переменных навесок и концентраций, объемов, а также их комбинации. Адсорбцию из растворов выполняли в статических условиях. Кинетическими опытами в статических условиях определяли время установления равновесия в системе «углеродный адсорбент – раствор соли металла». Метод изучения адсорбции из растворов сводился к определению концентрации исходного раствора, для чего навески адсорбента с раствором встряхивались в течение времени, требуемого для установления адсорбционного равновесия, затем определялась концентрация вещества, оставшегося неадсорбированным. Статистическая адсорбционная емкость адсорбента А, мг/г, вычисляется по формуле:

где с_и, с_к – исходная и конечная концентрации металла в растворе, мг/л; V – объем раствора, л; m – масса навески адсорбента, г.

В качестве адсорбатов использовались модельные водные растворы соли FeSO₄·7H₂O категории «хч». Концентрации катионов Fe²⁺ контролировались стандартным перманганатометрическим методом количественного анализа [2].

Углеродные адсорбенты марки ИПИ-Т представляют собой черные гранулы неправильной формы со средним размером частиц 2–5 мм. Технические характеристики адсорбентов представлены в табл. 1.

Анализ полученных изотерм адсорбции показал, что процесс сорбции протекает неоднозначно, в начальный период времени изотерма имеет S-образную форму, что свидетельствует о некоторых сложностях протекания адсорбционного процесса (рис. 1). Вероятно, это связано с внутридиффузионными процессами в самих гранулах адсорбента. При длительном времени протекания процесса изотерма приобретает классическую форму, соответствующую стандартному ионно-обменному характеру сорбции.

В настоящее время единое уравнение для описания адсорбции из растворов отсутствует. Для обработки экспериментальных данных, соответствующих средней части изотермы адсорбции, широко используется уравнение Фрейндлиха:

А = kc^1/n,

где А – величина адсорбции, моль/г; c – равновесная концентрация раствора, моль/л; k, 1/n – постоянные.

Константа k представляет собой значение адсорбции при концентрации адсорбата c = 1 моль/л. Показатель 1/n является правильной дробью и характеризует степень приближения изотермы адсорбции к прямой. При изучении адсорбции из растворов этот показатель принимается постоянным и составляет 0,1–0,8. Постоянные уравнения Фрейндлиха были определены графически (рис. 2), представив уравнение Фрейндлиха в логарифмических координатах в виде прямолинейной зависимости lgA = lgk + 1/n·lgc.

Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен lgk, а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен 1/n. В табл. 2 представлены значения констант Фрейндлиха при температуре 298 К. Полученные результаты свидетельствуют о том, что после двух часов сорбции константы k и n остаются неизменными.

В целом изотерма адсорбции описывается уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра, которое адекватно для описания процесса достижения предельного значения сорбции:

где А – текущая величина адсорбции, моль/г; A_∞ – предельная величина адсорбции, моль/г; K– константа адсорбционного равновесия; c – концентрация раствора, моль/л.

Поделив единицу на левую и правую часть выражения, получим уравнение прямой линии в координатах 1/А = f (1/c):

Это выражение позволяет графическим способом найти постоянные А_∞ и Kв уравнении Ленгмюра (рис. 3). Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен 1/А_∞. По тангенсу угла наклона прямой находили константу адсорбционного равновесия K:

При температуре 298 К получены следующие значения постоянных: A = 0,24 моль/г; K = 6,94.

Результаты, полученные по уравнению Ленгмюра, свидетельствуют о том, что сорбция имеет довольно существенное значение: сорбционная емкость составляет 0,24 моль/г. Энергию Гиббса ∆G определили по формуле:

–∆G = RT lnK,

где R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); Т – температура реакции, К.

При 298 К энергия Гиббса ∆G = –4,8 кДж. Отрицательное значение энергии определяет самопроизвольность протекания процесса извлечения ионов железа.

В результате сорбции значение рН уменьшается: вероятно, при сорбции идет ионообменный процесс Fe²⁺ с ионами водорода. В связи с этим механизм сорбционного процесса можно представить как ионообменный:

2R – H + Fe²⁺ = RFe + 2H⁺.

Исходя из этого, константа равновесия будет выражаться уравнением:

Из уравнения видно, что на процесс сорбции значительное влияние оказывает концентрация ионов водорода в растворе.

Выводы

Полученные в процессе исследований изотермы адсорбции (в статических условиях при температуре 298 К) удовлетворительно описываются уравнением Ленгмюра. Результаты испытаний показали, что углеродные сорбенты марки ИПИ-Т способны сорбировать ионы железа (II), содержащиеся в природных и сточных водах. При этом сорбционная емкость составляет 0,24 моль/г. При изучении кинетики процесса и определении термодинамических параметров сорбции доказано, что сорбционный метод очистки с применением сорбентов марки ИПИ-Т может быть экономически оправдан. Углеродные сорбенты перспективны для селективного извлечения ионов железа (II) из производственных сточных вод.

Список цитируемой литературы

1. Родионов А. И., Торочешников Н. С. Техника защиты окружающей среды. – М: Химия, 2001.
2. Васильев В. П. Аналитическая химия. – М.: Дрофа, 2002.