USE OF NANOSTRUCTURED SIO2 FOR PURIFICATION OF MODEL SOLUTIONS CONTAINING HEAVY METALS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.57
Issue: № 4 (142), 2024
Suggested:
21.03.2024
Accepted:
02.04.2024
Published:
17.04.2024
127
1
XML
PDF

Abstract

A sufficiently reliable way to treat wastewater from heavy metals is to use a combination of different treatment methods. Most often sorption methods are the basis. Among sorbents, the use of nanostructured compounds is promising. Our work presents the results of the study of Pb2+ sorption by nanostructured SiO2 in the presence of Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+. Using the method of full factorial experiment, a quantitative characterization of the effect of the presence of Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ cations on the determination of Pb2+ was obtained. The experiment was conducted under static conditions (8, 16, 24 days). The change in Pb2+ concentration was determined colourimetrically by the plumbon method at λ = 540 nm. During the experimental study using PFE, quantitative characterization of the effect of Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ on the determination of Pb2+ was obtained. It was observed that the use of SiO2 nanopowder allows the purification of model solutions by 75% under static conditions. The influence of Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ on the sorption of Pb2+ by nanostructured SiO2 has no significant effect.

1. Введение

Побочным эффектом наращивания мощностей производств является увеличение сточных вод промышленных предприятий. При этом ПДК по тяжелым металлам достаточно жесткие. Для очистки сточных вод применяются различные технологические схемы и оборудование. Наиболее эффективным способом очистки сточных вод от тяжелых металлов является комбинация различных методов очистки. Лидирующее место, на сегодняшний день, занимают сорбционные методы. Специалисты

считают, что для решения проблемы загрязнения окружающей среды целесообразно использовать нанопористые углеродные материалы. По данным отчета ИКТ «рынок нанотехнологий»
, к 2032 году по сравнению с 2022 годом объем мирового рынка нанотехнологий увеличится в 3,8 раза (рисунок 1).

Тенденции роста мирового объема нанотехнологий

Рисунок 1 - Тенденции роста мирового объема нанотехнологий

Примечание: источник [2]

Наноматериалы представляют собой структуры протяженностью менее 100 нм (нанометр, 10⁻⁹ м) в одном направлении. На этом уровне материалы обладают уникальными, обусловленными размерами, свойствами: химическими, адсорбционными, каталитическими, магнитными, механическими, оптическими, биологическими
,
. Этим объясняется их широкое использование в различных направлениях человеческой деятельности, в том числе в области очистки и обеззараживания воды и сточных вод 
. Среди наноструктурированных оксидов широкое применение нашел диоксид кремния, как один из наиболее дешевых в производстве порошков ультрадисперсного порядка
,
,
,
.

 Одним из компонентов состава сточных водя является Pb2+. Предварительные исследования

 показали целесообразность проведения дальнейших исследований по определению эффективности сорбции Pb2+ наноструктурированным SiO2 в присутствии типичных компонентов Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+, характерных для сточных вод промышленных предприятий.

2. Методы и принципы исследования

Объектом исследования являются модельные растворы, содержащие Pb2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.

Предметом исследования – использование нанопорошков SiO2 для очистки модельных растворов от  ионов Pb2+.

Целью исследования является определение степени очистки модельных сред от Pb2+ на нанопорошке SiO2 в присутствии иных солей тяжелых металлов: Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.

Задачи исследования:

1. Проанализировать возможности использование нанопорошка SiO2 для очистки сточных вод от тяжелых металлов.

2. Провести экспериментальные исследования использования нанопорошка SiO2 на степень очистки модельных сред от ионов Pb2+ в присутствии катионов Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.

В ходе исследования использовали метод полного факторного эксперимента для подготовки анализируемых проб.

Определение ионов Pb2+ проводили фотоколориметрически плюмбоновым методов на КФК-3.

3. Основные результаты

Используемые в работе нанопорошки были предварительно исследованы на электронном микроскопе Phenom World (рисунок 2).

