ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ИОНОВ ЦИНКА РАЗЛИЧНЫМИ ФОРМАМИ БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНЫ ЗЫРЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КУРГАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Щурова Маргарита Александровна

студентка 5-го курса, кафедра физической и прикладной химии  Курганского Государственного Университета, г. Курган

E-mail: margarita.shurova@list.ru

Мосталыгина Лидия Витальевна

научный руководитель, кандидат химических наук, доцент Курганского Государственного Университета, кафедра физической и прикладной химии  Курганского Государственного Университета, г. Курган

Введение

Адсорбция по отношению к ионам цинка бентонитовых глин Зырянского месторождения Курганской области ранее изучались только на нативной глине [1], отсутствуют исследования по сравнительному анализу сорбции цинка на различных формах монтмориллонитовой глины.

Целью настоящей работы являлось исследование сорбционных свойств различных форм  бентонитовой глины Зырянского месторождения  по отношению к ионам цинка.

Материалы  и  методы

В качестве природного сорбента, способного поглощать ионы цинка, выбрана бентонитовая глина Зырянского месторождения Курганской области: нативная, обогащённая и активированная 0,1 М HCl.

Для определения сорбционной способности 0,5 г глины помещали в 50 мл модельного раствора соли цинка, растворы для установления равновесия выдерживали сутки. Концентрацию ионов цинка определяли ионометрически.

Для определения сорбционной способности 0,5 г глины помещали в 50 мл модельного раствора соли цинка.

 Сорбцию рассчитывали по формуле:

а = ((C₀ - C_р)*V)/m

а – сорбция, ммоль/г;

m – масса навески сорбента (глины), г;

C₀ – начальная концентрация Zn²⁺  в растворе, моль/л;

С_р – равновесная концентрация Zn²⁺ в растворе, моль/л;

V – объем раствора, взятый для исследования, мл.

Результаты и их обсуждение

Получены изотермы сорбции на разных формах бентонитовой глины при 20⁰С  (рис. 1). Установлено, что сорбция ионов цинка максимальна на кислотно-активированной глине, минимальная – на нативной. Сорбция протекает на основном породообразующем минерале глины — монтмориллоните, его содержание в Зырянском бентоните, по данным рентгеноструктурного анализа, равно 45,3 %, а в обогащенной глине 62,7 %. В кислотно-активированной глине в качестве обменных катионов присутствуют ионы водорода, которые легче вступают в ионный обмен по сравнению с катионами щелочных и щелочноземельных металлов, поэтому сорбция на данной форме глины наибольшая.

Рис 1. Изотермы сорбции ионов цинка на различных формах бентонитовой глины

Данные изотермы имеют вид изотерм Фрейндлиха. Мы это доказали, используя нелинейную регрессию приведённую к линейному виду; соответствующую изотерму адсорбции  выбрали для каждого эксперимента по статистическому критерию R²  (величина достоверности аппроксимации). Результаты подбора показаны в таблице 1.

Таблица 1.

Величина достоверности аппроксимации изотерм адсорбции

Как видно из таблицы, для количественного описания адсорбции  на всех трёх формах глины в исследованной нами области концентраций наиболее подходящей является изотерма Фрейндлиха, которая имеет место при неравномерном расположении активных центров, различной их природе или при заметных силах взаимодействия между адсорбированными атомами (молекулами, ионами) [2].

Это хорошо согласуется с тем, что: 

1) бентонитовые глины различных форм имеют адсорбционные центры различной природы: отрицательно заряженные слои, где возможен ионный обмен между катионами, имеющимися в растворе и межслоевыми катионами глины; поверхностные силанольные и алюминольные группы, способные участвовать в реакциях комплексообразования [3]; наконец, катионы могут притягиваться электростатически к отрицательно заряженной ввиду изоморфных замещений кристаллической решётке монтмориллонита [4];

2) между адсорбируемыми ионами идёт взаимодействие – электростатическое отталкивание, которое приводит к тому, что адсорбируемые количества ионов металлов как правило, ниже катионообменной ёмкости глины [3];

3) высока вероятность неравномерного распределения адсорбционных центров глины, так как изоморфное замещение, дающее центры ионообменной природы, не может быть всегда равномерным.

Уравнение Фрейндлиха описывает процесс образования мономолекулярного слоя [2]. При адсорбции на бентонитовой глине образуется только мономолекулярный слой благодаря электростатическому отталкиванию между адсорбируемыми ионами [3].

Таким образом, уравнение Фрейндлиха хорошо согласуется с опытными данными и хорошо интерпретирует происходящие при адсорбции процессы.

Для нахождения параметров данного уравнения мы применили графический метод, переведя уравнение Фрейндлиха в линейную форму:

lg Х = lgβ + (1/n)*lgc

Где Х – величина адсорбции на единицу веса адсорбента, с – концентрация газа или растворённого вещества, β и 1/n – постоянные величины [2]. Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры уравнения Фрейндлиха для сорбционного процесса на различных формах бентонитовой глины

Параметр n для всех трёх форм глин больше 1, что отражает малую адсорбционную кооперативность как результат электростатических сил отталкивания между ионами металлов [3]. β, вероятно, показывает адсорбцию при равновесной концентрации 1 моль/л, от увеличивается при переходе от нативной к обогащённой и кислотно-активированной глинам, что вполне хорошо согласуется с возрастающей сорбционной способностью форм глин в этом ряду.

Заключение

Результаты исследования показали, что:

1) наибольшая адсорбция ионов цинка происходит на кислотно-активированной глине, наименьшая – на нативной;

2) для количественного описания адсорбционных форм глины  на всех трёх формах глины наиболее подходящей является изотерма Фрейндлиха, что хорошо согласуется с особенностями адсорбционных процессов на бентонитовой глине;

3) параметры уравнения Фрейндлиха для различных форм глины наглядно отражают их  возрастающую адсорбционную способность и малую адсорбционную кооперативность;

Список литературы

1.     Мосталыгина Л. В., Елизарова С. Н., Костин А. В. Бентонитовые глины Зауралья: экология и здоровье человека. Курган: Изд-во Курганского государственного университета, 2010 – 148 с.

2.     Пасынский А. Г. Коллоидная химия/Под. ред. акад. В. А. Каргина – М.: «Высшая школа», 1959 г – 267 с.

3.     Adsorption of zinc and copper ions on natural and ethylenediamine modified montmorillonite / O. Kozak [et al.]// Ceramics – Silikaty. – 2010 – Vol. 54, Issue  № 1 – pp. 78‑84.

4.     Tiller K. G., Hodgson J. F. The specific sorption of cobalt and zink by layer silicates //Clays and clays minerals – 1962. Volume 9, Issue 1 – pp. 393‑403.