Концентрирование ионов тяжелых металлов из водных сред в динамических условиях композиционным сорбентом на основе хитозана и диоксида кремния

Цели. Изучение сорбционных, токсикологических и регенерационных свойств композиционного сорбента на основе гидрогеля хитозана и несуспендированного диоксида кремния («хитозан–коллоидный кремнезем»), проявляющихся в динамических условиях очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов.
Методы. Полную динамическую обменную емкость композиционного сорбента «хитозан–коллоидный кремнезем» оценивали в условиях динамической сорбции, пропуская через неподвижный сорбционный слой растворы, содержащие ионы Zn(II), Cd(II), Cu(II) и Cr(III) с концентрацией 240–251 мг/л. Метод определения острой токсичности с использованием дафний (Daphnia magna Straus) основан на прямом счете процента смертности дафний при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной вытяжке, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ. Оценку регенерационной способности сорбента определяли фиксированием количества циклов сорбции–десорбции с использованием элюентов — 0.1 М NaOH, 0.1 М NaHCO₃, а также водных растворов H₂O₂ (1 и 3%).
Результаты. Установлена эффективность работы композиционного сорбента «хитозан–коллоидный кремнезем» в процессе динамической очистки водных сред от ионов Cu(II), Zn(II), Cd(II) и Cr(III). Определены времена проскока ионов и насыщения разработанного сорбента и рассчитана его динамическая обменная емкость путем обработки кинетических кривых сорбции ионов тяжелых металлов, снятых при осуществлении сорбции в динамических условиях. Представлены результаты регенерации и возможность повторного использования сорбента, который способен выдерживать до пяти циклов сорбции–десорбции с сохранением степени извлечения катионов меди выше 90%.
Выводы. Анализ кинетических кривых показал, что движущей силой динамической очистки водных сред от тяжелых металлов полученным сорбентом является внешнедиффузионный массоперенос ионов из подвижной фазы раствора. Биотестирование образцов показало, что разработанный сорбент на основе хитозана не обладает острой токсичностью.

1. Dinu M.V., Humelnicu D., Lazar M.M. Analysis of Copper(II), Cobalt(II) and Iron(III) Sorption in Binary and Ternary Systems by Chitosan-Based Composite Sponges Obtained by Ice-Segregation Approach. Gels. 2021;7(3):103. https://doi.org/10.3390/gels7030103

2. Velasco-Garduño O. Martínez M.E., Gimeno M., Tecante A., Beristain-Cardoso R., Shirai K. Copper removal from wastewater by a chitosan-based biodegradable composite. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020;27(4):28527–28535. https://doi.org/10.1007/s11356-019-07560-2

3. Кунин А.В., Ильин А.А., Морозов Л.Н., Смирнов Н.Н., Никифорова Т.Е., Прозоров Д.А., Румянцев Р.Н., Афинеевский А.В., Борисова О.А., Гришин И.С., Верес К.А., Курникова А.А., Габрин В.А., Гордина Н.Е. Катализаторы и адсорбенты для переработки природного газа, производства минеральных удобрений, очистки технологических жидкостей. Известия вызов. Химия и хим. технология. 2023;66(7):132–150. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236607.6849j

4. Omer A.M., Dey R., Eltaweil A.S., Abd El-Monaem E.M. Insights into recent advances of chitosan-based adsorbents for sustainable removal of heavy metals and anions. Arabian J. Chem. 2022;15(2):103543. http://doi.org/10.1016/j.arabjc.2021.103543

5. Chakraborty R., Asthana A., Singh A.K., Jain B., Susan A.B.H. Adsorption of heavy metal ions by various low-cost adsorbents: a review. Int. J. Environ. Anal. Chem. 2022;100(2):342–379. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1722811

6. Arora R. Adsorption of Heavy Metals — A Review. Materials Today: Proceedings. 2019;18:4745–4750. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.462

7. Brião G.V., de Andrade J.R., da Silva M.G.C., Vieira M.G.A. Removal of toxic metals from water using chitosan-based magnetic adsorbents. A review. Environ. Chem. Lett. 2020;18(4):1145–1168. http://doi.org/10.1007/s10311-020-01003-y

8. Politaeva N., Yakovlev A., Yakovleva E., et al. Graphene oxide-chitosan composites for water treatment from copper cations. Water. 2022;14(9):1430. https://doi.org/10.3390/w14091430

9. Zhang W., An Y., Li S., Liu Z., Chen Z., Ren Y., Wang X. Enhanced heavy metal removal from an aqueous environment using an eco-friendly and sustainable adsorbent. Sci. Rep. 2020;10(1):16453. https://doi.org/10.1038/s41598-020-73570-7

10. Никифорова Т.Е., Габрин В.А., Разговоров П.Б. Особенности сорбции тяжелых металлов биополимерами полисахаридной и полиамидной природы. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2023;59(3):231–243. https://doi.org/10.31857/S0044185623700298

11. Soliman N.K., Moustafa A.F. Industrial solid waste for heavy metals adsorption features and challenges; a review. J. Mat. Res. Technol. 2020;9(5):10235–10253. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.045

12. Ghiorghita C.-A., Dinu M.V., Lazar M.M., Dragan E.S. Polysaccharide-Based Composite Hydrogels as Sustainable Materials for Removal of Pollutants from Wastewater. Molecules. 2022;27(23):8574. https://doi.org/10.3390/molecules27238574

13. Фуфаева В.А., Никифорова Т.Е., Разговоров П.Б., Игнатьев А.А. Кинетические характеристики извлечения катионов меди(II) из водных сред гидрогелевым сорбентом хитозан–диоксид кремния. Экология и промышленность России. 2022;26(12):22–27. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2022-12-22-27

14. Григорьев Ю.С., Шашкова Т.Л. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта Daphnia magna Straus (ПНД Ф Т 14.1:2:4.12 – 06; Т 16.1:2.3.3.9 – 06). Красноярск: КрасГУ; 2006. 47 с.

15. Славинская Г.В., Куренкова О.В. Изменение физико-химических и технологических характеристик ионообменных материалов в установках кондиционирования природных вод. Сорбционные и хроматографические процессы. 2013;13(3):322–331.