Sorption of copper ions by brown algae Sargassum swartzii.pdf Введение В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение природных пресных вод тяжелыми металлами стало особо острой проблемой. Достаточно сказать, что для тяжелых металлов не существует надежных механизмов самоочищения. Сорбционные методы успешно применяются для решения этой проблемы [1. С. 3]. Известно, что водоросли Sargassum swartzii обладают высокой катионообменной емкостью за счет содержания в них альгиновых кислот и их солей. Это позволяет использовать их в качестве носителя для биосорбентов [2. С. 54; 3. С. 4311]. Кроме того, они удовлетворяют требованиям, предъявляемым к сорбентам для очистки воды и продуктов питания, а именно не содержат токсичных компонентов, удобны в использовании и имеют невысокую стоимость. В данной работе предпринята попытка оценить поглотительную активность морских бурых водорослей Sargassum swartzii (Вьетнам). Объекты и методы исследования Объектами исследования являются бурые водоросли Sargassum swartzii, предоставленные институтом биологии (Вьетнам) в рамках научного сотрудничества [4. C. 511]. Образец водорослей подготавливали, растирая и просеивая через сито с диаметром отверстий 0,35 мм. В качестве сорбата использовали раствор меди. Выбор обусловлен высокой токсичностью и наличием в сточных водах меди, образующейся в результате использования медьсодержащих ядохимикатов. Изучение сорбции ионов Cu2+ проводили в статических условиях при комнатной температуре. В колбы, содержащие навеску сорбента, помещали модельный раствор CuSO4 с определенной концентрацией. Содержимое в колбе периодически встряхивали, время экспозиции составило от 30 мин до 5 ч. Исследования сорбционной активности проводили при разных значениях рН, который устанавливали добавлением HCl различной концентрации. Растворы отделяли от твердой фазы фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента». Концентрацию ионов Cu + определяли фотоколориметрическим методом на фотоколориметре LEKI SS 1207 [5. С. 330]. В данной работе необходимую температуру поддерживали с использованием термостата. Эффективность процесса сорбции оценивали степенью извлечения ионов меди из раствора (S, %), которую рассчитывали по формуле S = 100, C0 Cp C0 где С0 - исходная концентрация ионов меди в растворе, ммоль/л; Ср - равновесная концентрация ионов меди в растворе, ммоль/л. В задачу исследования входило определить оптимальную массу навески сорбента, влияние температуры и рН на эффективность сорбции ионов меди бурыми водорослями. Результаты и их обсуждение Для установления оптимальной массы навески готовили серию навесок (±0,01) от 0,5 до 5 г бурых водорослей, которые заливали 50 мл стандартного раствора меди. Сорбцию проводили в статических условиях при периодическом встряхивании, время экспозиции составило 20 мин. Затем фильтрованием отделяли раствор Cu2+. Зависимость степени извлечения ионов Cu2+ от массы сорбента представлена на рис. 1. Как видно, при массе сорбента m = 3,0 г степень извлечения тяжелого металла была максимальной и составила около 14%. Для исследования закономерностей сорбции ионов Cu2+ фиксировали изменение рН фильтратов при различных начальных концентрациях модельных растворов и степень извлечения при этом ионов меди. Результаты представлены на рис. 2. При взаимодействии сорбент - сорбат рН фильтратов увеличивается, следовательно, концентрация протонов в растворе в процессе сорбции уменьшается. Это позволяет предположить, что процесс сорбции на водорослях идет по ионному обмену (катионный обмен). Как видно из рис. 2, степень извлечения ионов Cu2 металла при начальной концентрации С0 = 0,05 М примерно в 4 раза выше, чем при С0 = 0,2 М, что соответствует отношению между исходными концентрациями, однако на исходных малых концентрациях степень излечения больше. Этот факт подтверждает, что обменный