Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Исследование адсорбционных свойств некоторых природных минералов
НТТМ-2017-0259 | Категория I

Автор:

Луговская Валентина Юрьевна

Лешенок Анжелика Андреевна

Научный руководитель:
Планкина Марина Викторовна
Организация:
ОГБПОУ «Томский промышленно-гуманитарный колледж»,
Томская область, Томск
Цель работы
Важная проблема, стоящая перед человечеством - охрана окружающей среды. Поэтому очень актуален поиск новых экологичных и экономичных методов очистки воды, почвы, воздуха. Процессы с использованием сорбентов находят все большее применение из-за их низкой стоимости, простоты аппаратурного оформления и высоких сорбционных свойств. В данной работе исследуются сорбционные свойства некоторых природных минералов (гематит, магнетит, ильменит, глауконит, пирит) по отношению к ионам никеля, хрома и мышьяка, с целью дальнейшего их использования
Обзор предметной области
Для очистки воды и воздуха от различных загрязнений на данный момент применяют различные методы: биологические. Химические физико-химические электрохимические и механические. Однако, одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки является сорбционный. С необходимостью применения сорбентов в своей жизни каждый человек сталкивался хотя бы один раз. Сорбенты применяются для очистки воды от нефти, от тяжелых металлов и мышьяка; очистки воздуха от загрязнений; в медицине при отравлениях и даже для лечения злокачественных опухолей. Сорбенты позволяют извлекать вещества, неудаляемые другими методами. Сорбционный метод является хорошо управляемым процессом и позволяет удалять загрязнения широкой природы практически до любой остаточной концентрации. При этом отсутствуют вторичные загрязнения.
Главным требованием, предъявляемым к сорбентам является наличие у материала высокоразвитой пористой структуры, устойчивость к среде, в которой они используются, доступность и дешевизна. Сорбенты могут быть утилизованы.
В настоящей работе объектом исследования служили природные минеральные сорбенты: гематит, магнетит, ильменит, глауконит, пирит.
Описание результатов проекта
Исследование проводили на образцах природных минеральных сорбентов: гематит, магнетит, ильменит, глауконит, пирит. Сорбенты предварительно измельчали. С целью увеличения удельной поверхности и сорбционных свойств проводили модификацию их поверхности оксогидроксидом алюминия. Сорбция ионов Ni2+, Cr6+, As5+, проводилась в статическом режиме на природных и модифицированных оксогидроксидом алюминия минералах. Изотермы сорбции ионов определяли в интервале исходных концентраций (Снач) до 0,1–100 мг/л. Для получения изотерм сорбции навески сорбента массой (m) 0,2 г заливали 25 мл раствора (V) с различной начальной концентрацией (С0) адсорбатов. При достижении сорбционного равновесия через сутки раствор отделяли от сорбента центрифугированием и определяли равновесные концентрации адсорбатов (Ср). Равновесные концентрации ионов Ni2+ , Cr6+ , As5+ определяли методом фотоколориметрии с соответствующими реактивами: Ni2+ с диметилглиоксимом (λ = 440 нм), Cr6+ с дифенилкарбазидом (λ = 540 нм), As5+ с молибдатом аммония (λ = 740 нм).
В табл. 1 представлены некоторые физико-химические параметры природных минералов: химический состав, удельная поверхность и удельный объем пор.
Таблица 1
Химический состав и структурные характеристики минералов
Минерал Sуд, м2/г Р, см3/г Химический состав Сорбционные характеристики
Cr6+, мг/г As5+, мг/г Ni2+, мг/г
Гематит 10,60 0,005 Fe2O3 0,80 1,00 1,00
Магнетит 1,78 0,001 Fe3O4 0,60 0,10 1,25
Глауконит 30,70 0,013 (K, H2O) (Fe3+ ,Al, Fe2+ ,Mg)2 [Si3AlO10](OH)2∙nH2O 0 0 2.50
Ильменит 1,00 0,000 FeTiO3 0,40 1,50 1,50
Пирит 0,62 0,00 FeS2 2 ,00 3.45 0,60

