Адсорбция тяжелых металлов в воде

Обновлено: 19.05.2024

Комарова Дарья Сергеевна 1 , Никифорова Татьяна Евгеньевна 2
1 ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет, магистрант
2 ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет, доктор химических наук, доцент


Аннотация
Представлены результаты исследования процесса сорбции ионов Cu(II), Zn(II) сорбентом из стеблей топинамбура. Полученные экспериментальные данные позволяют рекомендовать использовать сорбент для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов различной природы, в том числе, из пищевых систем.

Komarova Darya Sergeevna 1 , Nikiforova Tatiana Evgenievna 2
1 Ivanovo State University of Chemistry and Technology, master student
2 Ivanovo State University of Chemistry and Technology, Doctor of chemical sciences, Assistant Professor


Abstract
The results of the sorption study of Cu (II) and Zn (II) ions by the sorbent from artichoke stems are presented. The received experimental data allow to recommend the use of the sorbent for heavy metal ions sorption from aqueous solutions having different nature, including food systems.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №14 03 00417.

Введение. Загрязнение тяжелыми металлами атмосферы, почвы, воды является серьезной проблемой, потому что все больше культурных ландшафтов попадают под их воздействие, что в свою очередь сказывается как на продуктивности сельскохозяйственных культур, так и на качестве продуктов [1,2]. К стойким химическим загрязнителям кумулятивного действия со специфическими токсическими свойствами относятся тяжелые металлы. Значимость проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами объясняется, прежде всего, широким спектром их действия на организм человека. Металлы влияют практически на все системы организма, оказывая токсическое, аллергическое, канцерогенное, гонадотропное действие. Тяжелые металлы и некоторые микроэлементы, находящиеся в повышенных количествах в питьевой воде, влияют на здоровье людей, т.к. обладают тропностью – избирательно накапливаются в определенных органах и тканях, структурно и функционально нарушая их [3,4]. В связи с этим актуальна задача разработки сорбентов, обладающих высокой способностью извлечения ионов металлов из воды и применение которых было бы экономически целесообразно.
Целью данной работы является исследование процесса сорбции ионов тяжелых металлов полисахаридным сорбентом из водных растворов.
Экспериментальная часть. Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исследуют в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора [5]. Для получения кинетических кривых в серию пробирок помещают навески сорбента массой по 0,10 г, заливают их 10 см 3 водного раствора сульфата металла. Начальная концентрация ионов металлов составляла 1,5·10 -4 моль/л. Через определенные промежутки времени раствор отделяют от сорбента фильтрованием и определяют в нем текущую концентрацию ионов металлов (С τ ) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборах 210VGP и МГА-915МД.
Для исследования влияния концентрации металла в растворе на равновесие в ионообменной системе получают изотермы сорбции. Для получения изотерм процесс сорбции проводят следующим образом: в серию пробирок помещают навески сорбента массой по 0,10 г и заливают их 10 см 3 водного раствора сульфата металла с концентрациями металла в интервале 1,510 -4 – 510 -2 моль/л и выдерживают при перемешивании до установления состояния равновесия (время достижения сорбционного равновесия определяют при исследовании кинетики сорбции). Затем раствор отделяют от сорбента фильтрованием и определяют в нем равновесную концентрацию ионов металла (С е ) методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Сорбционную емкость сорбента в каждый конкретный момент времени τ рассчитывают по формуле (1):

где С sorb. – сорбционная емкость, мг/г; С 0 – начальная концентрация ионов металла, моль/л; С – концентрация ионов металла в момент времени , моль/л;

m – масса навески сорбента, г; V – объем раствора, см 3 .

При снятии изотермы сорбции в условиях установившегося равновесия в системе определяют равновесную концентрацию ионов металла в растворе (С е ) и рассчитывают равновесную сорбционную емкость:

где С sorb.,e – равновесная сорбционная емкость, мг/г; С е – равновесная концентрация ионов металла, моль/л.

