Аннотация

Тяжелые металлы, такие как железо, являются распространенным компонентом природных и сточных вод. Результаты мониторинговых исследований свидетельствуют о загрязнении подземных вод железом до 30 ПДК вблизи разработок рудных месторождений и карьеров, поскольку этот элемент входит в состав горных пород и почв и вымывается при контакте с водой. Наиболее эффективным и экономически целесообразным методом доочистки природных и сточных вод от ионов железа является адсорбция. Выбор типа адсорбента играет существенную роль в эффективности процесса адсорбции. Цель работы заключалась в выборе наиболее подходящего сорбционного материала для элиминации воды от ионов железа и установлении закономерностей и механизма процесса адсорбции на сорбентах с различными свойствами для создания экологически безопасных и эффективных технологий адсорбционной очистки.
Объектами исследования являлись несколько типов сорбентов, таких как сорбент из углеродистого материала марки СКД-515, сорбционные материалы минерального происхождения АС на основе алюмосиликата и сорбент ОДМ-2Ф на основе осадочной горной породы опоки. Пористую структуру материалов изучали методом порометрии, получение изображений поверхности образца – методом сканирующей электронной микроскопии. Провели исследование равновесия, кинетики и динамики процесса адсорбции железа на сорбентах различной природы.
Для расчета основных адсорбционных параметров использовали уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра. Рассчитанные величины энергии Гиббса по уравнению Ленгмюра составили 11,93–20,66 кДж/моль, что свидетельствует о физическом характере процесса адсорбции. Исследование свойств сорбентов в статических условиях свидетельствует об их высокой адсорбционной ёмкости по отношению к железу и позволяет расположить их по эффективности извлечения в ряд АС > СКД-515 > ОДМ-2Ф, что связано с различной структурой материалов. Адсорбция железа протекает в микропорах для СКД-515 и мезопорах для сорбентов АС и ОДМ-2Ф. Изучение кинетики извлечения ионов железа позволило сделать вывод о том, что процесс адсорбции лимитируется внешним массопереносом.
Полученные результаты дают новое понимание механизма адсорбции ионов железа на сорбционных материалах различной структуры, подкрепленное изображениями, которые получили методом сканирующей электронной микроскопии. В динамических условиях исследовали влияние таких параметров, как начальная концентрация, скорость потока и высота слоя загрузки на время непрерывной работы адсорбционной колонны. Система показала эффективную работу, достигнув 99,0 % извлечения ионов Fe³⁺ при следующих условиях: скорость потока 1 л/мин, высота слоя загрузки колонны 0,15 м, диаметр колонны 0,05 м, начальная концентрация 0,5 мг/л (5 ПДК). Также работу колоны тестировали при начальной концентрации ионов железа 50 ПДК, моделируя очистку сточных вод промышленных предприятий. Комплексное исследование адсорбции ионов Fe³⁺ из сточных вод показало эффективную очистку при использовании сорбента марки АС.

Ключевые слова

Ресурсориентированный регион, адсорбция, сорбенты, активные угли, железо, сточные воды, степень очистки

