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

Номинация: Самая актуальная работа
Просмотреть картинки списком
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

A_р = (С0 - С_р)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.