Применение кремнийсодержащих отходов в качестве сорбентов ионов тяжелых металлов

Акаев Олег Павлович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии,

Цветкова Анна Дмитриевна,

соискатель кафедры химии.

Костромской государственный университет им. Н.А.Некрасова.

Тяжелые металлы принадлежат к числу важнейших загрязнителей биосферы. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов – токсикантов выделена приоритетная группа, в которую входят кадмий, медь, ртуть, свинец, цинк, хром, как наиболее опасные для здоровья человека и животных.

Молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов тяжелых металлов, служат:

1)      гемсодержащие белки и ферменты;

2)      системы перекисного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидной защиты;

3)      ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ;

4)      белки клеточных мембран и ионные каналы мембран.

Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением синтеза цитохрома Р-450, ответственного за биодеградацию ксенобиотиков. Нарушение этой системы приводит к накоплению в тканях и органах органических токсикантов. Кроме того цитохром Р-450 участвует в метаболизме не только ксенобиотиков, но и эндогенных биологически активных веществ: гормонов, катехоламинов, витаминов группы Д, холестерина. Поэтому нарушение его синтеза или снижение активности может вызвать глубокие нарушения метаболизма.

К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относятся предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт [1, 2].

Исследуемый кремнийсодержащий материал (кремнегель) является крупнотоннажным отходом производства фторида алюминия. Кремнегель – это полидисперсный продукт, представленный достаточно рыхлыми вторичными агрегатами частиц размером 0,4-120 мкм с преобладающим размером 40-50 мкм. Удельная поверхность S_уд, измеренная методом оптической микроскопии, составляет ~ 10 м²/г. После отделения на фильтре от маточного раствора AlF₃ кремнегель имеет влажность 40-50 %. Основными сопутствующими компонентами являются AlF₃, Al(OH)₃, H₂SiF₆ в количествах, не превышающих 6,0 % [3].

Исследование адсорбции проводили в статических условиях на модельном растворе соли кадмия с концентрацией 100 мг/л в температурном интервале 25⁰С-45⁰С при соотношении Т:Ж=3:100. Исходную и равновесную концентрации иона Cd²⁺ определяли с помощью ионоселективного электрода. Для количественного описания процесса применяли величину «адсорбционной емкости», равную количеству сорбированного иона на единицу массы сорбента (в пересчете на сухое вещество). Степень очистки водных растворов определяли как отношение количества сорбированного иона к его исходной концентрации в растворе [4].

В ходе исследования установлено, что при стандартной температуре адсорбционная емкость исходного сорбента 1,74 мг/г, степень очистки водного раствора от иона Cd²⁺ составляет 26 %. Снижение значений адсорбционной емкости кремнегеля при повышении температуры свидетельствует о протекании физической адсорбции, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия (рисунок 1).

Рис. 1. Кинетические кривые адсорбции ионов кадмия исследуемым сорбентом:

1 – при 25 ⁰С; 2 – при 35 ⁰С; 3 – при 45 ⁰С.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил установить способность исследуемого кремнийсодержащего материала сорбировать ионы тяжелых металлов (на примере ионов Cd²⁺).

Повышение адсорбционных свойств кремнийсодержащих соединений может быть достигнуто в результате химического модифицирования их поверхности [5]. При частичном или полном замещении поверхностных гидроксильных групп кремнегеля частями молекул, обладающих сосредоточенной на периферии электронной плотностью, адсорбция ионов металлов, являющихся электронными акцепторами, возрастет в результате включения в адсорбционный процесс донорно-акцепторного взаимодействия.

Литература

1. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем/Соросовский образовательный журнал, № 5, 1998. – с. 23-29.

2. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Экологический мониторинг суперэкотоксикантов. – М.: Химия, 1996. 320 с.

3. Мурашкевич А.Н., Жарский И.М. Кремнийсодержащие продукты комплексной переработки фосфатного сырья. – Минск: БГТУ, 2002. 389 с.

4. Гельфман М.И., Тарасова Ю.В., Шевченко Т.В., Мандзий М.Р. Исследование сорбционных характеристик природного и модифицированного сорбента на основе алюмосиликатного сырья // Химическая промышленность, 2002, №8. с. 1-7.

5. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Санкт-Петербург: НПО «Профессионал», 2002, 40 с.

Поступила в редакцию 07.12.2009 г.