Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.


Исследовательская работа «Очистка питьевой воды с использованием в качестве сорбента оксогидроксида алюминия»

Номинация: Самая актуальная работа

Студентка Локотаева О.А. в химической лаборатории при проведении фотоколориметрического анализа.
Студентка Локотаева О.А. в химической лаборатории при проведении фотоколориметрического анализа.

Рабочая группа.
Рабочая группа.

Рис.1 Изотерма сорбции As5+ на оксогидроксиде алюминия.
Рис.1 Изотерма сорбции As5+ на оксогидроксиде алюминия.

Рис. 2 Изотерма сорбции Сг на оксогидроксиде алюминия.
Рис. 2 Изотерма сорбции Сг на оксогидроксиде алюминия.

Рис.3 Изотерма сорбции Ni+ на оксогидроксиде алюминия.
Рис.3 Изотерма сорбции Ni+ на оксогидроксиде алюминия.

Рис.4 Зависимость сорбции As5+ от pH раствора.
Рис.4 Зависимость сорбции As5+ от pH раствора.

Рис. 5 Зависимость сорбции Сг от рН раствора.
Рис. 5 Зависимость сорбции Сг от рН раствора.

Рис.6 Зависимость сорбции Ni+ от рН раствора.
Рис.6 Зависимость сорбции Ni+ от рН раствора.

Таблица 1. Результаты зависимости максимальной сорбционной емкости от концентрации железа (3) на поверхности сорбента.
Таблица 1. Результаты зависимости максимальной сорбционной емкости от концентрации железа (3) на поверхности сорбента.

Таблица 2. Значения сорбционной емкости по катионам и анионам.
Таблица 2. Значения сорбционной емкости по катионам и анионам.

Оценить:

Рейтинг: 3.95

Автор: Локотаева Ольга Андреевна, Лях Мария Сергеевна. Наставники: Планкина Марина Викторовна, Говор Елена Ивановна
1ое, 2ое и 3е место: I место
Город: Томск
Место учебы: ОГБОУ СПО «Томский промышленно-гуманитарный колледж»

Актуальность исследования: В последнее время наметилось использование оксогидроксида алюминия для получения фильтров биологической очистки и тонкой очистки воды от ионов мышьяка и других загрязняющих веществ.

Цель исследования: Изучение сорбции неорганических ионов As5+, Cr6+ и Ni2+ на наноразмерном оксогидроксиде алюминия и оценка возможности его использования в процессах водоочистки.

Объект исследования: Наноразмерный оксогидроксид алюминия.

«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь. Ты самое большое богатство в мире»
Антуан де Сент-Экзюпери

Питьевая вода - необходимый элемент жизнеобеспечения населения, от ее качества, количества и бесперебойной подачи зависят состояние здоровья людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень благоустройства жилищного фонда и городской среды, стабильность работы коммунально-бытовой сферы. Низкий технический уровень используемых на очистных станциях технологий водоочистки не обеспечивает необходимого качества потребляемой населением воды, что заметно влияет на состояние здоровья жителей.

К числу важнейших факторов, обуславливающих загрязнение воды, относятся тяжелые металлы и мышьяк. Попадание в воду тяжелых металлов связано с деятельностью целого ряда отраслей промышленности (горнодобывающей, тяжелой, черной и цветной металлургии, текстильной, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и т.д.). Попавшие в воду соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по большому объему, оказывая вредоносное воздействие на окружающую среду и состояние здоровья людей, т.к. многие из них (например, никель и хром) являются канцерогенными элементами. Для некоторых тяжелых металлов установлена возможность микробиологического алкилирования, таким образом, они могут включаться в цикл питания; метилирование характерно для мышьяка и ртути. Соединения мышьяка и ртути включаются в пищевую цепь и постепенно концентрируются в организме животных. В конце цепи, дойдя до человека, они достигают токсичных концентраций. В связи с этим, контроль содержания тяжелых металлов и мышьяка в воде является актуальной задачей.

В настоящее время, когда очистка воды стала одним из самых распространенных технологических процессов, вопросы ее усовершенствования особенно актуальны. Реально оценивая состояние городских станций водоочистки и водопроводных сетей города, рассчитывать на существенное улучшение параметров их работы в ближайшем будущем не приходится. В этом случае единственной возможностью является использование локальных устройств, обеспечивающих доочистку водопроводной воды.

Среди различных методов очистки питьевых и сточных вод большое распространение получил сорбционный метод. Сорбция (от лат. sorbeo - поглощаю), поглощение твердым телом или жидкостью различных веществ (жидкостей или газов) из окружающей среды. Поглощающее тело называют сорбентом, поглощаемое сорбатом [1,2]. Для очистки воды все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты и некоторые другие материалы)

Появилось большое число работ, посвященных различным наноматериалам. Полученные результаты свидетельствуют о больших перспективах применения наноразмерных материалов при создании устройств нового поколения, которые могут быть использованы в различных областях от медицины до микроэлектроники.

Нанопорошки (с размерами частиц менее 0,1 мкм) являются новыми материалами, обладающими рядом уникальных свойств, отличающих их от материалов в массивном состоянии.

Они отличаются высокими сорбционными свойствами, что позволяет использовать такие сорбенты для избирательного извлечения ценных компонентов из сложных растворов, а также для очистки природных вод от токсичных металлов. Перспективными в различных применениях являются образцы оксогидроксида алюминия волокнистого строения, состоящие из нитей толщиной в несколько нанометров. Они имеют большую и сравнительно легкодоступную поверхность.

