Сорбция тяжелых металлов магнетитом, стабилизированным гуминовой кислотой из водных растворов

Введение 6
1 Магнетит 7
1.1Свойства и строение 7
1.2 Модификация 8
1.3 Выводы по первой главе 9
2 Применение гуминовых кислот в качестве сорбентов 10
2.1 Свойства гуминовых кислот 10
2.2 Сорбционные свойства гуминовой кислоты 15
2.3 Способы извлечения гуминовых кислот 16
2.4 Выводы по второй главе 17
3 Токсические микроэлементы 18
3.1 Свинец 18
3.2 Кадмий 20
3.3 Медь 21
3.4 Биологическая роль тяжелых металлов 22
3.5 Выводы по третьей главе 24
4 Объект и методы исследования 25
4.1 Объект исследования 25
4.2 Определение элементного состава гуминовой кислоты 27
4.3 Структурно-функциональный состав гуминовых кислот 28
4.4 Определение адсорбционной способности по отношению к ионам кадмия, свинца и меди 30
5 Результаты и их обсуждение 34
5.1 Определение элементного состава методом РФА 34
5.2 Определение структурно-функционального состава 36
5.3 Кинетические зависимости адсорбции 37
5.4 Подбор оптимальных параметров сорбции 45
5.5 Изотермы адсорбции 46
Заключение 54
Список использованных источников 55
Приложение А (обязательное) Подбор оптимальных параметров 60

Весь текст будет доступен после покупки

Тяжелые металлы опасны для животных и растений. Это трудноразлагаемые вещества, которые имеют тенденцию накапливаться как в воде, так и в почве. В организме человека тяжелые металлы вызывают различные заболевания (аутоиммунные, неврологические и расстройства пищеварения).
«Кадмий и свинец относятся к классу высокоопасных веществ по степени воздействия. Токсичность свинца зависит от его соединений, большая же часть этого металла попадает в организм с продуктами питания и водой. Наиболее высокое содержание этого тяжелого металла отслеживается в почвах города [1]. Смертельна доза кадмия для человека от 30 до 40 мг, он представляет опасность в любой форме. Наиболее опасное воздействие этот металл оказывает на почки, вызывая их поражение. Так как растение легко усваивают кадмий, в почве зарегистрировано его высокое содержание. Избыток меди может поступать в организм с пищей или водой, а при вдыхании паров меди возникает «литейная лихорадка». Максимальная концентрация кадмия в питьевой воде составляет 0,001 мг/л, в то время как для свинца максимальная концентрация составляет 0,1 мг/л, а для меди - 1,0 мг/л» [2].
«В последние годы наиболее перспективным и экономичным способом глубокой очистки вод является сорбционный метод, который обладает высокой эффективностью, простотой эксплуатации и возможностью регулирования процесса» [3]. «Благодаря высокому содержанию комплексообразующих групп гуминовые кислоты являются перспективными веществами для создания сорбентов тяжелых металлов, применимых на объектах окружающей среды» [4].

Весь текст будет доступен после покупки

1 Магнетит

1.1 Свойства и строение


Железо в природе почти не встречается в свободном состоянии, обычно оно входит в состав соединений. Примером такого соединения является магнетит.
Магнетит (Fe3O4) – распространённый минерал чёрного цвета из класса оксидов, представлен на рисунке 1 [6].



Рисунок 1 – Изображение магнетита

Кристаллическая структура магнетита – шпинель, состоящая из катионов Fe3+ в тетраэдрических положениях, при этом ионы двухвалентного и трехвалентного железа в соотношении 1:1 находятся октаэдрической координации.
Этот факт объясняет изменчивость его физических свойств, в первую очередь магнетизм. Железистые кварциты являются высокомагнитными породами, тела которых способны к созданию магнитных аномалий.
Магнетит является перспективным сорбентом, благодаря своей высокой сорбционной способности, низкой чувствительности к окислению и высокой стабильности [9]. Магнетит позволяет извлекать различные ионы металлов, такие как Cr3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Pb2+, Hg2+, а также соединения As5+, As3+ с высокой селективностью и степенью извлечения.
Магнетит можно использовать несколько раз, что делает технологию экономически выгодной, а отсутствие токсичности и экологически безопасной. Частицы магнетита не обладают высокой селективностью, но обладает высокой поверхностной энергией, ему поэтому его подвергают модификации неорганическими и органическими реагентами. Направленное модифицирование поверхности магнетита позволяет повысить их агрегатную устойчивость и придать заданные сорбционные свойства [13].
Несмотря на большое количество методов получения магнетитов, один из самых распространенных является гидротермальный синтез, при котором наночастицы магнетита получают под давлением из растворов солей в присутствии органических соединений [14]. Есть и другие способы получения данных частиц, один из них является осаждение солей железа аммиаком или щелочью (метод Массара) [15]. Частицы Fe3O4 образуются при температуре около 80 °С, тогда как при более низкой температуре, приблизительно 60 °С, образуется Fe2O3.