Степень извлечения α определяют следующим образом:

Коэффициент распределения K D рассчитывают как отношение концентрации ионов металла в фазе полимера (С sorb. ) к его содержанию в растворе:

Биотестирование водной фазы после контакта с сорбентом – топинамбуром проводят с использованием методики, основанной на определении смертности дафний при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ. В качестве тест-объекта используется Daphnia magna Straus. Биотестирование проводят в химических стаканах вместимостью 150 – 200 см 3 , которые заполняют 100 см 3 исследуемой, предварительно насыщенной кислородом воды, в них помещают по десять дафний в возрасте 6 – 24 часа. Учет смертности дафний в опыте и контроле проводят через 24 часа [6].

Результаты и их обсуждение. Для определения параметров, характеризующих сорбционные свойства сорбента из стеблей топинамбура, были получены кинетические кривые сорбции ионов Cu(II), Zn(II). Результаты эксперимента на рисунке 1.

1 – Zn(II); 2 – Cu(II)

Рисунок 1 – Кинетические кривые сорбции ионов тяжелых металлов из водных растворов топинамбуром

Согласно полученным данным стебли топинамбура сравнительно эффективно сорбируют ионы тяжелых металлов. Сорбция ионов Сu(II) выше, чем сорбция ионов Zn(II). Среднее время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе водный раствор сульфата металла – сорбент составляет 5-10 минут.

Для определения предельной сорбционной емкости топинамбура были получены изотермы сорбции ионов Zn(II) и Cu(II) из водных растворов сульфатов. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.

1 – Zn(II); 2 – Cu(II) Рисунок 2 – Изотермы сорбции тяжелых металлов сорбентом из стеблей топинамбура

Полученные экспериментальные данные описаны уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра:

где А R – предельная или максимальная сорбционная емкость полимера по данному металлу, моль/кг; К – концентрационная константа сорбционного равновесия, характеризующая интенсивность процесса сорбции, л/моль; С е – равновесная концентрация сорбата, моль/л [7].
Линеаризация изотермы сорбции по уравнению (5) позволяет графически определить в уравнении Ленгмюра величины А и К из опытных данных по распределению исследуемого сорбата в гетерофазной системе водный раствор – целлюлозный сорбент.

Результаты обработки изотерм сорбции ионов тяжелых металлов топинамбуром по модели Ленгмюра представлены на рисунке 3 и в таблице 1.

1 – Cu(II); 2 – Zn(II) Рисунок 3 – Обработка изотерм сорбции ионов тяжелых металлов по модели Ленгмюра

Таблица 1 – Параметры обработки изотерм сорбции по модели Ленгмюра методом наименьших квадратов

Исследование адсорбционной очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Морозов Д. Ю., Шулаев М. В., Емельянов В. М., Нуруллина Е. Н.

Исследована возможность адсорбционной очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, с использованием различных адсорбентов. Получены изотермы адсорбции.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Морозов Д. Ю., Шулаев М. В., Емельянов В. М., Нуруллина Е. Н.

Исследование адсорбционной обработки отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей с использованием адсорбентов

Физико-химические и адсорбционно-структурные свойства диатомита, модифицированного соединениями алюминия

Отработанный кизельгуровый шлам маслоэкстракционного производства - сырье для получения сорбционного материала

Текст научной работы на тему «Исследование адсорбционной очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов»

Д. Ю. Морозов, М. В. Шулаев, В. М. Емельянов,

ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ ИОНЫ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Были исследованы и проанализированы адсорбционные характеристики различных адсорбентов при адсорбции ионов Сг(У!), С^11), Си(11) и 7п(!!). В качестве адсорбентов использовались гранулированный активированный угль марки СКТ-3 (ГАУ СКТ-3), цеолитсодержащая порода - диатомит, разработанная на месторождении в ульяновской области и осадок, образование которого возможно при локальной очистке методом коагуляции щелочных сточных вод производства полисульфидных каучуков (тиоколов), с использованием в качестве коагулянта хлорида алюминия.

Изотермы адсорбции, представленные на рисунках 1-4, построены по поглощению названными адсорбционными материалами соответствующих компонентов из модельных растворов различных концентраций.

