Синтез и исследование отечественных углеродных сорбентов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

Коммунальное Государственное Учреждение
«Общеобразовательная школа № 37
Бостандыкского района города Алматы»
Выполнила: Рашид Аружан, ученица 10 «А»  класса
Руководитель – педагог: Жакыбаева Гульмира Мукатаевна,
учитель химии, и.о.директора  КГУ ОШ № 37


Направление: Здоровая природная среда – основа реализации стратегии «Казахстан - 2030»г

 

Содержание:
1.    Ведение.
Актуальность проблемы
2.    Методики эксперимента
Методика карбонизации и активации
Метод определения содержания углерода
Определение плотности углеродных образцов
Газохроматографический метод определения удельной поверхности образцов
Электронно-микроскопическое исследование
Электронно-микроскопическое исследование
Методика сорбции ионов металлов
Атомно-адсорбционный анализ водных систем

3.    Экспериментальная часть
4.    Выводы

Аннотация.

Работа призвана сосредоточить усилия, что вода является источником жизни на земле. Тело человека состоит на половину из воды и конечно, без воды нам не прожить. Но чтобы быть здоровым, нужно употреблять очищенную воду.

В настоящее время возрастает роль углеродных сорбентов в решении экологических проблем: очистки питьевой и сточной воды, отходящих газов предприятий промышленности и энергетики.

Поскольку эти материалы дешевле для получения активированных углей  (АУ), в последнее время повысился интерес к углеродным адсорбентам.

В работе наиболее представлены исходные органические материалы, используемые при получении (АУ), которые разделены на 3 группы:

1. Растительное и животное сырье, включая древесину, опилки, отходы бумажного производства, косточки плодов, скорлупу орехов, отходы кожевенной промышленности: кости, кровь животных;

2. Минеральное сырьё: торф, уголь, антраций, кокс, продукты перегонки нефти.

3. Синтетические смолы, полимеры. Вся программа работы о методиках эксперемента разбита на методы исследований, к каждому из которых рекомендованы примеры. Особое внимание в работе  уделяется практической ценности методов исследований.

Уделяется внимание физико - химической очистке (коагулирование, отстаивание, фильтрация) в качестве самостоятельных способов очистки или в сочетании с биологической очисткой, а также т. научной обработки (сорбация, ионообмен, гиперфильтрация, удаление азотистых веществ и фосфаритов и др.), обеспечивающей весьма высокую степень очистки сточных вод перед спуском в водоёмы или при использовании сточных вод в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Эффективные методы термического обезвреживания и переработки высококонцентрированных стоков во вторичное сырьё, а также закачки стоков в глубокие, надёжно - изолированные подземные горизонты.

Имеющиеся в сточных водах (преимущественно бытовых), содержащие азот, калий, фосфор, кальций и др. элементы являются ценными удобрениями для сельско - хозяйственных культур, в связи с чем сточные воды после обработки (сбраживание, сушка) обычно используют в качестве удобрений.

Специфика исследований состоит в детализации тех требований при очистке сточных вод промышленных предприятий адсорбционным методом. Позволяет полностью обеспечить удаление вредных примесей, но и утилизацию наиболее ценных компонентов..

Отмечается эффективность адсорбционного метода, определяется свойствами используемого в нём адсорбента, в том числе его пористой структурой, характеристиками поверхности и механической прочностью, которые дают возможность достичь высокой степени очистки и многократного использования адсорбента.

Цель достигнута, но при этом немало - важное значение имеет себестоимость.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В настоящее время основные направления использования углеродных сорбентов связаны с технологическими процессами адсорбционной очистки, разделения, выделения и концентрирования в газовых и жидких средах. Постоянно возрастает роль углеродных сорбентов в решении экологических проблем: очистки питьевой и сточной воды, отходящих газов предприятий промышленности и энергетики.

Нетрадиционным сырьём, которое ещё не нашло широкого применения в промышленности, могут быть косточки различных плодовых деревьев (абрикоса, персика, сливы, вишни, винограда) и скорлупы различных орехов, которые в настоящее время являются  отходами производства. В Европе ряд производителей получает прочный активированный уголь из скорлупы кокосового и лесного орехов и оливковых косточек, которые представляют собой отходы производства оливкового масла в странах Средиземноморья.

