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 [1] считают, что для решения проблемы загрязнения окружающей среды целесообразно использовать нанопористые углеродные материалы. По данным отчета ИКТ «рынок нанотехнологий» [2], к 2032 году по сравнению с 2022 годом объем мирового рынка нанотехнологий увеличится в 3,8 раза (рисунок 1).
Тенденции роста мирового объема нанотехнологий
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 [9], [10] 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
Предметом исследования – использование нанопорошков SiO2Missing Mark : sub для очистки модельных растворов от ионов Pb2+Missing Mark : sup.
Целью исследования
является определение степени очистки модельных сред от
Задачи исследования:
1. Проанализировать возможности использование нанопорошка SiO2Missing Mark : sub для очистки сточных вод от тяжелых металлов.
2. Провести экспериментальные исследования использования нанопорошка
SiO2
В ходе исследования использовали метод полного факторного эксперимента для подготовки анализируемых проб.
Определение ионов Pb2+Missing Mark : sup 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
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 | SiO2Missing Mark : sub | 97,81 |
| C | 2,00 | 1,33 |
Поэлементный состав
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 SiO2Missing Mark : sub. Сами пробы компановались из Pb2+Missing Mark : sup, Cd2+Missing Mark : sup, Ni2+Missing Mark : sup, Cu2+Missing Mark : sup, Zn2+Missing Mark : sup. Также будет сделаны контрольные растворы с Pb2+Missing Mark : sup и наропорошком SiO2Missing Mark : sub. Концентрация Pb2+Missing Mark : sup 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.
Рабочая матрица ПФЭ для четырех элементов
| № опыта | Pb2+Missing Mark : sup, мг/л | Cd2+Missing Mark : sup, мг/л | Ni2+Missing Mark : sup, мг/л | Cu2+Missing Mark : sup, мг/л | Zn2+Missing Mark : sup, мг/л | Значение выходной величины Y |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | -1 | 2 |
| 3 | 1 | 1 | 1 | -1 | 1 | 3 |
| 4 | 1 | 1 | 1 | -1 | -1 | 4 |
| 5 | 1 | 1 | -1 | 1 | 1 | Y |
| 6 | 1 | 1 | -1 | 1 | -1 | Y |
| 7 | 1 | 1 | -1 | -1 | 1 | Y |
| 8 | 1 | 1 | -1 | -1 | -1 | Y |
| 9 | 1 | -1 | 1 | 1 | 1 | 9 |
| 10 | 1 | -1 | 1 | 1 | -1 | 10 |
| 11 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | 11 |
| 12 | 1 | -1 | 1 | -1 | -1 | 12 |
| 13 | 1 | -1 | -1 | 1 | 1 | Y |
| 14 | 1 | -1 | -1 | 1 | -1 | Y |
| 15 | 1 | -1 | -1 | -1 | 1 | Y |
| 16 | 1 | -1 | -1 | -1 | -1 | Y |
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.
Значения оптической плотности модельных растворов на 24-ый день эксперимента
| 2 | 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.
Вычисление дисперсий среднего для значений оптической плотности серии экспериментов (24 дня)
| 2 | j | x | p | 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.
[LATEX_FORMULA]У =0,2738+ 0,0083X1 -0,0526Х2 + 0,0471X3 + 0,0769X4[/LATEX_FORMULA]
Сравнение расчетных и экспериментальных значений представлены в таблице 5 и на рисунке 4.
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
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+Missing Mark : sup, Cu2+Missing Mark : sup, Cd2+Missing Mark : sup, Zn2+ Missing Mark : supна определение Pb2+Missing Mark : sup. Отмечено, что использование нанопорошка SiO2Missing Mark : sub позволяет очистить модельные растворы на 75 % в статических условиях. Влияние Cd2+Missing Mark : sup, Ni2+Missing Mark : sup, Cu2+Missing Mark : sup, Zn2+Missing Mark : sup на сорбцию Pb2+Missing Mark : sup наноструктурированным SiO2Missing Mark : sub существенного влияния не оказывает.