Сорбционная очистка растворов от ионов тяжелых металлов с применением цеолита, модифицированного углеродными нанотрубками

Татьяна Юрьевна Дьячкова, Ирина Алексеевна Макарова, Екатерина Сергеевна Ваганова, Ольга Александровна Давыдова, Татьяна Владимировна Мосунова

Аннотация


Исследованы процессы сорбции ионов тяжелых металлов – меди и цинка, с применением природного цеолита, модифицированного многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ) с функционализированной полярными группами (карбоксильными, карбонильными, гидроксильными) поверхностью при ультразвуковом воздействии. Наиболее результативным является функционализация поверхности углеродных нанотрубок карбонильными группами (МУНТ–СООН) при обработке нативных МУНТ смесью концентрированных серной и азотной кислот. На поверхности нанотрубок прививаются также карбонильные и гидроксильные группы. Изучены процессы адсорбции ионов цинка и меди из растворов на исходном и модифицированном цеолите. Для интенсификации процессов сорбции наиболее эффективно применение ультразвуковой обработки. При этом снимаются диффузионные ограничения в адсорбционном слое, происходит выравнивание концентрации при перемешивании жидкости. Была изучена зависимость степени извлечения ионов цинка и меди от содержания МУНТ–СООН в цеолите. При оптимальной концентрации 0,1 мас. % МУНТ–СООН степень извлечения для цинка 97,8 %, для меди – 96,4 %. Дальнейшее увеличение концентрации нанотрубок в цеолите незначительно увеличивает степень извлечения. Оптимальное время ультразвуковой обработки составило 100 с. В этих же условиях при использовании немодифицированного цеолита степень извлечения ионов цинка и меди составила 72,4 и 68,3 % соответственно. Без воздействия ультразвука близкие по степени извлечения результаты могут быть получены при обработке растворов солей цинка и меди цеолитом в течение 2–4 ч. При различных концентрациях катионов цинка и меди в растворе построены изотермы адсорбции и определены основные параметры процессов. Модифицирование цеолита углеродными нанотрубками увеличивает степень извлечения на 20–25 %, сорбционную емкость по цинку – в 3 раза, по меди – в 3,5 раза. При модифицировании с применением ультразвукового воздействия удельная поверхность сорбента увеличивается в 2,3 раза. Отработанный цеолит может быть регенерирован обработкой кислотами не менее 6 циклов с уменьшением степени извлечения до 25 %. Предложена схема получения и сорбционной очистки с применением модифицированного нанотрубками цеолита.

Ключевые слова


модифицирование; многостенные углеродные нанотрубки; цеолит; сорбция; тяжелые металлы

Полный текст:

PDF

Литература


Булыжев, Е.М. Ресурсосберегающее применение смазочно–охлаждающих жидкостей при металлообработке / Е.М. Булыжев, Л.В. Худобин. – М.: Машиностроение, 2004. – 352 с.

Булыжев, Е.М. Новое поколение силовых очистителей водных технологических жидкостей / Е.М. Булыжев, А.Ю. Богданов, Е.Н. Меньшов. – Ульяновск: УлГТУ, 2010. – 420 с.

Климов, Е.С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод / Е.С. Климов, М.В. Бузаева. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 201 с.

Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon / S. Iijima // Nature. – 1991. – V. 354, № 7. – P. 56–58. DOI: 10.1038/354056a0

Раков, Э.Г. Нанотрубки и фуллерены / Э.Г. Раков. – М.: Университетская книга: Логос, 2006. – 376 с.

Sanchez, F. Nanotechnology in Concrete – a review / F. Sanchez, K. Sobolev // Construction and Building Materials. – 2010. – № 24 (11). – Р. 2060–2071.

Лукашин, А.В. Функциональные наноматериалы / А.В. Лукашин, А.А. Елисеев, Ю.Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 456 с.

Ткачев, А.Г. Углеродный наноматериал «Таунит» – структура, свойства, производство и применения / А.Г. Ткачев // Перспективные материалы. – 2007. – Т. 177, № 3. – С. 5–9.

Модифицирование многостенных углеродных нанотрубок карбоксильными группами и определение степени функционализации / М.Н. Кирикова, А.С. Иванов, С.В. Савилов, В.В. Лунин // Известия АН. Сер. химическая. – 2008. – № 2. – С. 291–295.

