КИНЕТИКА  СОРБЦИИ  ИОНОВ  (PB ²⁺  И  CD²⁺)  НА  БУРЫХ  ВОДОРОСЛЯХ  SARGASSUM  SWARTZII

Ву  Тхи  Лиен

магистрант  1курса,  кафедра  общей  химии,  Белгородский  государственный  национальный  исследовательский  университет  (НИУ  «БелГУ»),  РФ,  г.  Белгород

E -mail:  bimatcuahanhphuc.2012@yandex.ru

Габрук  Наталья  Георгиевна

научный  руководитель,  канд.  биол.  наук,  доцент  кафедры  общей  химии,  Белгородский  государственный  национальный  исследовательский  университет  (НИУ  «БелГУ»),  РФ,  г.  Белгород

Загрязнение  водной  среды  тяжелыми  металлами  является  актуальной  проблемой  с  серьезными  последствиями  для  здоровья  человека  и  окружающей  среды.  Среди  тяжелых  металлов,  Pb  (II)  и  Cd(II)  являются  наиболее  распространенными  загрязнителями  сточных  вод,  в  связи  с  их  разнообразными  применениями  в  различной  промышленной  деятельности. 

Обычные  методы  для  удаления  тяжелых  металлов  из  сточных  вод  включают  химическое  осаждение,  мембранные  фильтрации,  адсорбции  на  активированном  угле  и  биологические  методы.  К  сожалению,  многие  из  этих  методов  ограничены,  потому  что  они  дороги,  или  есть  некоторые  недостатки,  такие  как  низкая  селективность,  высокое  потребление  энергии….

Биосорбции  обеспечивают  потенциальную  альтернативу  для  преодоления  недостатки  обычных  способов  очистки  сточных  вод  содержащих  тяжелые  металлы.  В  процессе  извлечения  тяжелых  металлов  из  сточных  вод  кинетика  сорбции  имеет  большое  значение  для  выбора  оптимальных  условий  осуществления  водоочистки,  так  как  она  позволяет  получить  важную  информацию  о  пути  и  механизме  сорбции.

Объекты  и  методы  исследования

Бурые  водоросли  Sargassum  swartzii  были  использованы  в  качестве  биосорбента  для  изучения  сорбции  ионов  Cd²⁺  и  Pb²⁺  из  водных  растворов.  Раствором  сорбата  является  раствор  Cd(NO₃)₂  и  Pb(NO₃)₂  в  котором  содержится  100мг/л  ионов  металлов  с  значением  рН  ~  3.

Эксперименты  сорбции  проводили  в  статических  условиях  при  температуре  20±2  °С.  В  конические  колбы  на  100  мл,  содержащие  1  г  сорбента,  помещали  25  мл  модельных  растворов.  Содержимое  в  колбе  встряхивали  и  оставляли  на  определенное  время.  По  окончании  процесса  сорбции  растворы  отделяли  от  твердой  фазы  фильтрованием  через  бумажный  фильтр.  Концентрацию  ионов  металлов  после  сорбции  определяли  методом  инверсионной  вольтамперометрии  (ИВА)  [1,  c.  220]. 

Величина  адсорбции  (Г,  мг/г)  была  рассчитана  по  формуле: 

где:  Со  —  исходная  концентрация  тяжелых  металлов,  мг/л;

Ср  —  равновесная  концентрация  тяжелых  металлов,  мг/л;

V  —  объем  раствор  сорбата;

m  —  масса  сорбента,  г.

В  данной  работе  было  определено  время  контакта,  необходимое  для  достижения  равновесия  между  твердой  и  жидкой  фазами.  На  рис.  1  представлена  зависимость  величины  адсорбции  ионов  металлов  на  водорослях  от  времени.  Видно,  что  данная  система  достигла  равновесию  через  1  час.

Рис.  1  ясно  показывает,  что  процесс  сорбции  металлов  на  бурых  водорослях  может  быть  разделена  на  два  этапа:  в  первом  этапе  скорость  сорбции  очень  высока  (в  первые  60  мин  достигает  84  %  для  свинца  и  50  %  для  кадмия),  после  чего  на  втором  этапе  сорбция  протекает  с  низкой  скоростью. 

