Научный подход к выбору сорбентов
9 «А» класс
Тихонова Елизавета
МБОУ Лицей №12 г. Химки
Руководитель
Из предлагаемых способов ликвидации загрязнений наиболее эффективен сорбционный. В настоящее время используется множество природных и синтетических сорбентов. Почему в одном случае применяют одни сорбенты, а в другом другие? Каков механизм действия сорбентов? Как выбрать более эффективные? Если универсальные сорбенты? Тема работы «Научный подход к выбору сорбентов». Гипотеза: сорбирующая способность природных объектов зависит от их состояния, структуры и условий среды. Цель работы: теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство возможности природных веществ различного происхождения проявлять сорбирующие свойства.
Задачи:
1.Изучить строение природных объектов: грибов, торфа, каолина, пекарских дрожжей.
2.Теоретически обосновать возможность сорбции ионов меди (II) исследуемыми природными объектами.
3.Провести исследование сорбционных свойств природных объектов по отношению к ионам меди.
4.Оценить сорбционные возможности объектов исследования с точки зрения эффективности, экономичности и экологичности.
Объекты исследования: сухая биомасса белых грибов, торфа, каолина, пекарских дрожжей.
Предметы исследования: сорбционные свойства природных объектов по отношению к ионам меди (II).
Сорбционные свойства объектов исследования решено рассматривать по отношению к ионам меди в составе медного купороса. Выбор объектов исследования не случайный. Для сравнения были взяты вещества различного происхождения6 минерального, органоминерального, органического ( неживые и живые объекты). Предполагается, что вещества, сильно отличающиеся по строению, будут также сильно отличаться по свойствам, проявлять, различные механизмы сорбции.
Общее требование для сорбентов – веществ различного происхождения – пористость, большая активная поверхность. Причем, для сорбции меди достаточно очень мелких капилляров (ион меди имеет диаметр 0,256 нб). Это могут быть молекулы определенного строения.
Первая часть исследования заключается в изучении химического состава и строения объектов исследования.
В состав грибов входят органические соединения: жиры, белки, углеводы и клетчатка, представленная хитином. Поскольку хитин и его производное хитозан в настоящее время широко используется, как энтеросорбент предполагаем, что и сами грибы будут проявлять сорбционные свойства. Тем более строение молекулы хитина предполагает химический механизм сорбции. Кроме того у хитина особая структура молекулярной цепи: она представляет собой микрофибрилы диаметром 2,5 – 2,8 нм. Диаметр ионов меди 2, 256 нм, поэтому можно предполагать образование супрамолекул (клатратных соединений гость - хозяин). Строение хитина и других составляющих (наличие активны гидроксильных и аминогрупп, пористая структура) предполагает сорбционные свойства грибов.
Торф также состоит из активных органических веществ: гуминовых кислот, лигнина и целлюлозы. Особая роль в химической сорбции принадлежит гуминовым кислотам, имеющим очень сложное строение с разнообразными функциональными группами. Свойства торфа: пористость, слоистость, малая плотность предполагает физический механизм сорбции.
Минеральные вещества каолин по сравнению по сравнению с другими глинами имеет более постоянный состав: AI2O3*2 Si O2*2H2O, поэтому был избран в качестве объекта исследования. Мелкодисперсное строение, наличие мезопор предполагает физический механизм сорбции у каолина. Возможно, что цветные глины сорбционные свойства проявляют в большей степени, чем белые, благодаря более сложному химическому составу.
Пекарские дрожжи также состоят из разнообразных органических соединений: белков, углеводов, витаминов, а также минеральных веществ. В литературе имеются сведения, что живые пекарские дрожжи легко поглощают витамины из организма. Исходя из выше перечисленного, для дрожжей можно предположить химический и метаболический (авторский термин) механизмы сорбции.
Второй частью работы стало экспериментальное доказательство проявления объектами исследования сорбционных свойств по отношению к ионам меди.