Поэтому в последние годы вновь повысился интерес к углеродным адсорбентам, получаемым из плодовых косточек и скорлупы различных орехов [3, 4], поскольку эти материалы существенно дешевле, чем традиционные предшественники (прекурсоры) для получения активированных углей (АУ), такие как синтетические полимеры и природные угли. Но при этом, по-прежнему остается актуальным вопрос о путях увеличения выхода готового продукта и улучшения структурно-сорбционных характеристик активированных углей.

Исходные органические материалы, используемые при получении активных углей, в общем можно разделить на три группы:

1) растительное и животное сырье, включая древесину различных пород, опилки, отходы бумажного производства, косточки плодов, скорлупу орехов, отходы кожевенной промышленности: кости и кровь животных и др.;

2) минеральное сырье, а именно: торф, бурый и каменный уголь, антрацит, каменноугольный пек,  кокс, продукты перегонки нефти и т. п.;

3) синтетические смолы и полимеры.

Первичной стадией получения активных углей является процесс карбонизации, сводящийся к термической обработке исходного сырья без доступа воздуха при температурах 400-600 °С. Получаемый в результате карбонизации уголь-сырец не проявляет заметной сорбционной активности, поскольку его поры либо слабо развиты, либо блокированы высокомолекулярными продуктами пиролиза (смолами). Ясно, что характер течения карбонизации и свойства угля-сырца должны существенно зависеть от природы исходного сырья и режима термической обработки.

Углеродные материалы, получаемые пиролизом твердого сырья, как правило, обладают слабо развитой пористой структурой и невысокой адсорбционной способностью. Для повышения качества углеродных сорбентов их дополнительно обрабатывают парами воды или СО2 при повышенной температуре (так называемая стадия активации сорбентов). При этом часть углерода газифицируется, что сопровождается ростом объема пор и удельной поверхности, а также изменением соотношения между объемами микро-, мезо- и макропор.

Благодаря наличию пор АУ имеют высокую удельную поверхность. Способность АУ к адсорбции различных молекул определяется строением его поверхности, природой и концентрацией поверхностных реакционно-способных групп. В качестве последних обычно выступают кислородсодержащие функциональные группы, образующиеся в результате окислительной обработки поверхности углеродного материала: фенольные (гидроксильные), карбонильные (хиноидные), карбоксильные, эфирные, енольные, лактонные.

Крупномасштабное использование углеродных сорбентов в целях охраны окружающей среды (очистка стоков, газовых выбросов, загрязненных почв) требует расширения производства АУ из дешевых видов органического сырья: ископаемых твердых топлив, торфа, растительной биомассы, отходов пластмасс.

На основе данных по влиянию температуры карбонизации и скорости нагрева исходного сырья на микроструктуру углеродных продуктов осуществлен подбор условий карбонизации, обеспечивающих получение активных углей с молекулярно-ситовыми свойствами.

При получении активных углей свойства их можно регулировать выбором соответствующего сырья, метода активирования, изменением продолжительности и условий активирования; при этом на определенные свойства может влиять целый ряд условий. Так, число и распределение размеров пор зависят, в частности, от природы сырья, вида и условий процесса активи­рования. В процессе химического активирования некарбонизованного исходного материала получают уголь с высокой актив­ностью и относительно широкими микропорами, однако он загрязнен неорганическими добавками, используемыми в процессе изготовления. Если тот же исходный материал, например древесину, вначале подвергнуть пиролизу, а затем активировать водяным паром, можно получить продукт, содержащий в основном тонкие поры и не имеющий посторонних примесей.

Очистка сточных вод промышленных предприятий адсорбционным методом позволяет полностью обеспечить не только удаление вредных примесей, но и утилизацию наиболее ценных компонентов. Эффективность адсорбционного метода, прежде всего, определяется свойствами используемого в нем адсорбента, в том числе его пористой структурой, характеристиками поверхности и механической прочностью, которые дают возможность достичь высокой степени очистки и многократного использования адсорбента. Немаловажное значение при этом имеет его себестоимость.

МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

1 Методика карбонизации и активации

Термообработку сельскохозяйственных отходов проводили во вращающемся реакторе. Карбонизацию проводили в токе аргона, время выдержки от 5 до 60 минут при  200-900ºС. После термообработки реактор охлаждали до комнатной температуры, продувая сухим аргоном. Далее карбонизованные образцы активировали водяным паром при температуре 600ºС в течение 2-х часов. По стандартным методикам определяли насыпную плотность и сорбционную способность, а также удельную поверхность по методу тепловой десорбции.

