Аффилиация
a Кемеровский государственный университет, Кемерово
b Кемеровский государственный университет
Все права защищены ©Горелкина и др. Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0. (
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), позволяет другим распространять, перерабатывать, исправлять и развивать произведение, даже в коммерческих целях, при условии указания автора произведения.
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
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Parfitt G, Rochester C. Adsorption from solution at the solid-liquid interface. London, NY: Academic Press; 1983. 416 p.
- 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
- 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.