В последнее время наметилось использование оксогидроксида алюминия для получения фильтров биологической очистки и тонкой очистки воды от ионов мышьяка и других загрязняющих веществ. Использованный в работе наноразмерный волокнистый оксогидроксид алюминия был получен в результате взаимодействия электровзрывного нанопорошка алюминия с водой [3]. Известно, что алюминий с водой не взаимодействует из-за наличия на поверхности оксидной пленки, которая препятствует реакции. Нужно создать специальные условия, чтобы осуществить такую реакцию. Однако, порошки алюминия, полученные методом электрического взрыва, начинают реагировать с водой при температуре 60°С. При данных условиях реакция взаимодействия алюминия с водой протекает до стадии получения нановолокна состава AlOOH, далее образец прокаливали при 400°С в течение 2-х ч.

В настоящей работе изучены сорбционные возможности нанопорошка оксогидроксида алюминия по отношению к мышьяку (V), хрому (VI) и никелю (II) для использования в очистке воды.

Цель работы:

- изучение сорбции неорганических ионов As 5+, Cr6+ и Ni2+ на наноразмерном оксогидроксиде алюминия;

- оценка возможности его использования в процессах водоочистки.

Сорбция проводилась в статическом режиме по следующей методике: стаканчики содержащие одинаковое количество сорбента заполнялись растворами с различной концентрацией выше перечисленных ионов. В качестве сорбента в работе использовался наноразмерный волокнистый оксогидроксид алюминия, полученный в результате взаимодействия нанопорошка алюминия с водой.

Определение данных ионов проводили фотоколориметрическим методом [5].

Определение мышьяка проводили с молибдатом аммония и добавление гидразина. Раствор подогревали на водяной бане 15 мин до появления синей окраски и проводили измерение оптической плотности при Х=750 нм.

Определение хрома поводили с дифенилкарбазидом, применимым при содержании хрома от 0,05 до 1 мг/г.

Хроматы и бихроматы реагируют в кислой среде с дифенилкарбазидом с образованием растворимого соединения фиолетового цвета, пригодного для колориметрирования.

Никель определяли с диметилглиоксимом при добавлении 3% раствора персульфата аммония и 25% раствора аммиака с образованием комплекса кирпичного цвета. Оптическую плотность измеряли при Х=440 нм.

Сорбционную емкость (мг/г) рассчитывали по формуле

Aр = (С0 - Ср)V / m

Были получены изотермы сорбции ионов мышьяка, хрома и никеля из растворов на оксогидроксиде алюминия (рис. 1, 2, 3) [4]. Из изотерм сорбции определили максимальную сорбционную емкость ионов, которые составили соответственно - 7,6 мг/г ; 6,3 мг/г ; 7,8 мг/г.

Для повышения сорбционной возможности оксогидроксида алюминия по отношению к мышьяку (V) провели его модификацию.

Принимая во внимания низкую растворимость арсенатов железа и не токсичность ионов железа, мы модифицировали поверхность железом. Результаты показали, что модификация поверхности сорбента железом приводит к увеличению максимальной сорбционной емкости по мышьяку.(Табл. 1)

Кроме того в настоящей работе было изучено влияния характера среды (рН) на сорбцию данных ионов на оксогидроксиде алюминия. Сорбция проводилась также в статическом режиме. По результатам установили, что величина адсорбции As5+ быстро уменьшается при рН > 6, наибольшая сорбция хрома наблюдается в интервале рН до 3. Для Ni2+ величина сорбции растёт неравномерно с увеличением рН и имеет ступенчатый характер (рис. 4, 5, 6).

Для определения активных центров поверхности была исследована адсорбция ионов Н+ и ОН- на оксогидроксиде алюминия. В таблице 2 представлены данные по всем катионам и анионам.

Как видно из таблицы по водороду и гидроксо-группам максимальная сорбционная емкость больше. Это связано с их малыми размерами.

Сравнительно небольшие величины максимальной ёмкости по катионам и анионам можно объяснить тем, что в адсорбции ионов участвуют не все поверхностные кислотные и основные центры. Это связано с экранированием поверхности из-за их больших размеров.

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

• Изучена сорбция ионов мышьяка (V), хрома (VI), никеля (II) на оксогидроксиде алюминия.

• Проведен анализ изотерм сорбции.

• Проведена модификация поверхности ионами Fe(III) Показано, что модификация оксогидроксида алюминия ионами Fe(III) повышает сорбционную емкость по отношению к мышьяку (V).

• Изучено влияние рН на сорбцию ионов.

Таким образом, нанопорошок можно рассматривать как потенциальный сорбент для удаления мышьяка, хрома, никеля и других тяжелых металлов из водных растворов различного состава и для изготовления фильтров в производстве бытовых водоочистителей.

Список литературы

1. Когановский А.М. Адсорбция и ионный обмен в процессах водоподготовки и очистки сточных вод. Киев: Наук. Думка. 1983. 240 с.

2. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия. 1982. 168 с.

3. Tepper F., Lerner M., Ginley D. Nanosized Alumina Fibers // Bulletin American Ceramic Society. 2001. V. 80. № 6. P. 57-60.

4. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия. 1982. 400 с.

5. Унифицированные методы анализа вод. Под ред. Ю.Ю. Лурье. М.: Химия, 1973. 376 с.