Нанопорошок диоксида кремния:слева – увеличение в 5100 раз, при общей длине фотокадра в 52,7 мкм; справа – увеличение в 8200 раз, при общей длине фотокадра 32,8 мкм

Рисунок 2 - Нанопорошок диоксида кремния:

слева – увеличение в 5100 раз, при общей длине фотокадра в 52,7 мкм; справа – увеличение в 8200 раз, при общей длине фотокадра 32,8 мкм

Примечание: состав используемого нанопорошка диоксида кремния представлен в таблице 1 и на рисунке 3

Таблица 1 - Состав нанопорошка диоксида кремния

Символ элемента

Atomic Conc.

Weight Conc.

Oxide Symbol

Stoich. wt Conc.

O

80,09

70,86

 

 

Si

17,91

27,81

SiO2

97,81

C

2,00

1,33

 

 

Поэлементный состав

Рисунок 3 - Поэлементный состав

Примечание: отключенные элементы: B, I, La, Sb, Te

Было проведено экспериментальное исследование по использованию нанопорошка SiO2 на степень очистки модельных сред, содержащих Pb2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+.

Для экспериментального определения способности нанопорошков очищать модельные растворы будет проведен полный факторный эксперимент. Готовили 3 серии растворов. В каждой серии было 16 проб с порошком SiO2. Сами пробы компановались из Pb2+, Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+. Также будет сделаны контрольные растворы с Pb2+ и наропорошком SiO2. Концентрация Pb2+ во всех пробах была постоянной. Исследования проводили в статических условиях. Время экспозиции первой серии проб с нанопорошками 8 дней, второй – 16 дней, третьей – 24 дня

По истечении указанного времени пробы центрифугировали, декантировали, затем отбирали пипеткой Мора аликвоту в 10 мл, которую переносили в мерную колбу на 25 мл. В которой определяли Pb2+ плюмбоновым методом на КФК-3.

Для проведения эксперимента моделировали состав проб, используя полный факторный эксперимент. В роли выходной величины Y будет выступать значение оптической плотности А. Рабочая матрица для четырехфакторного эксперимента представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Рабочая матрица ПФЭ для четырех элементов

№ опыта

Pb2+, мг/л

Cd2+, мг/л

Ni2+, мг/л

Cu2+, мг/л

Zn2+, мг/л

Значение выходной величины Y

1

1

1

1

1

1

Y1

2

1

1

1

1

-1

Y2

3

1

1

1

-1

1

Y3

4

1

1

1

-1

-1

Y4

5

1

1

-1

1

1

Y5

6

1

1

-1

1

-1

Y6

7

1

1

-1

-1

1

Y7

8

1

1

-1

-1

-1

Y8

9

1

-1

1

1

1

Y9

10

1

-1

1

1

-1

Y10

11

1

-1

1

-1

1

Y11

12

1

-1

1

-1

-1

Y12

13

1

-1

-1

1

1

Y13

14

1

-1

-1

1

-1

Y14

15

1

-1

-1

-1

1

Y15

16

1

-1

-1

-1

-1

Y16

Концентрация Pb2+ во всех пробах была постоянной и составляла 1 мг/л. Минимальная концентрация для других катионов была 0,7 мг/л, а максимальная - 1,4 мг/л. Концентрация нанопорошка во всех пробах составляла 3%.

Значения измерения оптической плотности модельных растворов последней серии опытов (24 дня) представлены в таблице 3. Значения оптической плотности определяли на длине волны 540 нм. На основании результатов полного факторного эксперимента составим таблицу результатов.

Таблица 3 - Значения оптической плотности модельных растворов на 24-ый день эксперимента

24 дня SiO2

540 nm

540 nm

540 nm

Опыт

А1

А2

А3

Аср

1

0,357

0,358

0,357

0,357

2

0,216

0,215

0,216

0,216

3

0,239

0,240

0,239

0,239

4

0,141

0,142

0,141

0,141

5

0,564

0,566

0,565

0,565

6

0,201

0,202

0,201

0,201

7

0,298

0,299

0,299

0,299

8

0,237

0,237

0,239

0,238

9

0,309

0,309

0,310

0,309

10

0,177

0,179

0,175

0,177

11

0,208

0,209

0,207

0,208

12

0,120

0,121

0,122

0,121

13

0,470

0,469

0,470

0,470

14

0,273

0,271

0,272

0,272

15

0,358

0,359

0,358

0,358

16

0,209

0,208

0,209

0,209

Надежность полученных результатов подтверждается оценкой дис-персию среднего значения, представленной в таблице 4.