Для задания режима высокотемпературной обработки углеродных материалов, использовался автоматический электронный блок контроллер-программатор, температура в реакторе поддерживалась с точностью 5 °С.

Рисунок 1 – Установка для карбонизации

2 Метод определения содержания углерода

Содержание углерода на поверхности исследуемых образцов определялось методом, основанном на сжигании навески зауглероженного образца в токе очищенного от примесей кислорода. Для сжигания использовалась установка представляющая собой горизонтальную трубчатую печь с регулируемым нагревом. Кислород проходил над образцом в избыточном количестве. Диоксид углерода, образовавшийся при сгорании содержащегося в образце углерода, уносился потоком кислорода и поглощался раствором Ba(OH)2.

Ba(OH)2 + CO2 → BaCO3   + H2O

Процентное содержание углерода рассчитывалось по навеске получившегося карбоната бария:

где,  

wc – процентное содержание углерода, %;

Ar(C) – относительная атомная масса углерода, г/моль;

m(BaCO3) – масса карбоната бария, г;

mобр – масса образца, г;

Mr(BaCO3) – относительная атомная масса карбоната бария, г/моль.

3 Определение плотности углеродных образцов

Образец сушат до постоянной массы, затем измельчают до порошкообразного состояния. Образец в виде порошка насыпают на мерную цилиндр и взвешивают. Плотность образцов определяется по формуле:

где,  p – плотность образца, г/см3; m – масса образца, г; V – объем образца,  см3. Погрешность – 2-3%.

4 Газохроматографический метод определения удельной поверхности образцов

Измерение удельной поверхности по одноточечному методу БЭТ и размера пор по предельному заполнению проводился на сорбтометре
модели М. Принцип работы анализатора основан на использовании метода тепловой десорбции газа-адсорбата (азота или аргона) с поверхности исследуемых материалов в динамических условиях. В этом методе через адсорбер с размещенным в нем исследуемым образцом пропускают стационарный поток газовой гелий-азотной смеси с заданным составом.

В ходе процессов «адсорбции-десорбции» объемная доля газа-адсорбата в газовой смеси изменяется, что регистрируется с помощью детектора по теплопроводности (ДТП). Выходным рабочим сигналом ДТП является преобразованный в электрический сигнал пик повышенной концентрации газа-адсорбата при его тепловой десорбции с поверхности образца. Площадь этого пика пропорциональна объему газа-адсорбата, десорбированного с образца. Анализатор автоматически производит расчет удельной поверхности исследуемого образца и других текстурных характеристик по той или иной стандартной методике (одноточечный метод БЭТ, многоточечный метод БЭТ, многоточечный метод STSA).

Расход газа носителя – гелия в смеси с адсорбатом – аргоном: 48-50 мл/мин, концентрация аргона в смеси 3-6 %. Величина навески образца 0,03-0,15 г. Погрешность среднего результата ± 4-6 %.

5 Электронно-микроскопическое исследование

Структурные исследования проводились на электронном микроскопе JEM-100CX с разрешением по линиям 2 А°. Для просмотра в электронном микроскопе готовилась пленка-подложка. Порошок наносился на пленку-подложку двумя методами: методом суспензии и сухого напыления. Приготовленный препарат устанавливался в объектодержатель и затем в электронный микроскоп.

6 Методика ИК-Фурье спектроскопии

Измерения ИК- спектров исследуемых образцов проводили на ИК-спектрометре UR-20 и фирмы “Mattson” (USA) с преобразователем Фурье в виде таблеток, спрессованных с KBr [86].

7 Методика сорбции ионов металлов

1 г полученного карбонизованного образца помещаем в стакан с магнитной мешалкой и наливаем 50 мл приготовленного раствора металла с концентрацией превышающей ПДК в 10 раз. По истечении определенного времени по разнице исходной концентрации и пропущенной через сорбент растворов металлов определенным атомно-абсорбционным анализом определяем поглощенное количество ионов металлов.