характер сорбции связан с наличием карбоксильных групп альгиновых кислот, а также карбоксильных групп галактуроновых кислот пектиноподобных соединений, присутствующих в бурых водорослях в качестве балластных веществ. В экспериментах по изучению кинетики сорбции ионов Cu2+ установлено, что сорбционное равновесие устанавливается достаточно быстро - через 60 мин после взаимодействия сорбент - сор-бат, максимальная сорбция составляет 0,6 ммоль/г (рис. 3). Рис. 1. Влияние массы сорбента на степень поглощения ионов меди 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 Рис. 2. Изменение рН фильтратов (а) и изменение степени извлечения (б) после сорбции Cu2+ на водоросли Рис. 3. Кинетика сорбции ионов Cu2+ на водорослях Сорбционная способность бурых водорослей в основном обусловлена наличием альгиновых кислот и их солей. Согласно данным работы [6. С. 85] молекулы альгиновой кислоты линейны и содержат остатки двух гексуроновых кислот - P-D-маннуроновой и a-L-гулуроновой, находящихся в пиранозной форме и связанных 1-4-связями (рис. 4). Альгиновые кислоты могут различаться соотношением маннуроновой (М) и гулуроновой кислот (G), а также распределением мономерных звеньев вдоль цепи полимера. Важную роль при работе с сорбентами, содержащими группы кислот подобного типа, играет кислотность среды, определяющая состояние и реакционную способность функциональных групп сорбента. От кислотности среды также зависит и состояние ионов металла в растворе. При рН < 2,64 медь находится в виде катиона Cu2+, при 2,64 < pH < 4,82 - в виде Cu(OH)+ и при pH > 4,82 образуется осадок Cu(OH)2 (С^04 = 0,05 М). Поэтому в данной работе изучали влияние рН раствора на степень извлечения меди (рис. 5). L-гулуроновая кислота D-маннуроновая кислота Соединенные а(1-4) связями остатки L-гулуроновой кислоты (GG) Соединенные Р(1-^4) связями остатки D-маннуроновой кислоты (MM) Рис. 4. Полимерные блоки альгиновой кислоты. GG -гулуронатная последовательность, ММ - маннуронатная последовательность Рис. 5. Влияние рН на степень извлечения ионов меди Видно, что полученные кривые во всех исследуе- электростатическим взаимодействием гидроксокоммых областях рН имеют экстремальный характер. В лексов меди и, возможно, даже частичным осаждениобласти низких значений рН (рН = 1,95) поглощение ем меди в виде гидроксида. Следовательно, рН необобусловлено ионами меди, с уменьшением кислотно- ходимо контролировать и его значение не должно сти изменение степени поглощение обусловлено превышать 3,5. Влияние температуры на сорбционную активность показано на рис. 6. Можно отметить, что степень извлечения меди возрастает с ростом температуры и равновесие достигается после 30 мин контакта. Однако при высокой температуре (Т = 358 К) после одного часа контакта степень извлечения подает. Такой характер поглощения может быть связан с перераспределением мономерных звеньев по всей цепи полимера, потому что гулуронатная последовательность создает пространственные условия для прочного связывания двухвалентных катионов металлов [6. С. 85]. Увеличение эффективности сорбции с повышением температуры указывает на эндотермический характер происходящих процессов. Рис. 6. Влияние температуры на степень извлечения ионов меди бурыми водорослями Заключение Полученные результаты позволяют констатировать, что бурые водоросли Sargassum Swartzii можно использовать в качестве сорбента растительного происхождения. Установлено, что они поглощают до 70% ионов меди, при этом в процессе сорбции происходит изменение рН от 2,0 до 2,8. Проведенные исследования позволили определить оптимальные условия извлечения Cu2+ из водных растворов: соотношение сорбент : сорбат составило 1:17, кислотность среды при этом составляет 3,5, оптимальная температура сорбции составляет 323 К. Процесс сорбции имеет эндотермический характер.

Скачать электронную версию публикации