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,  

w_c – процентное содержание углерода, %;

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

m(BaCO₃) – масса карбоната бария, г;

m_обр – 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/г	Удельный объем пор, см3/г	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 V_OH  и  V_C-O-C сильно сдвинуты по сравнению со спектрами КС. Это свидетельствует об образовании хелатных комплексов. Наиболее интенсивная полоса  V_NH - 3418 см^-1. Широкая полоса при 3000-2200 см^-1 может принадлежать валентным колебаниям V_OH и V_NH ,; 2200-1800 см^-1 - V_СОадс. Полосы при 1694 см^-1 следует отнести к V_СООН, Aмид I, а 1585 см^-1 - Aмид II. Самая интенсивная полоса в области 1200-900 см^-1 валентных колебаний V_C-O-C, V_C-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: , V_OH, V_NH - 3430,  V_OH - 3400-2400, V_CO2-2500-2400, V_CO - 1878, δ_Н2О, δ_NH - 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: