Сорбция ионов железа(III) на синтетических катионитах в водных растворах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сорбция ионов железа(III) на синтетических катионитах в водных растворах

Исследованы процессы сорбции ионов железа(III) из водных растворов солей хлоридов на слабокислом катионите КБ-4 и на сильнокислых катионитах КУ-1, КУ-2, КУ-2-8. Изучена кинетика сорбции, определены температурные зависимости, вычислены энергии активации сорбционных процессов. Рассчитаны константы адсорбции ионов Fe(III), определены энергии Гиббса сорбционных процессов.

Длительные технологические нагрузки на окружающую среду привели к ее значительному загрязнению тяжелыми металлами, радионуклеидами, нефтепродуктами и другими вредными для живой природы и человека веществами. Тяжелые металлы в отличие от многих других веществ не разлагаются и имеют тенденцию к накоплению. Они включаются в биологический круговорот веществ на длительные периоды времени и могут переноситься водотоками на большие расстояния, поэтому необходимы активные действия по удалению их, как на путях попадания их в организм человека, так и из основных источников их поступления в природную среду. При непрерывном увеличение числа объектов, подлежащих очистке, вопросы, связанные с изучением адсорбции тяжелых металлов из растворов имеют огромное практическое значение. Целью настоящей работы является определение особенностей физико-химических процессов, возникающих при сорбции ионов железа(III) на слабокислом катионите КБ-4 и на сильнокислых катионитах КУ-1, КУ-2, КУ-2-8.

Экспериментальная часть

Подготовка сорбентов заключалась в следующем: катионит переводили в натриевую форму, выдерживая его в насыщенном растворе хлорида натрия, с последующим промыванием раствора гидроксидом натрия и приведением сорбента в H+ форму раствором хлороводородной кислоты. Адсорбция ионов железа(III) на сорбентах изучалась в статических условиях, Концентрации растворов варьировались в диапазоне от 0.01М до 0.1М. Содержания ионов железа(III) определялась фотометрическим методом на длине волны 416 нм основанном, на том что Fe3+ образует с сульфосалициловой кислотой комплексное соединение желтого цвета при рН 9.0.

Результаты и их обсуждение

Величина сорбционной емкости катионитов определялась по разнице между концентрациями растворов до сорбции и после сорбции. По полученным данным были определенны величины поглотительной сорбции и построены изотермы сорбции.

Как видно из приведенных в табл. 1 значений слабокислый катионит КБ-4 обладает наибольшей поглотительной способностью, а наименьшей поглотительной способностью обладает сильнокислый КУ-1. Основную роль при адсорбции на данных катионитах играют обменные эффекты, так как сульфогруппы в цепях мало специфичны по отношению к большинству катионов [1]. Следует отметить, что рассматриваемые катиониты имеют большую селективность к иону Fe3+.

Таблица. 1. Сорбционные свойства катионитов

Природа исследуемой сорбции объясняется Ван-дер-Вальсовыми силами взаимодействия, то есть является физической [2]. Ионы железа(III) стремятся занять всю поверхность сорбентов, причем для каждой концентрации раствора на границе сорбент-сорбат с течением времени устанавливается состояние адсорбционного равновесия, причем процесс равновесия в системе для катионитов КУ-2, КУ-2-8 наступает в 2 раза примерно быстрее (1-2 часа), чем для КБ-4 и КУ-1 (3-4 часа).

Изучение процессов сорбции проводилось в интервалах температур от 296 до 323 К. С увеличением температуры сорбционная способность всех катионитов возрастает, при этом характер зависимости сохраняется. Наибольшую температурную зависимость проявляет сульфофенольный катионит КУ-1, значение сорбционной способности которого возросло примерно в 2.5 раза, наименьшую зависимость от температуры проявили катиониты карбоксильный слабокислотный КБ-4 и сульфокатионит сильнокислотный КУ-2 сорбционная емкость, которых возросла примерно в 1.5 раза. Сульфокислотный катионит КУ-2-8 увеличил свою поглотительную способность при увеличении температуры примерно в 2 раза. При описании экспериментальных изотерм сорбции для ионов тяжелых металлов из растворов, к которым относится и изучаемая нами система, наиболее часто используется модель сорбции Лэнгмюра, в которой для описания монослойной локализованной адсорбции на однородной поверхности применяется уравнение

сорбционный хлорид катионит

Таблица. 2. Зависимость сорбционной способности катионита от температуры

Таблица. 3. Значения свободной энергии Гиббса

Это уравнения позволило рассчитать константу Лэнгмюра и величину предельной сорбции иона железа на катионитах при разных температурах (табл. 2).

Для расчетов значений энергий активации сорбционного процесса были построены зависимости величины сорбционной емкости (Ns) сорбции ионов железа(III) на катионитах от величины обратной температуры 1/T (рисунок).

Наибольшие значения энергии активации в случае всех анализируемых нами ионов наблюдается для сорбента КУ-1, а наименьшая для КБ-4, что согласуется с предельными величинами сорбции (табл. 1).

Рисунок. Зависимости величины сорбционной емкости (Ns) сорбции ионов железа(III) на катионитах от величины обратной температуры 1/T

Полученные данные имеют линейный вид и их можно описать аррениусовскими экспоненциальными зависимостями:

Для расчета свободной энергии Гиббса (?G), являющейся характеристикой сорбционного процесса в реальных системах, были вычислены значения констант адсорбции (Kадс) при разных температурах, которые позволили рассчитать изобарно-изотермический потенциал для системы водный раствор-сорбент

?G = - RT lnK

В процессе сорбции происходит уменьшение ?G, отрицательные значения которой показывают самопроизвольность протекания данных процессов, а значения подтверждают наибольшую избирательность катионита КБ-4 к сорбции иона железа(Ш) и наименьшее значение ее для катионита КУ-1 табл. 3.

Выводы

Дана сравнительная характеристика сорбции ионов железа(III) из водных растворов на слабокислом катионите КБ-4 и на сильнокислых катионитах КУ-1, КУ-2, КУ-2-8. Вычисление энергии активации сорбционных процессов и констант адсорбции, а также определение энергии Гиббса и величины предельной сорбции Fe(III) доказывают наибольшую избирательность катионита КБ-4 и наименьшую КУ-1.

Литература

1.Чернышов Д. А. , Нестерова Т. Н., Таразанов С. В. Равновесные превращения нонилфенолов на сульфокатионитах. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №9. С.113-118.

2.Бобылев А.Е., Марков В.Ф., Маскаева Л.Н. Синтез и сорбционные свойства композиционных сорбентов на основе катионита КУ-2-8 с гидроксидной и сульфидной компонентой. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.29. №2. С.69-74.

Размещено на Allbest.ru