USE OF NANOSTRUCTURED SIO2 FOR PURIFICATION OF MODEL SOLUTIONS CONTAINING HEAVY METALS
USE OF NANOSTRUCTURED SIO2 FOR PURIFICATION OF MODEL SOLUTIONS CONTAINING HEAVY METALS
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).
Рисунок 1 - Тенденции роста мирового объема нанотехнологий
Примечание: источник [2]
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).
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 |
|
|
Рисунок 3 - Поэлементный состав
Примечание: отключенные элементы: B, I, La, Sb, Te
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.
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 |
Рисунок 4 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений определения Pb2+ в присутствии катионов Cd2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ плюмбоновым методом
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
- 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.