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследование выполнено в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 г. № 1144-р, при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки России), № соглашения 075-15-2022-1201 от 30.09.2022 г.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калюкова Е. Н., Письменко В. Т., Иванская Н. Н. Адсорбция катионов марганца и железа природными сорбентами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т. 10. № 2. С. 194–198. https://elibrary.ru/MUEQSJ
2. Bibanaeva SA, Skachkov VM. Sorption of heavy metals from aqueous solutions with synthetic zeolites. Physical and Chemical Aspects of the Study of Custers, Nanostructures and Nanomaterials. 2023;(15):924–929. (In Russ.). https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.924; https://elibrary.ru/SWCQJA
3. Полещук И. Н., Пинигина И. А., Созыкина Е. С. Извлечение ионов железа (III) из водных растворов модифицированными природными сорбентами // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 3–2. С. 227–231. https://elibrary.ru/ZEKOVN
4. Chakraborty R, Asthana A, Singh AK, Jain B, Susan ABH. Adsorption of heavy metal ions by various low-cost adsorbents: A review. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2020;102(2):342–379. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1722811
5. Kochkarev PV, Koshurnikova MA, Sergeyev AA, Shiryaev VV. Trace elements in the meat and internal organs of the mountain hare (Lepus timidus L., 1758) in the North of the Krasnoyarsk region. Food Processing: Techniques and Technology. 2023;53(2):217–230. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-2-2436
6. Kaledin AP, Stepanova MV. Bioaccumulation of trace elements in vegetables grown in various anthropogenic conditions. Foods and Raw Materials. 2023;11(1):10–16. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-551
7. Islam MS, Mustafa RA. Assessment of trace elements in canned fish and health risk appraisal. Foods and Raw Materials. 2023;11(1):43–56. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-554
8. Tarasevich YuI, Goncharuk VV, Polyakov VE, Krysenko DA, Ivanova ZG, Aksenenko EV, et al. Efficient technology for the removal of iron and manganese ions from artesian water using clinoptilolite. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2012;18(4):1438–1440. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.02.004
9. Фильтрующий материал для очистки воды от железа, марганца и сероводорода / В. Ч. Гончиков [и др.] // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. № 3. С. 37–40. https://elibrary.ru/oxjtbn
10. Krasnova TA, Belyaeva EE, Belyaeva OV, Gora NV, Ivanova LA. The use of carbon sorbents to remove manganese from aqueous media. Water Supply and Sanitary Technique. 2022;(7):18–24. (In Russ.). https://doi.org/10.35776/VST.2022.07.03; https://elibrary.ru/OPPBQZ
11. Diaz-Alarcón JA, Alfonso-Pérez MP, Vergara-Gómez I, Díaz-Lagos M, Martínez-Ovalle SA. Removal of iron and manganese in groundwater through magnetotactic bacteria. Journal of Environmental Management. 2019;249:109381. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109381
12. Du X, Yang W, Liu Y, Zhang W, Wang Z, Nie J, et al. Removal of manganese, ferrous and antibiotics from groundwater simultaneously using peroxymonosulfate-assisted in-situ oxidation/coagulation integrated with ceramic membrane process. Separation and Purification Technology. 2020;252:1174921. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117492
13. Du X, Liu G, Qu F, Li K, Shao S, Li G, et al. Removal of iron, manganese and ammonia from groundwater using a PAC-MBR system: The anti-pollution ability, microbial population and membrane fouling. Desalination. 2017;403:97–106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.03.002
14. Yakovleva AA, Nguyen TT. To the question of the barrier qualities of the sands of northern and central Vietnam. Sorption of iron (III) ions. Russian Journal of General Chemistry. 2020;64(2):80–84. (In Russ.). https://doi.org/10.6060/rcj.2020642.12; https://elibrary.ru/PFGXVX
15. Yakovleva AA, Nguyen TT, Nguyen TH. Some kinetic models of the sorption iron (III) ions on the surface of river sand from Vietnam. Modern Technologies and Scientific and Technological Progress. 2020;1(7):97–98. (In Russ.). https://doi.org/10.36629/2686-9896-2020-1-97-98; https://elibrary.ru/AJAQVY
16. Михневич Э. И., Пропольский Д. Э. Анализ методов обезжелезивания воды и условия их применения // Мелиорация. 2017. № 2. С. 59–65. https://elibrary.ru/WIAHJY
17. Полещук И. Н., Пинигина И. А., Созыкина Е. С. Извлечение ионов железа (III) из водных растворов природными сорбентами // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 3–1. С. 65–69. https://elibrary.ru/ZDHTVR
18. Lysenko АV, Molokoedova ТA, Sokolova YuV. Sotherms of the sorption of FE2+, FE3+ ions by industrial waste from aqueous solutions. Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(2):235–249. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-235-249; https://elibrary.ru/BQFDOQ
19. Krasnova TA, Gora NV, Belyaeva OV, Gorelkina AK, Golubeva NS, Timoshchuk IV. The use of semi-coke for phenol removal from aqueous solutions. Carbon Letters. 2021;31:1023–1032. https://doi.org/10.1007/s42823-020-00216-z
20. Parfitt GD, Rochester CH. Adsorption from solution at the solid/liquid interface. Academic Press; 1983. 416 p.
21. Об определении коэффициента внешнего массообмена и адсорбции из растворов / И. М. Федоткин [и др.] // Физическая химия. 1994. Т. 48. № 2. С. 473–475.