На рисунке 1 представлены изотермы адсорбции ионов 2п(!!).

О 400 800 1200 1600

Рис. 1 - Изотермы адсорбции ионов 2п(11)

Адсорбция ионов 7п(іі) на каждом из представленных адсорбентов характеризуется, по классификации Гильса [1], изотермой типа Б4, то есть взаимодействие между адсорбированными молекулами больше силы взаимодействия между растворенным веществом и адсорбентом. Наличие начального пологого участка, характерного для изотерм этого типа, свидетельствует о присутствии небольшого количества микропор, то есть данные ад-

сорбенты содержат преимущественно мезопоры. Второе плато на изотермах 4 подгруппы может быть связано с изменением ориентации молекул адсорбируемого вещества или с образованием второго слоя. Нужно отметить, что осадок при адсорбции ионов 2п(!!) не уступает, а превосходит ГАУ СКТ-3 и диатомит. Диатомит имеет в данном случае худшие показатели.

Изотермы адсорбции ионов Си(!!) (рис. 2) относятся к Б5-типу. Для изотерм 5 подгруппы характерно наличие максимума. Ионы Си(!!) эффективнее поглощаются ГАУ СКТ-3, диатомитом и осадком в области концентраций 800 -1400 мг/л. На основе анализа изотерм адсорбции ионов Си(!!) диатомит проявил лучшие сорбционные свойства.

Рис. 2 - Изотермы адсорбции ионов Си(11)

Изотермы адсорбции СЬ(ІІ), представленные на рисунке 3, имеют следующий характер: на ГАУ СКТ-3 относится к Б3-типу, а при адсорбции на диатомите и осадке - к Ь4-типу, так как при этом достигается второе плато. Наличие вогнутого относительно оси концентрации начального участка, характерного для изотерм Ь-типа, указывает на присутствие в данных сорбентах микропор. Изотерма типа Ь наблюдается в том случае, когда взаимодействие между адсорбированными молекулами пренебрежимо мало и энергия активации не зависит от степени заполнения поверхности, при этом происходит параллельная ориентация молекул растворенного вещества.

Изотермы адсорбции ионов Сг(УІ) на поверхности ГАУ СКТ-3 и осадка (рис. 4) относятся к Ь4-типу, на поверхности диатомита - к Б2-типу. Следует отметить, что эффективность адсорбции ионов Сг(УІ) на всех исследованных адсорбентах примерно одинакова (Г = 150 - 160 мг/г при концентрации каждого иона Ср= 600 мг/л).

Выпуклый участок изотермы адсорбции на поверхности осадка, при малых равновесных концентрациях, свидетельствует о высокой скорости адсорбции при невысоких концентрациях загрязнения в сточной воде, а также указывает на наличие в данном адсорбенте микропор, наряду с макро- и мезопорами. Нужно отметить, что Сг(УІ) находится в анионной форме и адсорбируется, в основном, в мезо- и макропоры.

Из анализа изотерм адсорбции следует, что ионы 2п(ІІ) имеют лучшее сорбционное сродство к ГАУ СКТ-3 и осадку, при этом они достаточно хорошо адсорбируются и на диатомите.

Рис. 3 - Изотермы адсорбции ионов С^ІІ)

Рис. 4 - Изотермы адсорбции ионов Сг^І)

Ионы Си(ІІ) сорбируются хуже других ионов на всех исследуемых адсорбционных материалах. Можно предположить, что медь, являясь наименее активным, слабо вступает в ионообменные процессы на диатомите и осадке. Кроме того, медь имеет кубическую гра-нецентрированную структуру, в то время как, например, цинк и кадмий - гексагональную, что может оказаться решающим при концентрировании молекул на поверхности адсорбентов, в частности на ГАУ СКТ-3. Для удаления ионов меди из исследуемых адсорбентов можно рекомендовать диатомит, так как он проявил лучшие сорбционные свойства.

Таким образом, по полученным изотермам адсорбции можно заключить, что все типы адсорбентов являются сорбционными материалами с развитой поверхностью, способными адсорбировать ионы тяжелых металлов.

