Аннотация

Техногенная нагрузка агропромышленного комплекса и предприятий различных отраслей промышленности приводит к существенному истощению основных биосферных функций. К перспективному направлению элиминации тяжелых металлов относится сорбционный метод. Цель работы – установление закономерностей и механизма процесса адсорбции ионов марганца и выявление наиболее целесообразных рекомендаций для их деконтаминации из поверхностных, подземных и сточных вод.
Объектами исследования являлись традиционный активный уголь на основе углеродистого материала СКД-515, сорбент на основе скорлупы кокоса (кокосовый активный уголь) и сорбционный материал минерального происхождения МС. Для изучения структуры поверхности, рельефа и наличия пор сорбционных материалов использовали рентгеноструктурный анализ, методы электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии и сканирующей электронной микроскопии. Проведено комплексное исследование адсорбции марганца в равновесных, кинетических и динамических условиях.
При адсорбции ионов марганца наблюдалось незначительное изменение структурно-сорбционных параметров. Кокосовый активный уголь и СКД-515 относятся к микропористым материалам, а МС – к мезопористным. Адсорбция марганца в статических условиях позволила расположить сорбционные материалы по поглотительной способности в ряд: МС > кокосовый активный уголь > СКД-515. Посредством кинетических исследований установлено, что лимитирующей стадией процесса адсорбции является внешнедифузионный массоперенос в течение 20–45 мин. На этапе моделирования работы сорбционной колонны с неподвижным слоем материала в динамических условиях варьировали диаметр колонны, высоту слоя загрузки, скорость потока, исходную концентрацию ионов марганца. Степень очистки в динамических условиях для МС составила 87 %, кокосового активного угля – 45 %, СКД-515 – 37 %.
По результатам комплексного исследования процесса адсорбции марганца в статических, кинетических и динамических условиях для практического применения при очистке сточных вод и водоподготовке может быть рекомендован сорбционный материал МС в связи с низкой стоимостью и высокой эффективностью.

Ключевые слова

Техногенная трансформация, сточные воды, природные водоисточники, адсорбция, активный уголь, сорбционный материал, марганец