8 Атомно-адсорбционный анализ водных систем

Для исследования поглощения углеродными образцами ионов тяжелых металлов из водных растворов проводился анализ проб модельных растворов, методом атомно-абсорбционного анализа до и после процессов сорбции. Анализ проводился на атомно-абсорбционном спектрометре фирмы «Perkin Elmer». В качестве горючего-окислителя применялась система ацетилен-воздух.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Разработка доступных по стоимости адсорбентов на основе растительного сырья вызвана обострением экологической ситуации в республике. Источниками сырья для получения дешевых углеродных сорбентов могут служить отходы сельского хозяйства, в частности, плодовые косточки и скорлупа различных орехов. Доступность и возобновляемость сырья, малое содержание минеральных примесей, развитая пористая структура, экологически чистое производство позволяет получать дешевые, быстро регенерируемые углеродные сорбенты.

В представленной работе изучен процесс карбонизации абрикосовых косточек (АК) в зависимости от температуры, скорости подачи газа и времени. С целью выявления новых возможностей получения высокопористых и достаточно дешевых углеродных сорбентов исходные АК дробили, подвергали рассеву. Для работы отбирали фракции 2 мм, 4 мм, 8 мм. Термообработку сельскохозяйственных отходов проводили во вращающем реакторе (рисунок 1). По стандартным методикам определяли насыпную плотность и сорбционную способность, а также удельную поверхность по методу тепловой десорбции.

Методом элементного анализа установлено, что с повышением температуры карбонизации содержание углерода в образцах увеличивается, водорода и кислорода – уменьшается, при этом также происходит выделение летучих продуктов (таблица 1).

Таблица 1 – Элементный анализ углеродных образцов, полученных при разных температурах

Сорбент

С, % мас.

Н, % мас.

N, % мас.

O2, % мас.

Коксовый остаток,  % мас.

Исходные АК

67,98

6,40

0,90

2,87

21,85

АКкарб. –  500°С

81,72

5,61

1,41

2,60

8,66

АКкарб  – 550°С

81,70

5,02

1,59

2,46

9,23

АКкарб. – 600°С

82,25

4,50

1,60

2,53

9,12

АКкарб. – 650°С

82,80

4,57

1,56

2,48

8,59

АКкарб. – 700°С

82,30

4,36

1,60

2,09

9,65

АКкарб. – 750°С

83,69

4,36

1,02

2,33

8,60

АКкарб. – 800°С

92,85

3,03

1,60

1,05

1,47

 

Из таблицы 1 видно, что содержание углерода в КС на основе абрикосовых косточек достигает 82,3-83,7 % при температуре 700-750ºС, а при температуре 800ºС – 92,85%. Эти полученные данные хорошо согласуются с литературными данными.

На рисунке 2 приведены зависимости содержания углерода для АК  (при их карбонизации) от  времени контакта.

1 – АК, карбонизованные при 600ºС; 2 – АК, карбонизованные при 650ºС; 3 – АК, карбонизованные при 700ºС; 4 – АК, карбонизованные при 750ºС; 5 – АК, карбонизованные при 800ºС.

Рисунок 2 – Зависимость содержания углерода от времени карбонизации для АК, карбонизованных при различных температурах

В течение первых 20 минут процесса карбонизации образование углерода увеличивается, а после 30 минут видно, что выход углерода достигает максимального значения почти ~86%.

Измерение удельной поверхности по одноточечному методу БЭТ и размера пор по предельному заполнению проводился на сорбтометре
модели М. Результаты исследования приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты анализов полученных сорбентов на Сорбтометре-М

Образцы, полученные при разных условиях

Удельная поверхность, м2

Удельный объем пор, см3

Средний размер пор, нм

АКкарб  – 500°С

560

0,055

1,718

АКкарб. – 550°С

630

0,079

1,718

АКкарб  – 600°С

770

0,092

1,721

АКкарб. – 650°С

780

0,087

1,718

АКкарб. – 700°С

810

0,100

1,722

АКкарб. – 750°С

830

0,108

1,721

АКкарб. – 800°С

800

0,096

1,720

Полученные данные позволяют судить об изменении пористой структуры сорбентов. Как видно из таблицы 2, удельная поверхность углеродных сорбентов на основе АК увеличивается от 560 до 830 м2/г, объем пор увеличивается от 40 до 67 %. Средний размер пор во всех образцах составляют в пределах 1,72 нм. Плотность углеродных сорбентов с ростом температуры карбонизации уменьшается от 1,74 до 0,55 г/см3

Таким образом, из полученных экспериментальных данных процесса карбонизации и элементного анализа следует, что карбонизация образцов приводит к увеличению их удельной поверхности и пористости и уменьшению плотности. 