Исходя из анализа изотерм можно заключить, что ГАУ СКТ-3 не имеет явных преимуществ перед диатомитом и осадком при адсорбции ионов исследуемых металлов.

Для определения емкостей адсорбентов с целью построения изотерм адсорбции использовалась следующая методика. В шесть плоскодонных колб емкостью 250 мл помещались навески адсорбента по 0.5 г. Затем в колбы заливалось по 200 мл раствора, содержащего те или иные ионы тяжелых металлов, в следующих концентрациях:

№ колб 1 2 3 4 5 6

конц., мг/л 200 400 800 1200 1600 2000

Колбы, с находящимися в них навесками адсорбента и соответствующим раствором, плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в течение трех часов (до наступления адсорбционного равновесия). Затем адсорбент отфильтровывался и в фильтратах определялись равновесные концентрации ионов тяжелых металлов фотоколориметрическим методом [2].

Количество ионов адсорбированное 1 г угля, мг/г, рассчитывали по формуле:

где Со - исходная концентрация ионов, мг/л; Ср - конечная концентрация ионов, мг/л; 200 - объем раствора, мл; 0.5 - вес угля, г; 1000 - переход от мл к л.

Зная емкости Г исследуемых адсорбентов, при различных равновесных концентрациях Сг(У!), Си(11), 7п(1!) и СЬ(!!), построили изотермы адсорбции (рис. 1 - 4).

1. Парфит Г., Рочестер К. Адсорбция из растворов на поверхности твердых тел. - М.: Мир, 1986. - 448 с.

2. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984. - 448 с.

© Д. Ю Морозов - асп. каф. химической кибернетики КГТУ; М. В. Шулаев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; Е. Н. Нуруллина -канд. техн. наук, ассис. той же кафедры.

Изучение адсорбции тяжёлых металлов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Кондрашова Анжела Владимировна

Статья посвящена адсорбции катионов Cu2+, Cd2+ и Co2+ на дисперсном кремнезёме-опоке. Рассмотрена зависимость адсорбции от термической и кислотной активации . Определены статическая и динамическая ёмкости термически и химически модифицированных образцов опоки и выявлены оптимальные условия модификации опоки для адсорбции Cu2+, Cd2+, Co2+.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Кондрашова Анжела Владимировна

Текст научной работы на тему «Изучение адсорбции тяжёлых металлов»

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Кондрашова Анжела Владимировна, Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, г. Саратов,

Аннотация. Статья посвящена адсорбции катионов Си2+, Сё2+ и Со на дисперсном кремнезёме-опоке. Рассмотрена зависимость адсорбции от термической и кислотной активации. Определены статическая и динамическая ёмкости термически и химически модифицированных образцов опоки и выявлены оптимальные условия модификации опоки для адсорбции Си2+, Сё2+ Со

Ключевые слова: адсорбция, дисперсный модифицирование, термическая и кислотная активация.

В настоящее время в мире сложилась напряжённая экологическая обстановка, концентрация тяжёлых металлов в природных водах постоянно возрастает.

Одним из наиболее эффективных и простых способов, позволяющих очищать сточные воды от примесей до требуемого уровня, является сорбция. При этом уделяется большое внимание сорбционным системам, где в качестве сорбентов используются природные минералы различного происхождения и структуры [1].

Многие годы исследователи проявляли большой интерес к дисперсным кремнезёмам как сорбентам и носителям катализаторов широкого спектра применения. В связи с их высокими адсорбционными, ионообменными и фильтрационными свойствами, появлением методов регулирования их геометрической структуры и химической природы поверхности, наличием крупных промышленных месторождений целесообразно использование природных минералов в водоочистке [2].

Опока - природный дисперсный кремнезём, характеризующийся высокой прочностью при высокой пористости, неразмокаемостью в воде, устойчив к действию кислот и щелочей. Уникальные свойства этого сорбента позволяют

предположить возможность применения его для очистки сточных вод от тяжёлых металлов, концентрирования ионов из различных объектов окружающей среды, создания катализаторов превращения соединений разных классов [3].

