Компьютерное моделирование закономерностей сорбции ионов тяжелых металлов серосодержащим модифицированным цеолитом

Рассмотрены комплексно-хелатный и комплексно-координационный механизмы сорбции серосодержащими сорбентами по отношению к ионам тяжелых металлов, которые обладают сродством с атомами серы. Показаны преимущества и недостатки серосодержащих сорбентов, полученных модификацией природных материалов. В среде Statgraphics Plus выполнен анализ применимости классических линеаризованных уравнений Фрейндлиха и Ленгмюра для описания изотерм адсорбции ионов цинка, меди и никеля из водных растворов цеолитом Холинского месторождения модифицированным серосодержащим полимером. Показано, что изотермы сорбции Zn²⁺ исследованным сорбентом довольно точно описываются классическим уравнением Фрейндлиха при температуре водного раствора от 20 до 40 °С, а изотермы Ni²⁺ - T = 20 °С. Использование уравнения Фрейндлиха для описания изотерм сорбции Cu2+ нецелесообразно ввиду его невысокой точности. Наиболее применимы для названных целей регрессионные модели аппроксимации экспериментальных данных или линеаризованное уравнение Ленгмюра. Показано, что уравнение Ленгмюра при температурах водного раствора 20, 40 и 60 °С описывает соответственно 99,35; 98,41 и 92,12% экспериментальных величин сорбции Cu²⁺. Отмечено, что с увеличением температуры модельного раствора константа равновесия и равновесная адсорбционная емкость возрастают, а точность описания изотерм убывает. Изотермы сорбции Zn²⁺, Ni²⁺ не подчиняются уравнению Ленгмюра, что можно объяснить с привлечением теории «жестких» и «мягких» кислот и оснований Пирсона, согласно которой ионы Zn²⁺ и Ni²⁺ относятся к кислотам промежуточной жесткости, а ион Cu²⁺ - к «мягким» кислотам, которые образуют наиболее прочные соединения с мягкими основаниями (атомами серы полимера). Ионы Zn²⁺ и Ni²⁺ связываются не только с атомами серы, но и с атомами кислорода (жесткое основание) цеолитной матрицы и могут перемещаться по поверхности сорбента «в поиске более удобных для координации мест». Таким образом, для ионов Zn²⁺ и Ni²⁺ нарушается один из принципов теории Ленгмюра - локализация сорбата на поверхности сорбента. Видимо, по этой причине уравнение Ленгмюра для них «не работает».

1. Общая токсикология / под ред. Б.А. Курляндского, В.А. Филова. М.: Медицина, 2002. 606 с.

2. Чекушин В.С., Борбат В.Ф. Экстракция благородных металлов сульфидами и сульфоксидами. М.: Наука, 1984. 152 с.

3. Зейналов Р.З., Татаева С.Д., Атаева Н.И. Концентрирование и определение меди, цинка и кадмия хелатообразующим модифицированным сорбентом // Аналитика и контроль. 2013. Т. 17. № 1. С. 89-96.

4. Мясоедова Г.В., Саввин С.Б. Хелатообразующие сорбенты. М.: Наука, 1984. 171 с.

5. Burba P. Anion exchangers functionalized by chelating agents (AnChel) for preconcentration of trace elements: capabilities and limitations // Fresenius Journal Analytical Chemistry. 1991. Vol. 341. Issue 12. P. 709-715. https://doi.org/10.1007/BF00321572

6. Рафиков С.Р. Особенности свойств серосодержащих полимеров // Высокомолекулярные соединения. 1979. Т. (А) XXI. N 11. С. 2518-2528.

7. Товбин Ю.К. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах: монография. М.: Физматлит, 2013. 624 с.

8. Lucke H. Aliphatic Polysulfides. Publisher Hu-thing & Wepf, Verlag Basel, 1994.

9. Хакимуллин Ю.Н., Минкин В.С., Полю-тин Ф.М., Дербердеев Т.Р. Герметики на основе полисульфидных олигомеров: синтез, свойства, применение. М.: Наука, 2007. 300 с.

10. Дарманская Т.А., Корчевин Н.А., Асламова В.С. Утилизация зольных отходов // Экология и промышленность России. 2010. N 1. С. 39-41.