В работе современными физико-химическим методами анализа (ИК-Фурье-, метод электронной микроскопии, атомно-адсорбционный анализ) изучены физико-химические характеристики полученных углеродных сорбентов, влияющие на адсорбционную активность.

Для изучения структурных особенностей материалов, образующихся в процессе карбонизации растительной клетчатки, были выбраны сорбенты, полученные на основе скорлупы абрикосовых косточек (АК). Электронно-микроскопическое исследование углеродных сорбентов проводились на поляризационном сканирующем электронном микроскопе. Исследованиями исходного и карбонизованных образцов показано, что путем карбонизации можно получить более развитую структуру с большей удельной поверхностью и пористостью. Как видно из рисунка 3, образец в исходной форме очень плотный и не содержит пор на своей поверхности, а высокотемпературная карбонизация приводит к морфологическим изменениям структуры полученных углеродных материалов (рисунки 4-6). С повышением температуры карбонизации размеры пор увеличивается, образуются новые, происходит двух и нескольких пор в одну, изменяются поверхность и объем.

Рисунок 3 – Электронно-микроскопический снимок АК

На рисунке 4 приведен образец карбонизованной при температуре 600°С и времени карбонизации 30 мин.

d= 500нм,  l=500-1000 нм

Рисунок 4 – Электронномикроскопические снимки карбонизованных сорбентов АК при 650ºС

С повышением времени и температуры карбонизации углеродное волокно представлено в виде нанотрубок разной формы. При температуре карбонизации 750ºС впервые показано, что волокнистый углерод состоит из шаров, имеющих форму фуллеренов с очень развитой поверхностью, т.е. наблюдается образование фуллереноподобных соединений на поверхности (рисунки 5-7).

d= 50-100 нм, l= 200-300 нм

Рисунок  5 – Электронномикроскопические снимки карбонизованных сорбентов АК при 700ºС

d=50-60 нм, l= 100 нм

Рисунок  6 – Электронномикроскопические снимки карбонизованных сорбентов АК при 750ºС

    

d=50-60 нм,   l= 5-100 нм

Рисунок  7 – Электронномикроскопические снимки карбонизованных сорбентов АК при 800ºС

Химическая структура углеродного материала довольно сложна и, в основном, состоит из аморфной и микрокристаллической графитоподобной частей. Последняя важна для обеспечения емкости носителя, поскольку обеспечивает щелевидные каналы, составляющие весомую часть микропор. Размеры таких щелевидных отверстий характеризуются половиной их ширины, в отличие от размеров цилиндрических каналов, которые оцениваются по радиусу. Расположение атомов углерода в кристаллической части углеродных сорбентов напоминает решетку графита и состоит из гексагональных элементов, объединенных в слои.

При определенных условиях карбонизации удается вызвать на поверхности образование углеродных трубок и других фуллереноподобных структур. Способность углеродного материала к адсорбции различных молекул определяется строением его поверхности, природой и концентрацией поверхностных реакционно-способных групп. В качестве последних обычно выступают кислородсодержащие функциональные группы, образующиеся в результате окислительной обработки поверхности углеродного материала: фенольные (гидроксильные), карбонильные (хиноидные), карбоксильные, эфирные, енольные, лактонные. Схема строения функциональных групп на поверхности карбонизованного сорбента представлена на рисунке 8.

1 – фенольная (гидроксильная); 2 – карбонильная (хиноидная);
3 – карбоксильная; 4 – эфирная; 5 – энольная; 6, 7, 8 – различные типы лактоновых группировок

Рисунок 8 – Схема строения функциональных групп, образующихся на поверхности карбонизованных материалов

Поверхностные свойства углеродных материалов изучены ИК-Фурье спектроскопическим методом. В ИК-спектре исходного образца наблюдается характеристические полосы поглощения валентных колебаний NH2-
(3432 см-1), связанных ОН- (3010, 3106 см-1), С=О- (1645 см-1), С-О- (1242 см-1), маятниковых деформационных колебаний С-ОН-групп (1056, 1158 см-1), валентных колебаний С=С-, С=N-связей (1663 см-1) и деформационных колебаний СН2-групп (1379 см-1) (рисунок 9). В ИК-спектрах образцов после карбонизации спектральная картина несколько меняется, в них уменьшается интенсивность полос поглощения следующих групп: NH2, -С-ОН, -С=О (~ в 2 раза), появляется полосы СºС-связи (2170 см-1), а интенсивность полос поглощения СН2 ароматического кольца не обнаружено (рисунок 10). Это свидетельствует о наличии структур полиароматических углеводородов.