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 № 1144-р, при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 075-15-2022-1201 от 30.09.2022.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шестова Г. В., Иванова Т. М., Ливанов Г. А., Сизова К. В. Токсические эффекты марганца как фактор риска для здоровья населения. Медицина экстремальных ситуаций. 2014. № 4. С. 59-65. https://elibrary.ru/TCUVMF
2. Огрызкова О. С., Эйрих А. Н., Серых Т. Г., Дрюпина Е. Ю., Усков Т. Н. и др. Сезонные изменения содержания марганца в воде Новосибирского водохранилища. Известия Алтайского государственного университета. 2014. № 3-2. С. 176-180. https:// doi.org/10.14258/izvasu(2014)3.2-31
3. Ivanova S, Vesnina A, Fotina N, Prosekov A. An overview of carbon footprint of coal mining to curtail greenhouse gas emissions. Sustainability. 2022;14(22):15135. https://doi.org/10.3390/su142215135
4. Шакирова В. В., Садомцева О. С., Кошкин Е. М., Кожина А. Д. Исследование процессов сорбции некоторых ионов тяжелых металлов на природных материалах. Естественные науки. 2016. № 4. С. 118-124. https://elibrary.ru/XVNHKZ
5. Saranya A, Sasikala S, Muthuraman G. Removal of manganese from ground/ Drinking water at south madras using natural adsorbents. International Journal of Recent Scientific Research. 2017;8(6):17867-17876.
6. Suhendrayatna, Zaki M, Delima Habdani Harahap A, Verantika F. Adsorption of Manganese (II) ion in the water phase by citric acid activated carbon of rice husk. Proceedings of MICoMS. 2017;(1):547-554. https://doi.org/10.1108/S2516-2853201801
7. Осинцева М. А., Дюкова Е. А., Ульянова Е. Г., Осинцев А. М. Изучение способности аккумулирования тяжелых металлов растениями в процессе рекультивации отвала угольного разреза. Техника и технология пищевых производств. 2024. Т. 54. № 4. С. 897-908. https:// doi.org/10.21603/2074-9414-2024-4-2551
8. Tran TN, Kim D-G, Ko S-O. Adsorption mechanisms of manganese (II) ions onto acid-treated activated carbon. KSCE Journal of Civil Engineering. 2018;22(10):3772-3782. https://doi.org/10.1007/s12205-018-1334-6
9. Yang X, Wan Y, Zheng Y, He F, Yu Z, et al. Surface functional groups of carbon-based adsorbents and their roles in the removal of heavy metals from aqueous solutions: A critical review. Chemical Engineering Journal. 2019;366:608-621. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.119
10. Dong L, Liu W, Jiang R, Wang Z. Study on the adsorption mechanism of activated carbon removing low concentrations of heavy metal. Desalination and Water Treatment. 2016;57(17):7812-7822. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1100140
11. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2023 году. Проект Государственного доклада. - М.: Минприроды России; ООО «Интеллектуальная аналитика»; ФГБУ «Дирекция НТП»; Фонд экологического мониторинга и международного технологического сотрудничества, 2024. - 707 с.
12. Бибанаева С. А., Скачков В. М. Сорбция тяжелых металлов из водных растворов синтетическими цеолитами. Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 924-929. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.924
13. 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
14. Иванова Л. А., Тимощук И. В., Горелкина А. К., Михайлова Е. С., Голубева Н. С. и др. Выбор сорбента для элиминации ионов железа из сточных и природных вод. Техника и технология пищевых производств. 2024. Т. 54. № 2. С. 398-411. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-2-2516
15. Chakraborty R, Asthana A, Singh AK, Jain B, Susan ABH. Adsorption of heavy metal ions by various low-costad-sorbents: A review. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2022;102(2):342-379. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1722811
16. Rada АО, Kuznetsov AD. Digital inventory of agricultural land plots in the Kemerovo Region. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):206-215. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-529
17. Гончиков В. Ч., Губайдулина Т. А., Каминская О. В., Апкарьян А. С. Фильтрующий материал для очистки воды от железа, марганца и сероводорода. Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. № 3. С. 37-40. https://elibrary.ru/OXJTBN
18. 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
19. Du X, Yang W, Liu Y, Zhang W, Wang Z, 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;252:117492. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117492
20. Du X, Liu G, Qu F, Li K, Shao S, 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
21. Просеков А. Ю., Тимощук И. В., Горелкина А. К., Михайлова Е. С., Голубева Н. С. и др. Сравнительная оценка содержания загрязняющих примесей в карьерных сточных водах угольных предприятий Кузбасса. Уголь. 2023. № 4. С.69-73. https://doi.org/ 10.18796/0041-5790-2023-4-69-73
22. Timoshchuk IV. Technology of afterpurification of drinking water from organic contaminants in production of foodstuff. Foods and Raw Materials. 2016;4(1):61-69. https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-1-61-69
23. Михайлова Е. С., Горелкина А. К., Тимощук И. В., Семенова С. А. Исследование динамики извлечения катионов металлов алюмосиликатами. Уголь. 2024. № S11. С. 53-57. http:// doi.org/10.18796/0041-5790-2024-11S-53-57
24. Parfitt G, Rochester C. Adsorption from solution at the solid-liquid interface. London, NY: Academic Press; 1983. 416 p.
25. Mel’gunov MS, Ayupov AB. Direct method for evaluation of BET adsorbed monolayer capacity. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;243:147-153. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.02.019
26. Федоткин И. М., Когановский А. М., Рода И. Г., Марутовский Р. М. Об определении коэффициента внешнего массообмена и адсорбции из растворов. Физическая химия. 1974. Т. 48. № 2. С. 473-475.