Автор:Е. Н. Калюкова, Н. Н. Иванская
Е. Н. Калюкова, Н. Н. Иванская. Исследован процесс адсорбции катионов железа(III) из растворов природными сорбентами опоками, диатомитом, доломитом. Получены количественные характеристики процесса адсорбции катионов Fe3+. Установлено, что все исследованные природные сорбенты обладают сорбционными свойствами по отношению к катионам железа(III). Опока характеризуется несколько более высокой адсорбционной способностью по сравнению с другими сорбентами.
Соединения железа в зависимости от степени его окисления (+2 или +3) могут находиться в природных и сточных водах в растворенном, коллоидном состоянии или в виде осадка, образуя различные химические соединения. Катионы Fe3+ в растворах полностью гидролизуются, образуя нерастворимый гидроксид Fe(OH)3, который находится в воде в виде коллоидных частиц. Поэтому вода, содержащая железо в степени окисления +3, имеет желто-бурую окраску, которую ей придает коллоидное железо. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной с характерным металлическим привкусом, поэтому такая вода становится практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. Повышенная концентрация железа вредна для организма человека.
Коллоидные частицы очень малого размера (менее 1 мкм) нерастворимы в воде и трудно поддаются фильтрации. Из-за своего малого размера и высокого поверхностного заряда они отталкиваются друг от друга, и не образуют более крупных частиц. Поэтому коллоидные частицы находятся в растворе во взвешенном состоянии, не осаждаются, создают в воде суспензии и обуславливают цвет и мутность исходной воды.
Не существует единого универсального метода комплексной очистки воды от всех существующих форм железа. Каждый из существующих методов применим только в определенных пределах концентрации железа в растворе и имеет как достоинства, так и существенные недостатки. Для очистки воды от катионов железа в зависимости от концентрации и формы железа в воде используют реагентные и безреагентные способы. Традиционные методы обезжелезивания воды основываются на окислении двухвалентного железа до трехвалентного состояния (различными способами) с образованием нерастворимого гидроксида железа(III), который впоследствии удаляется отстаиванием или фильтрованием, например, через кварцевый песок [1–4].
При использовании метода ионного обмена катиониты способны удалять из воды не только ионы кальция и магния, но и другие двухвалентные металлы, а следовательно, и катионы железа(II), находящиеся в растворе. При этом отпадает необходимость в стадии окисления и удаления осадка Fe(OH)3.
Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа Fe(OH)3 или в виде коллоидальных органических соединений, используют коагулирование. Коллоидные частицы окисленного железа имеют небольшой размер, медленно осаждаются, практически не фильтруются. Поэтому для их удаления из раствора применяют вещества-коагулянты, способствующие укрупнению частиц и их ускоренному осаждению.
Сорбционные методы довольно широко используются для выделения различных катионов металлов из сточных вод промышленных предприятий, что позволяет очищенную воду использовать повторно в замкнутых системах водного хозяйства предприятий. В данной работе было решено проверить сорбционные свойства некоторых природных сорбентов, таких как опока, диатомит, доломит по отношению к катионам железа(III). Применение местных природных сорбентов экономически более выгодно, так как они имеют невысокую стоимость, но позволяют получать достаточную глубину очистки. Кроме того, в рассматриваемом случае можно исключить стадию регенерации сорбента.
Опоки и диатомиты используются в промышленности в качестве адсорбентов различных неорганических и органических веществ, как катализаторы и носители катализаторов. Опоки более твердые и темные, чем диатомиты и состоят из мелкозернистого аморфного кремнезема с примесью глины, песка, глауконита и др. Опоки отличаются повышенным содержанием Fe2O3 и MgO.
Диатомит — рыхлая или сцементированная кремнистая горная порода белого, светло-серого или желтоватого цвета. Диатомит более чем на 50 % состоит из панцирей диатомей. Диатомиты обладают большой пористостью, малой плотностью (не тонут в воде), адсорбционными и теплоизоляционными свойствами. Химически диатомит на 96 % состоит из водного кремнезема.
Природный доломит — осадочная карбонатная горная порода, белого, серого или другого цвета, целиком или преимущественно состоящая из породообразующего минерала класса карбонатов — доломита, CaMg(CO3)2. На основе природного доломита, изготавливают фильтрующие материалы, которые обладают способностью корректировать рН очищаемой воды.
При исследовании опока и доломит использовалась в виде зерен размером 1–2 мм, диатомит — в виде порошка. Сорбционные свойства сорбента определяли статическим методом. Для проведения эксперимента из раствора хлорида железа(III) методом разбавления были приготовлены модельные растворы с концентрациями катионов Fe3+ от 3 мг/л до 150 мг/л. В процессе исследований рН в растворах не корректировался. Сорбент массой 1 г помещали в колбу вместимостью 100 мл и заливали раствором, объемом 50 мл, содержащим фиксированную концентрацию ионов Fe3+. Смесь перемешивали в течение 1 ч, сорбент отфильтровывали через 1 сутки. Концентрацию катионов железа(III) определяли в исходном растворе и в фильтрате фото- метрическим методом на фотоколориметре КФК–2 МП по стандартным методикам [5].
Количественно адсорбция (Г) определяется избытком вещества на границе фаз по сравнению с равновесным количеством данного вещества в растворе. О сорбционных свойствах природного материала судят по изотермам, которые характеризуют зависимость сорбционной способности исследуемого сорбента от концентрации адсорбата в растворе при постоянной температуре. Сравнивая значения исходной концентрации катиона в растворе с остаточной концентрацией ионов металла после контакта раствора с сорбентом, можно сделать вывод об адсорбционной способности данного иона на исследуемом сорбенте и свойствах самого сорбента [6].
По полученным экспериментальным данным была рассчитана величина адсорбции Г ионов Fe3+ из растворов хлорида железа(III) с разной исходной концентрацией на исследуемых природных сорбентах,
По классификации, данной Брунауэром, Эмметом и Теллером [7], изотермы, характеризующие процесс адсорбции на исследуемых сорбентах, больше напоминают изотерму II типа, которая характерна для сорбента со смешанной структурой. Выпуклые участки изотерм такого типа связывают с наличием в сорбенте микропор. Кроме того, полученные изотермы можно отнести и к S–образным изотермам. Нижняя часть S–образной кривой от начала координат до точки перегиба соответствует образованию мономолекулярного слоя, а затем происходит полимолекулярная адсорбция, объясняющая дальнейший подъем кривой.