Рисунок  1.  Зависимость  величины  адсорбции  ионов  металлов  на  водорослях  от  времени

В  работе  так  же  рассматривали  изменение  рН  в  процессе  сорбции.  На  рис.  2  представлена  динамика  изменения  рН  раствора  в  зависимости  от  времени  контакта.  Как  видно  на  рис.  1  и  рис.  2  тенденция  изменения  сорбции  ионов  металлов  и  изменение  рН  имеет  практически  одинаковый  характер.

Рисунок  2.  Изменение  рН  раствора  при  сорбции  ионов  металлов

Кинетика  сорбции  свинца  и  кадмия  на  водорослях  была  проанализирована  с  помощью  кинетической  моделью  псевдо-первого  порядка,  псевдо-  второго  порядка  [3]  и  внутричастичной  диффузии  [2]. 

1.  Линейная  форма  кинетической  модели  псевдо-первого  порядка  (уравнение  Лагергрена):

  (1)

где:    —  максимальное  значение  величины  сорбции  (мг/г); 

Г  —  величина  адсорбции  (мг/г)  при  времени  t  (мин); 

  —  константа  скорости  адсорбции  (мин^-1).

2.  Для  описания  кинетических  закономерностей  в  системе  жидкость/твердое  тело  применяют  модель  псевдо-  второго  порядка  реакции.  Математическое  выражение  в  линейной  форме  может  быть  представлено  в  виде:

  (2)

где:  k  —  константа  скорости  адсорбции  (г/мг.мин); 

  —  максимальное  значение  величины  сорбции  (мг/г); 

Г  —  величина  адсорбции  (мг/г)  при  времени  t  (мин).

3.  Внутридиффузионная  модель  использована  для  определения  участия  процесса  дифузии  в  биосорбции.

  (3)

где:    —  константа  скорости  дифузии,  мг.г^-1.мин^-1/2;

С  —  равновесная  концентрация  ионов  тяжелых  металлов,  мг/л.

В  нашем  случае  экспериментальные  результаты  хорошо  описываются  кинетической  моделью  псевдо-второго  порядка.  Линейная  зависимость  (t/Г  от  t)  и  коэффициент  корреляции  представлены  на  рис.  3.

Рисунок  3.  Зависимость  t /Г  от  t  при  сорбции  ионов  металлов  на  водорослях

По  предложению  этой  модели  скорость  процесса  биосорбции  в  основном  определяется  скоростью  химического  взаимодействия  между  ионами  металлов  и  поверхностными  функциональными  группами  биосорбента.

Заключение 

Процесс  сорбции  тяжелых  металлов  на  водорослях  протекает  быстро  и  эффективно,  равновесие  достигается  после  1  часа  контакта.  Установлено  что,  кинетическая  модель  псевдо-второго  порядка  описывает  сорбцию  тяжелых  металлов  на  бурых  водорослях  с  хорошим  коэффициентом  корреляции.  Предполагали,  что  скорость  сорбции  определяется  скоростью  стадии  химического  взаимодействия  между  сорбатом  и  сорбентом.

Список   литературы:

1.Выдра  Ф.,  Штулик  К.,  Юлакова  Э.  Инверсионная  вольамперометрия  /  Пер.  с  чешского  канд.  Хим.  наук  Б.Я.  Каплана.  М.:  Мир,  1980.  —  278  с. 

2.Weber  W.J.  and  Morris  J.C.  Kinetics  of  adsorption  on  carbon  from  solution  //  Sanitary  Eng.  Div.  Proceed.  Am.  Soc.  Civil.  Eng.  89,  1963.  —  p.  31—60.

3.Ho  Y.S.,  Ng  J.C.Y.,  McKay  G.  Kinetics  of  pollutant  sorption  by  biosorbents:  Review  //  Sep.  Purif.  Method.  29,  2000.  —  p.  189—232.