Preparation and modification of carbon nanotubes / D. Zhang, L. Shi, J. Fang et al. // Mater. Lett. – 2005. – V. 59. – P. 4044–4047. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.07.081

Li, Z. Nitrogen adsorption characterization of aligned multiwalled carbon nanotubes and their acid modification / Z. Li, Z. Pan, S. Dai // J. Colloid Interface Sci. – 2004. – V. 277, № 1. – Р. 35–42. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.05.024

Sensitivity of single wall carbon nanotubes to oxidative processing: structural modification, intercalation and functionalisation / M.T. Martínez, M.A. Callejas, A.M. Benito et al. // Carbon. – 2003. – V. 41, № 12. – P. 2247–2256. DOI: 10.1016/s0008-6223(03)00250-1

Елецкий, А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур / А.В. Елецкий // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174, № 11. – С. 1191–1231. DOI: 10.3367/UFNr.0174.200411c.1191

Hydrogen adsorption/desorption behavior of multi-walled carbon nanotubes with different di-ameters / P.-X. Hou, S.-T. Xu, Z. Ying et al. // Carbon – 2003. – V. 41, № 5. – P. 2471–2476. DOI: 10.1016/s0008-6223(03)00271-9

Структурно-адсорбционные свойства углеродных нанотрубок, модифицированных кислородом / Л.Ю. Котел, С.Я. Бричка, А.В. Бричка, П.П. Горбик // Химия, физика и технология поверхности. – 2007. – № 13. – С. 217–223.

Строение поверхности и адсорбционные свойства многослойных углеродных нанотрубок / С.Я. Бричка, Л.А. Белякова, Г.П. Приходько, Н.В. Роик // Известия АН. Серия химическая. –2006. – № 10. – С. 1712–1715.

Adsorption of nicotine and tar from the mainstream smoke of cigarettes by oxidized carbon nanotubes / Z. Chen, L. Zhang, Y. Tang, Z. Jia // Appl. Surf. Sci. – 2006. – V. 252, № 8. – P. 2933– 2937. DOI: 10.1016/j.apsusc.2005.04.044

Study of nitrogen adsorbed on single–walled carbon nanotube bundles / D.-H. Yoo, G.-H. Rue, Y.-H. Hwang, H.-K. Kim // J. Phys. Chem. B. – 2002. – V. 106, № 13. – P. 3371–3374. DOI: 10.1021/jp013004e

Capillary condensation of N2 on multiwall carbon nanotubes / S. Inoue, N. Ichikuni, T. Suzuki et al. // J. Phys. Chem. B. – 1998. – V. 102, № 24. – P. 4689–4692. DOI: 10.1021/jp973319n

Фильтровальные материалы на основе многостенных углеродных нанотрубок для очистки жидкостей / Т.Ю. Дьячкова, А.В. Исаев, И.А. Макарова и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Химия». – 2017. – Т. 9. – № 3. – С. 5–11. DOI: 10.14529/chem170301

Lu, Ch. Removal of nickel (II) from aqueous solution by carbon nanotubes / Ch. Lu, Ch. Liu // J. Chem. Technol. Biotechnol. – 2006. – V. 81, № 12. – P. 1932–1940. DOI: 10.1002/jctb.1626

Roy, A. Removal of Cu(II), Zn(II) and Pb (II) from water using microwave-assisted synthesized maghemite nanotubes / A.Roy, J. Bhattacharya // Chem. Eng. J. – 2012. – V. 211–212. – P. 493–500. DOI: 10.1016/j.cej.2012.09.097

Alaa, M. Efficient removal of La (III) and Nd (III) from aqueous solutions using carbon nanoparticles / M. Alaa, A. Kolesnikov, A. Desyatov // American Journal of Analytical Chemistry. – 2014. – V. 5, № 17. – P. 1273–1284.

Afkhami, A. Adsorptive removal of Congo red, a carcinogenictextile dye, from aqueous solutions by maghemite nanoparticles / A. Afkhami, R. Moosavi // J. Hazard. Mater. – 2010. – V. 174. – P. 398–403. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.09.066

Милютина, А.Д. Адсорбция ионов меди из водного раствора с использованием углеродных наноматериалов / А.Д. Милютина, В.А. Колесников // Успехи в химии и химической технологии. – 2015. – Т. 29, № 1. – С. 43–45.

Модифицирование природного цеолита углеродными нанотрубками для улучшения сорбционных свойств / Т.Ю. Дьячкова, Е.С. Климов, О.А. Давыдова

и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Химия». – 2018. – Т. 10, № 3. – С. 5–15. DOI: 10.14529/chem180301

Некоторые аспекты синтеза многостенных углеродных нанотрубок химическим осаждением из паровой фазы и характеристики полученного материала / Е.С. Климов, М.В. Бузаева, О.А. Давыдова и др. // Журнал прикладной химии. – 2014. – Т. 87, № 8. – С. 1128–1132.

Изменение поверхности и свойств многостенных углеродных нанотрубок при физико-химическом модифицировании / Е.С. Климов, М.В. Бузаева, О.А. Давыдова и др. // Журнал прикладной химии. – 2015. – Т. 88, № 8. – С. 1105–1110.




DOI: http://dx.doi.org/10.14529/chem190202

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.