Таблица 4 - Вычисление дисперсий среднего для значений оптической плотности серии экспериментов (24 дня)

Sj2

Sj

Sx

εp

Δ

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,128

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,213

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,192

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,325

1,000E-06

1,000E-03

2,500E-04

7,950E-04

0,141

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,228

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,154

1,333E-06

1,155E-03

2,887E-04

9,180E-04

0,386

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,148

4,000E-06

2,000E-03

5,000E-04

1,590E-03

0,898

1,000E-06

1,000E-03

2,500E-04

7,950E-04

0,382

1,000E-06

1,000E-03

2,500E-04

7,950E-04

0,657

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,098

1,000E-06

1,000E-03

2,500E-04

7,950E-04

0,292

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,128

3,333E-07

5,774E-04

1,443E-04

4,590E-04

0,220

Используя метод полного факторного эксперимента была получена количественная характеристика влияния присутствия катионов Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ на определение Pb2+ (уравнение 1). Все коэффициенты были значимыми.

img
(1)

Сравнение расчетных и экспериментальных значений представлены в таблице 5 и на рисунке 4. 

Таблица 5 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений определения Pb2+ в присутствии катионов Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ плюмбоновым методом

Опыт

Аср

Y

1

0,357

0,353

2

0,216

0,200

3

0,239

0,259

4

0,141

0,105

5

0,565

0,459

6

0,201

0,305

7

0,299

0,364

8

0,238

0,211

9

0,309

0,337

10

0,177

0,183

11

0,208

0,243

12

0,121

0,089

13

0,470

0,442

14

0,272

0,288

15

0,358

0,348

16

0,209

0,194

Сравнение расчетных и экспериментальных значений определения Pb2+ в присутствии катионов Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ плюмбоновым методом

Рисунок 4 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений определения Pb2+ в присутствии катионов Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ плюмбоновым методом

Анализ других серий проводился аналогично. Сопоставление итоговых результатов представлено на рисунке 5. Отмечается аналогичный характер изменения содержания Pb2+ для различного состава проб во временном интервале.

Сравнение 8, 16 и 24 дневных экспериментальных кривых проб модельных растворов с нанопорошком SiO2 и проб чистого Pb2+ с SiO2 при λ = 540 нм

Рисунок 5 - Сравнение 8, 16 и 24 дневных экспериментальных кривых проб модельных растворов с нанопорошком SiO2 и проб чистого Pb2+ с SiO2 при λ = 540 нм

Использован нормированный график с накоплениями для:

- отображения относительного вклада в общее значение со временем;

- отображения изменения вклада каждого значения со временем.

Как мы видим из графика (см рисунок 5) относительный вклад у значений на экспериментальных кривых со временем растет и составляет около 20% при 8 днях, около 40% при 16 и около 50% при 24 днях. В то же самое время мы видим, как некоторые пробы, а именно 3, 4, 11 показывают сильный провал, что можно объяснить повышенным содержанием никеля во всех трех пробах, а также кадмия – в 3, 4; цинка – в 3, 11 пробах. Одновременно мы наблюдаем вклад выше среднего у проб 5, 7, что можно объяснить сниженным содержанием никеля в них

Из данных эксперимента следует, что раствор содержащий только Pb2+ показал снижение содержания свинца на 75%.

4. Заключение

В ходе экспериментального исследования с использованием ПФЭ были получены количественные характеристики влияния Ni2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ на определение Pb2+. Отмечено, что использование нанопорошка SiO2 позволяет очистить модельные растворы на 75 % в статических условиях. Влияние Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ на сорбцию Pb2+ наноструктурированным SiO2 существенного влияния не оказывает.

Article metrics

Views:127
Downloads:1
Views
Total:
Views:127