11. Пат. № 2475299. Российская Федерация. Способ получения серосодержащих сорбентов для очистки сточных вод от тяжелых металлов / А.В. Рединова, О.Н. Игнатова, В.А. Грабельных, Е.П. Леванова, Н.В. Руссавская, С.В. Терек [и др.]; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный университет путей сообщения; заявл. 27.12.2010; опубл. 20.02.2013. Бюл. № 5.

12. Рединова А.В., Грабельных В.А., Леванова Е.П., Корчевин Н.А. Извлечение ионов тяжелых металлов серосодержащими полимерными сорбентами // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. N 1 (72). C. 113-116.

13. Чернышева Е.А., Грабельных В.А., Леванова Е.П., Руссавская Н.В., Розенцвейг И.Б., Кор-чевин Н.А. Новый подход к реализации адсорбционных свойств лигнина: получение серосодержащих сорбентов для ионов тяжелых металлов // Химия в интересах устойчивого развития. 2017. Т. 25. Вып. 3. С 327-332. https://doi.org/10.15372/KhUR20170312

14. Пат. № 2558896, Российская Федерация. Способ получения сорбента для очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов / Е.А. Чернышева, В.А. Грабельных, Е.П. Леванова, О.Н. Игнатова, И.Б. Розенцвейг, Руссавская Н.В. [и др.]; заявл. 06.06.2014; опубл. 10.08.2015. Бюл. № 22.

15. Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г., Володин В.Ф. Цеолиты - новый тип минерального сырья. М.: Недра, 1987. 82 с.

16. Deryagina E.N., Levanova E.P., Grabel'-nykh V.A., Sukhomazova E.N., Russavskaya N.V., Korchevin N.A. Thiylation of polyelectrophiles with sulfur in hydrazine - hydrate - amine systems // Russian Journal of General Chemistry. 2005. Vol. 75. Issue 2. P. 194-199. https://doi.org/10.1007/s11176-005-0197-y

17. Пат. № 2624319, Российская Федерация. Способ получения сорбента для извлечения соединений тяжелых металлов из сточных вод / М.В. Обуздина, Е.А. Руш, А.В. Днепровская, Л.В. Шалунц, О.Н. Игнатова, Е.П. Леванова, В.А. [и др.].; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный университет путей сообщения; заявл. 30.03.2016; опубл. 03.07.2017. Бюл. № 19.

18. Асламова В.С., Шалунц Л.В., Обузди-на М.В., Грабельных В.А. Моделирование процесса адсорбции в системе жидкость - твердое тело: регрессионный анализ извлечения меди из водных растворов цеолитом Холинского месторождения, модифицированным серосодержащим полимером // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 2. С. 351-359.

19. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов: монография. Новосибирск: Наука, 1999. 470 с.

20. Марченко З. Фотометрическое определение элементов / пер. с польского И.В. Матвеевой, А.А. Немодрука; под ред. Ю.А. Золотова. М.: Мир,1971. 502 с.

21. Асламова В.С., Шалунц Л.В., Обуздина М.В., Руш Е.А. Регрессионные модели извлечения ионов никеля из водных растворов модифицированным цеолитом // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-31): сб. тр. XXXI Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, 10-14 сентября 2018 г.). В 12 т. Т. 10. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2018. С. 37-40.

22. Асламова В.С., Шалунц Л.В., Грабельных В.А., Асламов А.А. Регрессионные модели процесса адсорбции ионов цинка из водных растворов цеолитом Холинского месторождения, модифицированным серосодержащим полимером // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. N 1. С. 29-38. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-1-29-38

23. Aslamova V.S., Chernysheva E.A., Grabel'-nykh V.A., Levanova E.P., Russavskaya N.V. Regression analysis of the regularities of extraction of zinc and cadmium ions from aqueous solutions with a sulfur-based sorbent based on lignin // Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2018. Vol. 8. No. 4. P. 174-183. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-4-174-183

24. Мамонова М.В., Прудников В.В., Прудникова И.А. Физика поверхности. Теоретические модели и экспериментальные методы: монография. М.: Физматлит, 2011. 400 с.

25. Кукушкин В.Ю., Кукушкин Ю.Н. Теория и практика синтеза координационных соединений: монография. Л.: Наука, 1990. 259 с.