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

Татьяна Юрьевна Дьячкова
Ульяновский государственный технический университет. 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32

Ирина Алексеевна Макарова
Ульяновский государственный технический университет. 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32

Екатерина Сергеевна Ваганова
Ульяновский государственный технический университет. 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32

Ольга Александровна Давыдова
Ульяновский государственный технический университет. 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32

Татьяна Владимировна Мосунова
Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, проспект Ленина, 76


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.