С ростом температуры карбонизации до 800ºС происходит увеличение  интенсивности характеристических полос поглощения NH2, СОН, С=О, ОН и полос поглощения СН2 ароматического кольца (рисунок 11).

Рисунок 9 – ИК-спектры абрикосовых косточек

Рисунок 10 – ИК-спектры карбонизованного сорбента (Т=500 0С) на основе абрикосовых косточек

Рисунок 11 – ИК-спектры карбонизованного сорбента (Т=800 0С) на основе абрикосовых косточек

Таким образом, наличие таких структур и реакционно-способных функциональных групп должно способствовать повышению сорбционной емкости полученных карбонизованных сорбентов.

Очистка воды углеродными сорбентами представляет большой интерес с точки зрения практики. Для исследования поглощения ионов тяжелых металлов углеродными образцами методом атомно-абсорбционного анализа использовался атомно-абсорбционный спектрометр фирмы «Perkin Elmer». В качестве горючего-окислителя выступала система  ацетилен-воздух. Погрешность 2-3%. Атомно-абсорбционным методом устанавливалось количество поглощенных ионов тяжелых металлов.

Сорбционная способность карбонизованных образцов была проверена по поглощению ионов тяжелых металлов (Pb2+, Cu2+)

С увеличением времени контакта раствора металлов с КС адсорбированное количество ионов металла возрастает. На рисунках 12 и 13 приведены кривые поглощения металлов на углеродными сорбентами на основе АК.

1 – АК, карбонизованные при 500ºС; 2 – АК, карбонизованные при 600ºС; 3 – АК, карбонизованные при 700ºС; 4 – АК, карбонизованные при  800ºС.

Рисунок 12 – Зависимости сорбции ионов меди от времени сорбции

1 – АК, карбонизованные при 500ºС; 2 – АК, карбонизованные при 600ºС; 3 – АК, карбонизованные при 700ºС; 4 – АК, карбонизованные при  800ºС.

Рисунок 13 –  Зависимости сорбции ионов  свинца от времени сорбции

Опытным путем установлено, что поглощение ионов меди карбонизованными сорбентами, полученными в окислительной среде составляет  93%, ионов свинца – 97%. На рисунке 14 показана фотография исходного раствора и после сорбции.

а – раствор исходного раствора меди; б, в, г – раствор раствора меди после сорбции 5, 15 и 30 минут, соответственно

Рисунок 14 – Фотография исходного раствора и после сорбции.

Высокая сорбционная способность карбонизованных сорбентов объясняется протеканием физической и химической сорбции, за счет высокой удельной поверхности, пористости и за счет образования хелатных комплексов (рисунок 15).

Рисунок 15 – Хелатный комплекс

ИК спектр карбонизованного сорбента на основе абрикосовой косточки с поглощенным ионом меди приведены на рисунке 16.

В ИК-Фурье спектре карбонизованного сорбента на основе абрикосовой косточки с поглощенным ионом меди видно, что характеристические полосы поглощения валентных колебаний VOH  и  VC-O-C сильно сдвинуты по сравнению со спектрами КС. Это свидетельствует об образовании хелатных комплексов. Наиболее интенсивная полоса  VNH - 3418 см-1. Широкая полоса при 3000-2200 см-1 может принадлежать валентным колебаниям VOH и VNH ,; 2200-1800 см-1 - VСОадс. Полосы при 1694 см-1 следует отнести к VСООН, Aмид I, а 1585 см-1 - Aмид II. Самая интенсивная полоса в области 1200-900 см-1 валентных колебаний VC-O-C, VC-OН расщеплена, сдвинута по сравнению со спектрами  карбонизованных образцов за счет образования хелатных комплексов.

Основные полосы поглощения следует отнести к данным функциональным группам, см-1: , VOH, VNH - 3430,  VOH - 3400-2400, VCO2-2500-2400, VCO - 1878, δН2О, δNH - 1630, [Сu(СО)n], [Сu(СО2)n], [Сu – С – ОС] – 580,556, 523.

