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

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

Рисунок 1 - Тенденции роста мирового объема нанотехнологий

Примечание: источник [2]

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.57.1

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

[3]

,

[4]

. Этим объясняется их широкое использование в различных направлениях человеческой деятельности, в том числе в области очистки и обеззараживания воды и сточных вод 

[3]

. Среди наноструктурированных оксидов широкое применение нашел диоксид кремния, как один из наиболее дешевых в производстве порошков ультрадисперсного порядка

[5]

,

[6]

,

[7]

,

[8]

.

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

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

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.57.2

Рисунок 3 - Поэлементный состав

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

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.57.4

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.

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.

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

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.

(1)

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

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

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.57.9

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.

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

DOI:10.23670/IRJ.2024.142.57.10

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%.

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.