В данной работе рассмотрена адсорбция катионов Си2+, Cd2+ и Со на дисперсном кремнезёме-опоке, термически и химически модифицированной с целью повышения адсорбционной активности. В нашем исследовании опока фракции 2±1 мм подвергалась термической и кислотной активации.

На модифицированных образцах проведена адсорбция катионов Си2+, Cd2+

и Со . Эффективность процесса адсорбции во много зависит от pH среды. Влияние pH среды на сорбцию Си2+, Cd2+ и Со2+ изучали в интервале 2-8,5. В кислой области, где рН < 4, извлечение металлов, находящихся в основном в катионной форме, падает вследствие конкурентного действия кислоты. При повышении рН >5 образуются гидролизованные формы металла, которые адсорбируются. При рН 5,0-6,0 по эффективности извлечения металлы образуют ряд: Си > Со > Cd. Максимум адсорбции достигается в области нейтральных значений рН 5,5-7,5. Отслежена зависимость адсорбции от предшествующей термической (различные температуры прокаливания) и кислотной активации.

Изучено влияние электролитов (№С1) на степень адсорбции. Опыты проводили при значениях рН раствора 6,0, когда степень адсорбции максимальна. На всех стадиях модификации наличие конкурирующего электролита снижает величину адсорбции катионов. Определены статическая и динамическая ёмкости термически и химически модифицированных образцов опоки.

В результате проведённой работы выявлены оптимальные условия модификации опоки для адсорбции Си2+, Cd2+, Со2+.

1. Кондрашова А.В. Очистка сточных вод адсорбционным методом // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии. Саратов: Научная книга, 2004. С. 195-197

2. Никифоров И.А., Кузьмина Р.И. Дисперсный кремнезём: сорбент и катализатор // Катализ в нефтехимии и экологии / Под ред. В.П. Севостьянова. Саратов: СГАП, 1999. С. 135-143

3. Тарасевич Ю.И. природные сорбенты в процессах очистки сточных вод. Киев: Наук. думка, 1981. 208 с

Адсорбция тяжелых металлов в воде





ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ СОРБЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ


Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В условиях высокого антропогенного воздействия на окружающую среду в организм человека попадает целый ряд вредных веществ, в том числе тяжелых металлов. Они, как и их производные входят в группу наиболее опасных экотоксикантов, и являются потенциальными канцерогенами для человека. В связи с этим поиск и разработка безопасных и эффективных средств для профилактики и лечения воздействия тяжелых металлов является важной медицинской и фармацевтической задачей.

Метод сорбционной детоксикации занял свое место среди прочих методов лечения. Наибольшее распространение из энтеральных сорбентов получили препараты активированного угля и лигнина [10]. Согласно литературным данным активированный уголь поглощает различные газы, токсины, некоторые тяжелые металлы. Другие энтеросорбенты, например, на основе лигнина, обладают высокой сорбционной активностью по отношению к микроорганизмам. Однако количественных данных об адсорбционной активности других энтеросорбентов по отношению к катионам тяжелых металлов очень мало. Многие препараты, по наблюдениям врачей, не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым к медицинским сорбентам. На сегодняшний день пектиновые энтеросорбенты, которые способны эффективно связывать ионы тяжелых металлов и обладают широким спектром физиологических эффектов, являются наиболее перспективными [9,10,11].

Цель работы – сравнение адсорбционной активности энтеросорбентов, приобретенных в аптечной сети, и яблочного и морковного жома по отношению к катионам Pb 2+ , Cu 2+ , Fe 3+ .

Объектом исследования являлись энтеросорбенты (приложение 1): уголь активированный различных производителей, белый уголь, «Фильтрум», «Полисорб», а также яблочный и морковный жом, полученный после переработки плодов на сок и высушенный естественным путем.

Для определения сорбционной активности мы использовали колориметрический метод (для определения остаточного содержания катионов меди и железа) и кондуктометрический метод (для определения остаточного содержания катионов свинца). В работе мы использовали приборы цифровой химической лаборатории: датчик электропроводности и спектрофотоколориметр.