Рисунок 16 – ИК-спектры карбонизованного сорбента (Т=850 0С) с ионами металлов

Полученные результаты согласуются с литературными данными: при сорбции катионов на окисленных углях основную роль играют процессы комплексообразования в поверхностном слое сорбента. Поскольку хемосорбированный на окисленном угле кислород входит в состав поверхностных группировок, располагающихся на различных расстояниях друг от друга, возможность комплексообразования скорее всего обеспечивается не только дополнительным -взаимодействиям в системе
О-–Ме+, но и образованием координационной связи с соседними, благоприятно расположенными атомами водорода, т.е. в случае сорбции на окисленном КC возможно образование  прочных поверхностных хелатных комплексов.

Процесс поглощения ионов тяжелых металлов исследовался на карбонизованном при температурах 650-800ºС сорбенте АК. Показано, что при температурах 650ºС и 700ºС происходит осаждение ионов тяжелых металлов на углеродной поверхности и изменение структуры волокнистого углерода. На рисунках 17-20 приведены электронно-микроскопические снимки карбонизованных сорбентов после поглощения ионов тяжелых металлов. 

Рисунок 17 – Электронномикроскопические снимки АК карбонизованный при 650ºС с металлами

При поглощении ионов свинца, меди, кадмия карбонизованными при 750ºС и 800ºС сорбентами обнаружены ионы металлов на поверхности, т.е. произошло взаимодействие ионов металлов с реакционно-способными группами с образованием хелатных комплексов.

Рисунок  18 – Электронномикроскопические снимки АК карбонизованный при 700ºС с металлами

   

Рисунок  19 – Электронномикроскопические снимки АК карбонизованный при 750ºС с металлами

Рисунок  20 – Электронномикроскопические снимки АК карбонизованный при 800ºС с металлами

Из электронно-микроскопических снимках видно, что после поглощения ионов тяжелых металлов изменяется их структура: наличие металла способствует сворачиванию графеновых сеток и с повышением температуры карбонизации образуются как одностеночные нанотрубки, так и шары с фуллереноподобной  структурой.

Таким образом, ИК спектроскопические исследования процесса сорбции ионов меди карбонизованными сорбентами выявили протекание химической сорбции за счет образования хелатных комплексов. Выявлена согласованность результатов исследований проведенных различными физико-химическими методами.

ВЫВОДЫ

1.    В процессе исследования синтеза карбонизованных систем на основе абрикосовых косточек установлены закономерности протекания этого процесса, определена их макроструктура различными методами физико-химического анализа (ИК-Фурье-, электронная микроскопия, элементный анализ) в зависимости  от изменений температуры и времени процесса, природы и скорости подачи газа.
2.    Экспериментально установлено образование волокнистого углерода определенной морфологии в процессе карбонизации растительного сырья. Методом электронной микроскопии в процессе карбонизации абрикосовых косточек показан механизм перехода мембранных пленок в нанотрубки, и выявлено наличие в них фуллереновой структуры.
3.    Опытным путем определены сорбционные параметры синтезированных карбонизованных сорбентов: атомно-абсорбционной спектроскопией установлена их эффективность в процессе очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (Cu2+, Pb2+).
4.    ИК-Фурье-спектроскопическим методом установлено образование хелатных комплексов, т.е. выявлен механизм химической природы процесса поглощения ионов тяжелых металлов.

Список литературы:
1. Боголюбов А.С. Экосистема. - М., 2001.
2. Газета "Биология". Издательский дом "Первое сентября". №23, 2008
3. Газета "Иваново-Пресс". №41
4. Попова Т.А. Экология в школе. - М., 2005.
5. Сайт: www-chemistry.univer.kharkov.ua. Раздел: файлы, лекция 5 по экологии.
6. Сайт: www.ijkh.ivanovo.ru. Раздел МУП "Водоканал".
7. Сайт: www.prechist-ecologia.narod.ru. Раздел "Водная гладь".
8. Федорос Е.И. Нечаева Г.А. Экология в экспериментах. -М, 2006.
9. Исмаилова «Большая школьная энциклопедия», том: № 1
Сайты:
•    www.ecoindusty.ry
•    www.media-kuban.ru
•    www.08ode.ru
•    www.popularly.ru
•    www.revolution.allbest.ru
•    www.aqline.ru
•    www.wikipedia.ru


Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз:


Сайтта мәтіннен қате таптыңыз ба? Мәтінді белгілеп, Ctrl+Enter пернелерін басыңыз!

Пікірлер (0)

Пікір қалдырыңыз


nationalgeographic.kz
ҰБТ(онлайн тест)