Предварительно готовили раствор медного купороса (100 г + 0,5 г) и добавляли по 5 г сорбента. После выдерживания определенного времени раствор фильтровали и проводили определение количества оставшихся ионов меди, используя метод йодометрии. Рабочим раствором является раствор тиосульфата натрия. По объему расходованного рабочего раствора, пошедшего на титрование, определяли массу оставшейся соли, массу ионов меди, далее рассчитывали массу поглощенных ионов меди и коэффициент сорбции. Исследование проводили при различной кислотности растворов. Результаты исследования можно увидеть на обобщающей таблице:
Зависимость коэффициента сорбции объектов исследования от кислотности среды
Объекты исследования | Коэффициент сорбции (мг / г)/время(час) | ||
рН=7 | рН=5 | рН=2 | |
Грибы | 8,5/2 | 8,5/2 | 2,5/4 |
Торф | 15,5/2 | 17,2/2 | 5,3/2 |
Каолин | 8,9/2 | 5,3/2 | 4,5/2 |
Каолин (модиф.) | 10,2/2 | ||
Дрожжи | 13,0/24 | 15,5/8 | 9,7/4 |
Дрожжи + глюкоза | 23,3/8 | 24,8/24 | 10,2/4 |
Композиционный сорбент | 8,6/4 |
Максимальное количество меди поглощается грибами при нейтральной и слабокислой реакции среды. Торф и дрожжи лучше сорбируют в слабокислой среде раствора. В отличие от других сорбентов у каолина при увеличении кислотности среды коэффициент сорбции уменьшался. Поэтому было решено исследовать сорбционные свойства каолина в щелочной среде. Поскольку добавление щелочи к раствору уменьшает концентрацию ионов меди, осаждая их, обработали щелочью сам сорбент. Затем промыли дистиллированной водой и высушили. Как и предполагалось, коэффициент сорбции после такой обработке увеличился. Также было решено усилить метаболизм дрожжей, добавив в раствор глюкозу. При этом коэффициент сорбции значительно вырос. Это можно объяснить проявлением у дрожжей метаболического (авторский термин) механизма сорбции: включения меди в обмен веществ.
Часто в промышленности используют композиционные сорбенты (смешанные). Был приготовлен композит из объектов исследования, взятых в равных количествах. Исследование проводилось при оптимальной для большинства сорбентов кислотности рН=5. Коэффициент сорбции в этом случае оказался не высоким. Предполагается, что произошло ингибирование сорбентами друг друга, связыванием активных химических групп. Что доказывает проявление объектами исследования химического механизма сорбции. Оптимальное время для большинства сорбентов – 2 часа. Для дрожжей коэффициент сорбции увеличился даже через 24 часа. Возможно, стабилизация наступает только после отравления дрожжей медью. У каолина с течением времени наоборот происходит понижение коэффициента сорбции в нейтральной и слабокислой среде. Возможно, в этих условиях соединение меди с каолином неустойчиво происходит процесс десорбции. Щелочная обработка стабилизирует это соединение.
Все объекты исследования сильно снижали свои сорбционные свойства при понижении рН среды до двух (Таблица).
Лучшим из рассмотренных сорбентов являются дрожжи при условии проведения процесса сорбции с добавлением глюкозы и при рН = 5. Худшие сорбционные свойства проявили сухие белые грибы (Таблица). Одна из причин в том, что основного сорбирующего вещества – хитина содержится в грибах менее 10%. Но это неединственная причина, ведь в природе грибы содержат столько хитина, но они являются мощнейшим накопителями тяжелых металлов. Исходя из результатов исследования, можно объяснить имеющиеся несоответствие: природные грибы, как и дрожжи, включают тяжелые металлы в свой метаболизм.
В результате проведенных исследований сделаны выводы:
1.Химическое строение и свойства природных объектов (грибов, торфа, каолина и пекарских дрожжей) позволяет им проявлять сорбционные свойства по отношению к ионам меди.
2.Преобладающим механизмом сорбции для грибов является химический, для торфа – физико - химический, для каолина – физический, для пекарских дрожжей – метаболистический.
3. Наиболее эффективными из изученных сорбентов являются торф и пекарские дрожжи.
4.Эффективность сорбции зависит от химического состава объектов исследования, условий среды.
5. Изученные сорбенты экономичны и экологичны, т. к. являются природными объектами.
6. Из механизмов сорбции ионов меди наиболее эффективным является метаболический, поэтому для очистки воды от меди предпочтительнее применять живые природные объекты.
Список литературы
1.Коржуков химия: учеб. Пособие для вузов / под нач. ред. Г. М. Курдюмова – М.: - МИСИС, 2004. – 512 с.
2.Коротынцева, химия. Версия 1.0. Лаб. Практикум/
, . – Электрон. Дан.(2 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
3.Полеес, М. Э., Аналитическая химия/ , . – М.: Медицина, 1987.