Современные представления об экологии тяжелых металлов, природе адсорбции и актуальных сорбентах

Тяжелые металлы и их влияние на организм человека

К тяжелым металлам относят свинец, ртуть, медь, кадмий, кобальт, молибден, железо, цинк, никель, хром.

В современных условиях наибольшим источником загрязнения свинцом среды обитания считаются выхлопы бензиновых двигателей автомашин, поскольку в бензин добавляется тетраэтилсвинец для повышения октанового числа. Свинец препятствует одной из ступеней биосинтеза гема, считается сильнейшим нейротоксином, вызывает повышенную агрессивность. Хроническое отравление свинцом постепенно приводит к нарушениям функций почек, нервной системы, анемии[8].

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав церуллоплазмина цитохромоксидазы, тирозиназы и других белков. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизни поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению меди в тканях путем ограничения ее абсорбции или стимуляции ее выведения. Избыток меди в тканях вызывает токсикоз: ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга.

Избыток железа встречается гораздо реже, чем недостаток. Такая ситуация часто складывается при очень высоком содержании железа в питьевой воде, при болезнях печени и селезенки, а также при метаболических нарушениях. Избыток железа включает такие симптомы, как непрекращающиеся расстройства пищеварения (метеоризм, диареи и запоры, тошнота и рвота, изжога), упадок сил и головокружения, появление пигментации на коже. Если не предпринимать никаких мер, возможно развитие осложнений — артритов, диабета, заболеваний печени.

Хроническое воздействие тяжелых металлов на организм в условиях реального производства и экологических особенностей является причиной профессиональных болезней [8].

Явление адсорбции

Процесс самопроизвольного концентрирования газов или растворенных веществ на поверхности раздела фаз называют адсорбцией [7]. В зависимости от природы контактирующих фаз различают адсорбцию на границах: газ - твердое тело, газ – жидкость, жидкость - твердое тело и жидкость - жидкость. Вещества, которые адсорбируются, называют адсорбатами (иногда - адсорбтивами), а вещества, которые адсорбируют на своей поверхности - адсорбентами. В зависимости от характера сил, действующих между частицами (молекулы, атомы, ионы) адсорбата и адсорбента, различают физическую или Ван-дер-Ваальсову адсорбцию и химическую или хемосорбцию.

Природу адсорбции можно установить, исследовав её кинетику и энергетику. Физическая адсорбция происходит под влиянием относительно слабых межмолекулярных сил сцепления (сил Ван-дер-Ваальса), при увеличении температуры физическая адсорбция уменьшается.

Хемосорбция связана с перекрыванием электронных орбиталей частиц адсорбата и адсорбента, т.е. вызывается их химическим взаимодействием. Химическая адсорбция с увеличением температуры увеличивается. Адсорбция представляет собой обратимый процесс. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Количественная зависимость, устанавливаемая между адсорбентом и адсорбтивом при постоянной температуре в виде уравнения или кривой, называется изотермой адсорбции [1], [11].

Энтеросорбенты

Энтеросорбенты – лекарственные средства, способные адсорбировать в пищеварительном тракте различные химические вещества и биологические объекты эндо- и экзогенного происхождения, не вступая с ними в химическую реакцию [ 14 ].

Энтеросорбенты имеют пористую структуру, которая представляет собой полостные образования в веществе сорбента в виде каналов – пор. При этом различают макропоры – полостные образования радиусом свыше 200 нм, мезопоры – размером от 100 до 1,6 нм и микропоры – образования менее 1,6 нм. Микропоры хорошо адсорбируют молекулы небольшого размера, а мезопоры и макропоры – более крупные органические молекулы.

Адсорбционная активность (адсорбционная способность, сорбционная емкость, емкость адсорбции, сорбционный объем пор) является специфическим показателем качества для лекарственных средств группы энтеросорбентов и используется для характеристики поглощающей способности сорбента, определяющей количество адсорбата (реактива), которое может поглотить сорбент на единицу своей массы.

По химической структуре различают следующие энтеросорбенты.

Углеродные энтеросорбенты – энтеросорбенты на основе углерода.