1.2 Модификация


Модификация – один из способов улучшения сорбционных свойств сорбента. Использование частиц магнетита накладывает ряд ограничений на процесс сорбции из-за физико-химических свойств оксида. Для этого необходимо стабилизировать магнетит с помощью модифицирующих агентов. Известно, что модификация напрямую влияет на физические и химические свойства материалов.
Стабилизацию проводят при использовании углеродсодержащих компонентов, таких как графен, углеродные нанотрубки или оксид графена. Благодаря их пористой структуре, они обладают рядом уникальных свойств [17].
Помимо углеродсодержащих веществ, одним из возможных распространенных стабилизаторов является оксид кремния. Такие композиты характеризуются высокой биосовместимостью, гидрофильностью и стабильностью [16].
Изучена возможность использования алкилсульфатных и алкилфосфатных кислот в качестве стабилизаторов для частиц железа. Они эффективно связывают лиганды на поверхности наночастиц магнетита.
Благородные металлы, используемые в качестве стабилизаторов, увеличивают стабильность сорбента. Например, золото используют для функционализации поверхности в биомедицине из-за его инертности[18].
Еще одним модифицирующим агентом является серебро. Модификация этим металлов является дорогостоящей, но вызывает несомненный интерес, ведь серебро известно своими антибактериальными свойствами. Такой метод не используется в промышленности.
Так, использование гуминовых кислот, в качестве модифицирующих агентов, не только практично, но и экологично, а также увеличивает сорбционные свойства магнетита ГК образуют покрытия на поверхностях минералов, которые изменяют их свойства и характеристики [20].

Весь текст будет доступен после покупки

1 Радченко, А. И. Ртуть в геохимических ландшафтах Крыма: автореф. дис. канд. геол.наук: 04.00.02. / А. И. Радченко. – Киев, 2006. – С. 16.
2 ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: утв. М-вом здравоохранения Рос. Федерации 30.04.2003: ввод.в действие с 14.06.2003. – Москва: Минздрав России, 2003. – 214 с.
3 Кофаров, В. В. Принципы создания безотходных химических производств / В. В. Кофаров. – М.: Химия, 1982. – 288 с.
4 Reddy, L. H. Magnetic nanoparticles: design and characterization, toxicity and biocompatibility, pharmaceutical and biomedical applications / L. H. Reddy, J. L. Arias // Chemical Reviews. – 2012. – P. 5818 – 5878.
5 Добрвольский, В. В. Геология, минералогия, динамическая геология, петрография / В. В. Добровольский. – М.: Владос., 2001. – С. 320.
6 Сычева, Н. А. Минералого-технологические особенности железных руд Тагарского месторождения трапповой формации: автореф. дис. канд. геолого-минералогических наук: 25.00.05./ Н. А. Сычева // Институт Европейского союза. –Москва, 2009. – 24 с.
7 Никитской, В. Е. Магниторазведка. Справочник геофизика / В. Е. Никитского, Ю. С. Глебовского. – М.: Недра, 1980. – 367 с.
8 Сычева, Н. А Влияние неоднородности магнетита на качество продуктов обогащения железных руд Тагарского месторождения / В. Т. Дубинчук, Д. О. Ожогин // Разведка и охрана недр. – 2009.–№ 4. – С. 59 – 63.
9 Reddy, L. H. Magnetic nanoparticles: design and characterization, toxicity and biocompatibility, pharmaceutical and biomedical applications / J. L. Arias, J. Nicolas // Chemical Reviews. – 2012. – P. 5818 – 5878.
10 Грег, С. Адсорбция. Удельная поверхность. Пористость / С. Грег, К. Синг. – М.: Мир. – 1984. – 310 с.
11 Pena, M. A. Chemical Structures and Performance of Perovskite Oxides / M. A. Pena, J. L. G. Fierro // Chemical Reviews. – 2001. – P. 1981 – 2018.
12 Ling, W. Synthesis, surface modification, and applications of magnetic iron oxide nanoparticles / W. Ling, M. Wang, C. Xiong // Journal of Materials Research. – 2019. – V. 34. – № 11. – P. 1828 – 1844.
13 Елгунова, О. Р. Магнитныенаночастицы магнетита в разделении и концентрировании / О. Р. Елгунова, Т. А. Константинова, С. Н. Штыков // Изв. Сарат. Ун-та. Нов. Сер. Сер. Химия. Биология. Экология. – 2014. – Т. 14. – С. 27 – 35.

Весь текст будет доступен после покупки