Сорбционная очистка растворов от ионов тяжелых металлов с применением цеолита, модифицированного углеродными нанотрубками

Abstract

Исследованы процессы сорбции ионов тяжелых металлов - меди и цинка, с применением природного цеолита, модифицированного многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ) с функционализированной полярными группами (карбоксильными, карбонильными, гидроксильными) поверхностью при ультразвуковом воздействии. Наиболее результативным является функционализация поверхности углеродных нанотрубок карбонильными группами (МУНТ-СООН) при обработке нативных МУНТ смесью концентрированных серной и азотной кислот. На поверхности нанотрубок прививаются также карбонильные и гидроксильные группы. Изучены процессы адсорбции ионов цинка и меди из растворов на исходном и модифицированном цеолите. Для интенсификации процессов сорбции наиболее эффективно применение ультразвуковой обработки. При этом снимаются диффузионные ограничения в адсорбционном слое, происходит выравнивание концентрации при перемешивании жидкости. Была изучена зависимость степени извлечения ионов цинка и меди от содержания МУНТ-СООН в цеолите. При оптимальной концентрации 0,1 мас. % МУНТ-СООН степень извлечения для цинка 97,8 %, для меди - 96,4 %. Дальнейшее увеличение концентрации нанотрубок в цеолите незначительно увеличивает степень извлечения. Оптимальное время ультразвуковой обработки составило 100 с. В этих же условиях при использовании немодифицированного цеолита степень извлечения ионов цинка и меди составила 72,4 и 68,3 % соответственно. Без воздействия ультразвука близкие по степени извлечения результаты могут быть получены при обработке растворов солей цинка и меди цеолитом в течение 2-4 ч. При различных концентрациях катионов цинка и меди в растворе построены изотермы адсорбции и определены основные параметры процессов. Модифицирование цеолита углеродными нанотрубками увеличивает степень извлечения на 20-25 %, сорбционную емкость по цинку - в 3 раза, по меди - в 3,5 раза. При модифицировании с применением ультразвукового воздействия удельная поверхность сорбента увеличивается в 2,3 раза. Отработанный цеолит может быть регенерирован обработкой кислотами не менее 6 циклов с уменьшением степени извлечения до 25 %. Предложена схема получения и сорбционной очистки с применением модифицированного нанотрубками цеолита. The processes of heavy metal ions sorption - copper and zinc, with the use of natural zeolite modified by multi-walled carbon nanotubes (MWСNT) with functionalized surface of polar groups (carboxyl, carbonyl, hydroxyl) by ultrasonic action have been investigated. The most effective is the functionalization of the carbon nanotube surface by carbonyl groups (MWCNT- СООН) in the treatment of native MWCNT with a compound of concentrated sulfuric and nitric acids. Carbonyl and hydroxyl groups are also fixated on the surface of nanotubes. The processes of adsorption of zinc and copper ions from solutions on the original and modified zeolite have been studied. For the intensification of sorption processes the application of ultrasonic treatment is the most effective. In this case, the diffusion restrictions in the adsorption layer are removed, the concentration is equalized by mixing the liquid. The dependence of the degree of extraction of ions of zinc and copper from the content of MWCNT-COOH in the zeolite has been studied. At the optimum concentration of 0.1 wt. % MWCNT-COOH, the degree of extraction for zinc is 97.8 %, for copper it is 96.4 %. A further increase in the concentration of nanotubes in zeolite insignificantly increases the degree of extraction. The optimal duration of ultrasonic treatment is 100 s. Under these conditions with the use of unmodified zeolite, the degree of extraction of zinc and copper ions amounts to 72.4 and 68.3 per cent, respectively. Without the influence of ultrasound the results that are close in degree of extraction can be obtained by zeolite treatment of solutions of zinc and copper salts for 2-4 h. The adsorption isotherms at various concentrations of the zinc and copper cations in a solution have been represented, and the basic parameters of the processes have been determined. Modification of zeolite by carbon nanotubes increases the degree of extraction by 20-25 %, the sorption capacity for zinc by 3 times, for copper it increases by 3.5 times. In the case of modification with the use of ultrasonic influence the specific surface of the sorbent increases by 2.3 times. The spent zeolite can be regenerated by treatment with acids for not less than 6 cycles with reduction of extraction degree to 25 %. The scheme of obtaining and sorption purification with the use of modified zeolite by nanotubes has been suggested.