- на основе кремния диоксида коллоидного,

- гидрогели и ксерогели метилкремниевой кислоты,

- магния алюмосиликата гидрата коллоидного (аттапульгит).

3. Природные органические энтеросорбенты – энтеросорбенты на основе пищевых волокон, гидролизного лигнина с размером частиц 0,01 – 0,25 мм.

4. Комбинированные энтеросорбенты, в состав которых могут входить два и более типов указанных энтеросорбентов.

По селективности различают селективные (гидрогели метилкремниевой кислоты), моно-, би-, полифункциональные, неселективные (угли активированные, природные препараты – лигнин, хитин, целлюлоза) энтеросорбенты.

Методы определения сорбционной активности

Для определения адсорбционной активности энтеросорбентов используют следующие методы [14]:

- спектрофотометрический метод, адсорбционную активность энтеросорбента определяют по разнице значений оптических плотностей раствора реактива после контакта и до контакта с энтеросорбентом в течение определенного времени;

- титриметрический метод, определение основано на титровании избытка реактива (неадсорбированное количество), оставшегося после контакта с препаратом, например, йодометрическое титрование (избыток метиленового синего), бромат-бромидное титрование (избыток феназона);

- гравиметрический метод, определение основано на поглощении лекарственным средством паров бензола в течение определенного времени.

В нашей работе мы использовали спектрофотометрический метод для определения остаточного содержания катионов железа и меди, и титриметрический для определения остаточно катионов свинца.

. Спектрофотометрический метод

Концентрацию окрашенных веществ очень удобно определять фотоколориметрическим методом — по интенсивности поглощения света. Интенсивность поглощения света характеризуется оптической плотностью — десятичным логарифмом отношения интенсивности падающего светового потока к интенсивности потока, прошедшего через этот слой. При неизменной толщине слоя окрашенного вещества и при определённой длине волны света оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации вещества (закон Бера). Следовательно, зная величину оптической плотности, можно определить концентрацию вещества в растворе [3, 4, 6]. Сделать это можно используя метод градуировочного графика. Для этого готовят серию растворов окрашенного вещества разной концентрации и строят график зависимости оптической плотности от концентрации раствора (градуировочный график). Измеряют оптическую плотность анализируемой пробы и, используя градуировочный график, определяют концентрацию вещества в пробе. Для фотоколориметрического метода подбирают такую длину волны, чтобы поглощение было максимальным [5].

2.1.1 Определение величины адсорбции катионов железа фотоколориметрическим методом

Определение содержания железа мы выполняли фотометрическим методом по реакции образования винного комплекса с сульфосалициловой кислотой в кислой среде.

Приготовление стандартных растворов

Для приготовления стандартного раствора катионов железа мы использовали хлорид железа FeCl3 ∙ 6H2O (ч.д.а.), для подавления гидролиза при приготовлении раствора добавляли кислоту.

а) Основной стандартный раствор: 1,35 г соли FeCl3 ∙ 6H2O растворяли в мерной колбе вместимостью 0,5 л, добавляли 1 мл концентрированной HCl (ρ=1,19г/см 3 ) и доводили до метки дистиллированной водой (1 мл раствора содержит 0,01 ммоль катионов железа (+3)).

б) Рабочий раствор для определения железа (Fe 3+ ): 10 мл основного стандартного раствора FeCl3 ∙ 6H2O перенесли в мерную колбу на 100 мл, добавили 1 мл концентрированной HCl, 1 мл 25%-ного раствора сульфосалициловой кислоты, довели до метки дистиллированной водой (1 мл окрашенного в винно-красный цвет раствора содержит 0,001 ммоль катионов железа (+3)).