Как видно из табл. 1, наиболее хорошие сорбционные свойства при извлечении ионов хрома и мышьяка показал минерал пирит, а по никелю минерал глауконит.
Для возможного увеличения сорбционной емкости пирит и глауконит были модифицированы активным компонентом (AlOOH).
Действительно, согласно, данным приведенным в табл. 3 и 4 наблюдается увеличение как удельной поверхности образцов, так и удельного объема пор, с увеличением количества активного компонента в сорбенте при увеличении AlOOH от 2,3 до 24,1 %.
Таблица 2
Структурные и адсорбционные характеристики пирита, модифицированного AlOОН
Обозначение образца Содержание AlOОН, % масс. Sуд, м2/г Р, см3/г Сорбционные характеристики
Cr6+, мг/г As5+, мг/г Ni2+, мг/г
P0 0 0,62 0 1,88 3.45 0,63
P1 2,5 0,54 0 1.60 3.60 0,13
P2 5,4 1,59 0,01 1.40 3.90 0,12
P3 10,8 5,80 0,002 1,28 5.10 0,12
P4 17,4 12,60 0,005 1,22 5.70 0,12
P5 23,8 12,40 0,005 1.25 6.00 0,13

Таблица 3
Структурные и адсорбционные характеристики глауконита, модифицированного AlOОН
Обозначение образца Содержание AlOОН, % масс. Sуд, м2/г Р, см3/г Сорбционные характеристики
Cr6+, мг/г As5+, мг/г Ni2+, мг/г
G0 0 30,70 0,013 0 0 2,55
G1 2,3 37,80 0,016 0,06 0,50 3,26
G2 5,3 40,30 0,017 0,14 0,78 3,20
G3 10,2 37,80 0,016 0,25 0,96 3,30
G4 17,6 47,40 0,02 0,50 1,40 3,30
G5 24,1 61,40 0,026 0,70 1,70 3,30
Исследование эффективной сорбции ионов на модифицированных образцах показало, что модификация оксогидроксидом алюминия приводит к увеличению сорбционной емкости по As5+, Cr6+ как для пирита, так и для глауконита (табл. 2, 3). В тоже время для сорбции ионов никеля наблюдается снижение адсорбционной активности по сравнению с индивидуальным пиритом, а для модифицированных образцов глауконита ‒ к незначительному росту сорбционной активности (табл. 3). Согласно приведенным сорбционным данным, можно утверждать, что модификация пирита и глауконита оксогидроксидом алюминия положительно сказывается на сорбционных характеристиках по отношению к ионам мышьяка и хрома вследствие увеличения удельной поверхности сорбентов. В то же время снижение сорбционной емкости (табл. 2) по ионам никеля связано с блокировкой активных центров поверхности пирита оксогидроксидом алюминия.
Выводы:
1. Исследованы адсорбционные свойства группы природных минералов (пирит, магнетит, гематит, ильменит, глауконит) по отношению к ионам As5+, Cr6+, Ni2+. Показано, что минерал пирит проявляет высокую сорбционную емкость по отношению к ионам As5+ (6,9 мг/г), Сr3+ (1,9 мг/г), а минерал глауконит показывает хорошую сорбционную ёмкость по ионам Ni2+ (3,6 мг/г).
2. Процесс адсорбции описывается уравнением Лэнгмюра, что свидетельствует о мономолекулярном характере адсорбции на активных центрах поверхности.
3. При модификации минеральных сорбентов оксогидроксидом алюминия наблюдается увеличение сорбционной активности по отношению к ионам As5+ как для глауконита, так и для пирита. Для образца пирита наблюдается снижение общей сорбционной емкости по ионам никеля с увеличением содержание оксогидроксида алюминия.
Описание применимости
На основании полученных данных, можно подбирать необходимые комбинации материалов для их использования в различных условиях.
Например, комбинируя пирит и глауконит в фильтре для очистки воды, можно одновременно проводить очистку и от мышьяка и хрома (пирит) и от никеля (глауконит). Более того поскольку материалы имеют малый объем пор и относительно невысокую удельную поверхность, можно предположить, что скорость достижения сорбционного равновесия будет высокой, так как внутридиффузионные процессы на нее влиять не будут. Магнетит может быть использован как основа для магнитоуправляемого сорбента лекарственных препаратов.
Дальнейшее развитие проекта
В данной работе получен положительный эффект адсорбции неорганических веществ, в дальнейшем планируется изучить возможность сорбции органических веществ. По литературным данным глауконит обладает сорбирующей способностью по отношению к органическим веществам, что делает возможным его использование в качестве селективного сорбента для очистки воды от нефтепродуктов. Начата работа по исследованию возможности сорбции органических веществ на других минеральных сорбентах (например, трепел).

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