Построение калибровочного графика

В градуированные пробирки отбирали 1,2,3,4,5 мл и т.д. рабочих растворов, добавляли в каждую дистиллированной воды до объема 10 мл. Таким образом, получили серию стандартных растворов с содержанием железа (ммоль/л): 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 и т. д. (приложение 1, рис.1). Мы произвели калибровку прибора, сняли показания спектра и зафиксировали длину волны, на которой будут производиться измерения – 386,6 нм (приложение 1, рис.2). Построили графики зависимости оптической плотности от концентрации раствора - градуировочный график (приложение 2, рис.3):

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019


ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИРОДНЫМИ СОРБЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Рациональное питание и употребление продуктов с защитными свойствами ослабляет отрицательное воздействие повышенного радиационного фона и других неблагоприятных факторов внешней среды на здоровье человека. Для снижения воздействия токсичных элементов и веществ, попавших в организм человека, следует применять природные адсорбционные препараты.

К одним из таких относятся пектины, которые наиболее широко применяются практически во всех отраслях пищевой промышленности. Они представляют собой очищенный углеводород, который получают путем экстракции из растительного сырья. Пектины используются в качестве гелеобразователя, стабилизатора, загустителя, влагоудерживающего агента, осветлителя, а также вещества, облегчающего фильтрование и как средство для капсулирования. Так, например, в молочной промышленности пектины очень активно применяются при производстве йогуртов, сыров, мороженого, молочно-фруктовых десертов, сквашенных и подкисленных молочных продуктов, используется как эмульгатор для изготовления майонеза и жидких маргаринов в масложировом производстве. Его успешно применяют для производства мармелада, желейных начинок, сбивных кондитерских изделий, таких как зефир, пастила, конфетные массы. В европейской системе кодификации пищевых добавок пектину присвоен код Е440.

Пектин может сорбировать и выводить из организма биогенные токсины, анаболики, ксенобиотики, продукты метаболизма и биологически вредные вещества, способные накапливаться в организме.

Цель настоящей работы заключалась в исследовании адсорбционной способности природного сырья: шелухи и жмыха кедровой шишки, грецкого ореха, пектина по отношению к ионам тяжелых металлов Ni(II), Cu(II), Fe(III), Cr(III).

В настоящее время свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ поступает в биосферу в результате не только природных процессов, но и, главным образом, вследствие интенсивного развития промышленности, нерационального использования природных ресурсов и урбанизации жизни общества. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

Известно также, что металлы при поступлении в организм могут вызывать ряд метаболических нарушений, преимущественно окислительно-восстановительных процессов. Образование бикомплексов металлов с различными компонентами клетки может повлечь за собой повреждение мембран, а также угнетение активности различных ферментов.

К числу тяжелых металлов, которые могут загрязнять пищевые продукты, относится медь. Связывание меди в реакции комплексообразования с пектином лежит в основе профилактики возможных последствий ее попадания в организм человека.

Адсорбционная способность пектина основана на его способности образовывать нерастворимые комплексные соединения с тяжелыми металлами и радионуклидами (Рис.1). Именно это свойство определяет пектин по рекомендации Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) как профилактическое средство в экологически загрязненных территориях. Профилактическая суточная доза пектина составляет 4-5 г, в условиях радиоактивного загрязнения – 15-16 г.

Рисунок 1 – Образование комплексного соединения пектина с медью

Комплексообразующие свойства пектиновых веществ зависят от содержания свободных карбоксильных групп, то есть степени этерификации карбоксильных групп метанолом. Степень этерификации определяет линейную плотность заряда макромолекулы, а, следовательно, силу и способ связи катионов.

Нами была исследование адсорбционная способность различных природных материалов: шелухи кедровой шишки, жмых кедрового ореха, перегородки грецкого ореха, пектина.

В основе определения адсорбционной способности исследуемых образцов по отношению к ионам меди, никеля, кобальта, железа лежит фотоколориметрическое определение концентрации в растворе свободных ионов металлов до и после адсорбции при длине волны, отвечающей максимуму поглощения. Измерения проводили с помощью прибора КФК-3 при толщине слоя 1 см. Значение адсорбции находили по разности концентраций ионов металлов в водном растворе до и после адсорбции с учетом объема раствора и массы адсорбента. Результаты исследований адсорбционной способности различных природных сорбентов по отношению к ионам Ni 2+ представлены в таблице 1.

Таблица 1 ‑ Результаты исследования адсорбционной способности различных природных сорбентов по отношению к ионам Ni 2+

Читайте также: