From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 81483 10.52957/2782-1900-2024-4-3-30-39 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Effect of chemical modification of cotton cellulose by anthranilic acid on the sorption of Cu(II) and Fe(II) ions Влияние химического модифицирования хлопковой целлюлозы антраниловой кислотой на сорбцию ионов Cu(II) и Fe(II) Никифорова Татьяна Евгеньевна Nokoforova Tatyana Evgenjevna tatianaenik@mail.ru

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Ивановский государственный химико-технологический университет Ivanovo State University of Chemistry and Technology 23 09 2023 23 09 2023 4 3 30 39 10 08 2023 18 08 2023 https://chemintech.ru/en/nauka/article/81483/view

В работе выполнено модифицирование хлопковой целлюлозы антраниловой кислотой для получения нового сорбента, способного эффективно извлекать ионы тяжелых металлов из водных растворов. Модифицирование проводили в две стадии: на первой стадии получали диальдегидцеллюлозу за счет окисления целлюлозы метапериодатом натрия; на второй стадии диальдегидцеллюлозу обрабатывали антраниловой кислотой с получением готового сорбента. Определены оптимальные условия модифицирования хлопковой целлюлозы для достижения максимальной сорбции ионов железа(II) и меди(II). Исследованы равновесно-кинетические характеристики исходной и модифицированной хлопковой целлюлозы. Проведена обработка результатов кинетического эксперимента в рамках моделей кинетики псевдо-первого и псевдо-второго порядков. Сняты изотермы сорбции, проведена их обработка в рамках модели Ленгмюра и определены величины предельной сорбционной емкости (А∞). Показано, что модифицирование хлопковой целлюлозы позволяет заметно повысить ее сорбционную емкость. Установлено, что А∞ модифицированного сорбента примерно в 4-5 раз превосходит предельную сорбционную емкость нативной хлопковой целлюлозы по отношению к ионам Cu(II) и Fe(II). Получены и сопоставлены ИК-спектры целлюлозы, модифицированной антраниловой кислотой, и нативной целлюлозы. Получены СЭМ-изображения структуры поверхности исходной хлопковой целлюлозы и модифицированного сорбента.

В работе выполнено модифицирование хлопковой целлюлозы антраниловой кислотой для получения нового сорбента, способного эффективно извлекать ионы тяжелых металлов из водных растворов. Модифицирование проводили в две стадии: на первой стадии получали диальдегидцеллюлозу за счет окисления целлюлозы метапериодатом натрия; на второй стадии диальдегидцеллюлозу обрабатывали антраниловой кислотой с получением готового сорбента. Определены оптимальные условия модифицирования хлопковой целлюлозы для достижения максимальной сорбции ионов железа(II) и меди(II). Исследованы равновесно-кинетические характеристики исходной и модифицированной хлопковой целлюлозы. Проведена обработка результатов кинетического эксперимента в рамках моделей кинетики псевдо-первого и псевдо-второго порядков. Сняты изотермы сорбции, проведена их обработка в рамках модели Ленгмюра и определены величины предельной сорбционной емкости (А∞). Показано, что модифицирование хлопковой целлюлозы позволяет заметно повысить ее сорбционную емкость. Установлено, что А∞ модифицированного сорбента примерно в 4-5 раз превосходит предельную сорбционную емкость нативной хлопковой целлюлозы по отношению к ионам Cu(II) и Fe(II). Получены и сопоставлены ИК-спектры целлюлозы, модифицированной антраниловой кислотой, и нативной целлюлозы. Получены СЭМ-изображения структуры поверхности исходной хлопковой целлюлозы и модифицированного сорбента.

 хлопковая целлюлоза модифицирование антраниловая кислота сорбция ионы Cu(II) и Fe(II)

Humelnicu D., Lazar M.M., Ignat M., Dinu I.A., Dragan E.S., Dinu M.V. Removal of heavy metal ions from multi-component aqueous solutions by eco-friendly and low-cost composite sorbents with anisotropic pores // J. Haz. Mat. 2019. Vol. 381. 120980. URL: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120980 Humelnicu D., Lazar M.M., Ignat M., Dinu I.A., Dragan E.S., Dinu M.V. Removal of heavy metal ions from multi-component aqueous solutions by eco-friendly and low-cost composite sorbents with anisotropic pores // J. Haz. Mat. 2019. Vol. 381. 120980. URL: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120980 Yadav S., Yadav A., Bagotia N., Sharma A.K., Kumar S. Adsorptive potential of modified plant-based adsorbents for sequestration of dyes and heavy metals from wastewater // A review Journal of Water Process Engi-neering. 2021. Vol. 42. 102148. URL: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102148 Yadav S., Yadav A., Bagotia N., Sharma A.K., Kumar S. Adsorptive potential of modified plant-based adsorbents for sequestration of dyes and heavy metals from wastewater // A review Journal of Water Process Engi-neering. 2021. Vol. 42. 102148. URL: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102148 Agarwal A., Upadhyay U., Sreedhar I., Singh S.A., Patel C.M. A review on valorization of biomass in heavy metal removal from wastewater // J. Water Proc. Eng. 2020. Vol. 38. 101602. URL: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101602 Agarwal A., Upadhyay U., Sreedhar I., Singh S.A., Patel C.M. A review on valorization of biomass in heavy metal removal from wastewater // J. Water Proc. Eng. 2020. Vol. 38. 101602. URL: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101602 Meseldzija S., Petrovic J., Onjia A., Volkov-Husovic T., Nesic A., Vukelic N. Utilization of agro-industrial waste for removal of copper ions from aqueous solutions and mining-wastewater // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2019. Vol. 75. Р. 246–252. URL: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.03.031 Meseldzija S., Petrovic J., Onjia A., Volkov-Husovic T., Nesic A., Vukelic N. Utilization of agro-industrial waste for removal of copper ions from aqueous solutions and mining-wastewater // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2019. Vol. 75. R. 246–252. URL: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.03.031 Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е. Исследование стадий термической обработки и гидротермальной кристаллизации при получении гранулированного цеолита NAА из механоактивированного метакаолина // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86, № 3. С. 360-366. Prokof'ev V.Yu., Gordina N.E. Issledovanie stadiy termicheskoy obrabotki i gidrotermal'noy kristallizacii pri poluchenii granulirovannogo ceolita NAA iz mehanoaktivirovannogo metakaolina // Zhurnal prikladnoy himii. 2013. T. 86, № 3. S. 360-366. Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е., Жидкова А.Б. Синтез гранулированных цеолитов со структурой NAА из каолина // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2011. Т. 54, № 12. С. 77-80. Prokof'ev V.Yu., Gordina N.E., Zhidkova A.B. Sintez granulirovannyh ceolitov so strukturoy NAA iz kaolina // Izv. vuzov. Himiya i himicheskaya tehnologiya. 2011. T. 54, № 12. S. 77-80. Gordina N.E., Prokof’ev V.Y., Hmylova O.E., Kul’pina Y.N. Еffect of ultrasound on the thermal behavior of the mixtures for the LTA zeolite synthesis based on metakaolin // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017. Vol. 129, no. 3. Р. 1415-1427. Gordina N.E., Prokof’ev V.Y., Hmylova O.E., Kul’pina Y.N. Effect of ultrasound on the thermal behavior of the mixtures for the LTA zeolite synthesis based on metakaolin // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017. Vol. 129, no. 3. R. 1415-1427. Saavedra M.I., Miñarro M.D., Angosto J.M., Fernández-López J.A. Reuse potential of residues of artichoke (Cynara scolymus L.) from industrial canning processing as sorbent of heavy metals in multimetallic effluents // Industrial Crops & Products. 2019. Vol. 141. 111751. URL: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111751 Saavedra M.I., Miñarro M.D., Angosto J.M., Fernández-López J.A. Reuse potential of residues of artichoke (Cynara scolymus L.) from industrial canning processing as sorbent of heavy metals in multimetallic effluents // Industrial Crops & Products. 2019. Vol. 141. 111751. URL: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111751 Shrestha R., Ban S., Devkota S., Sharma S., Joshi R., Tiwari A.P., Kim H.Y., Joshi M.K. Technological trends in heavy metals removal from industrial wastewater: A review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9, iss. 4. 105688. URL: https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105688 Shrestha R., Ban S., Devkota S., Sharma S., Joshi R., Tiwari A.P., Kim H.Y., Joshi M.K. Technological trends in heavy metals removal from industrial wastewater: A review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9, iss. 4. 105688. URL: https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105688 Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Родионова М.В., Модина Е.А. Сорбция ионов цинка продуктами, содержащими целлюлозную и белковую составляющие // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 3. С. 27-31. Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Rodionova M.V., Modina E.A. Sorbciya ionov cinka produktami, soderzhaschimi cellyuloznuyu i belkovuyu sostavlyayuschie // Izv. vuzov. Himiya i him. tehnologiya. 2009. T. 52. Vyp. 3. S. 27-31. Nazaripour M., Reshadi M.A.M., Mirbagheri S.A., Nazaripour M., Bazargan A. Research trends of heavy metal removal from aqueous environments // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 287. 112322. URL: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112322 Nazaripour M., Reshadi M.A.M., Mirbagheri S.A., Nazaripour M., Bazargan A. Research trends of heavy metal removal from aqueous environments // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 287. 112322. URL: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112322 Kozlov V.A., Nikiforova T.E., Loginova V.А., Коifman О.I. Mechanism of protodesorption – exchange of heavy metal cations for protons in a heterophase system of H2O-H2SO4-MSO4 – cellulose sorbent // Journal of Hazardous Materials. 2015. Vol. 299, P. 725-732. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.004. Kozlov V.A., Nikiforova T.E., Loginova V.A., Koifman O.I. Mechanism of protodesorption – exchange of heavy metal cations for protons in a heterophase system of H2O-H2SO4-MSO4 – cellulose sorbent // Journal of Hazardous Materials. 2015. Vol. 299, P. 725-732. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.004. Singha B., Das S.K. Adsorptive removal of Cu(II) from aqueous solution and industrial effluent using natural/agricultural wastes // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2013. Vol. 107. P. 97–106. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfb.2013.01.060 Singha B., Das S.K. Adsorptive removal of Cu(II) from aqueous solution and industrial effluent using natural/agricultural wastes // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2013. Vol. 107. P. 97–106. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfb.2013.01.060 Никифорова Т.Е., Козлов В.А. Сопоставление моделей сорбции катионов меди (II) и никеля (II) из вод-ных растворов хлопковой целлюлозой // Журнал физической химии. 2012. Т. 86, № 10. С. 1724-1729. Nikiforova T.E., Kozlov V.A. Sopostavlenie modeley sorbcii kationov medi (II) i nikelya (II) iz vod-nyh rastvorov hlopkovoy cellyulozoy // Zhurnal fizicheskoy himii. 2012. T. 86, № 10. S. 1724-1729. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Исляйкин М.К. Кислотно-основные взаимодействия и комплексообразование при извлечении катионов меди (II) из водных растворов целлюлозным сорбентом с участием поливинилпирролидона // Журнал физической химии. 2012. Т. 86, № 12. С. 1974-1984. Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Islyaykin M.K. Kislotno-osnovnye vzaimodeystviya i kompleksoobrazovanie pri izvlechenii kationov medi (II) iz vodnyh rastvorov cellyuloznym sorbentom s uchastiem polivinilpirrolidona // Zhurnal fizicheskoy himii. 2012. T. 86, № 12. S. 1974-1984. Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Islyaikin M.K. Аcid-base interactions and complex formation while recovering copper(ii) ions from aqueous solutions using cellulose adsorbent in the presence of polyvinylpyrrolidone // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2012. Vol. 86, № 12. Р. 1836-1846. Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Islyaikin M.K. Acid-base interactions and complex formation while recovering copper(ii) ions from aqueous solutions using cellulose adsorbent in the presence of polyvinylpyrrolidone // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2012. Vol. 86, № 12. R. 1836-1846. Beaugeard V., Muller J., Graillot A., Ding X., Robin J.-J., Monge S. Acidic polymeric sorbents for the removal of metallic pollution in water: A review // Reactive and Functional Polymers. 2020. Vol. 152 (3). 104599. URL: https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2020.104599 Beaugeard V., Muller J., Graillot A., Ding X., Robin J.-J., Monge S. Acidic polymeric sorbents for the removal of metallic pollution in water: A review // Reactive and Functional Polymers. 2020. Vol. 152 (3). 104599. URL: https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2020.104599 Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Софронов А.Р. Влияние химического модифицирования хлопковой целлюлозы аминоуксусной кислотой на сорбцию ионов Cu(II) и Fe(II) // От химии к технологии шаг за шагом. 2023. Т. 4, вып. 1. С. 32-42. URL: http://chemintech.ru/index.php/tor/2023-4-1 Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Sofronov A.R. Vliyanie himicheskogo modificirovaniya hlopkovoy cellyulozy aminouksusnoy kislotoy na sorbciyu ionov Cu(II) i Fe(II) // Ot himii k tehnologii shag za shagom. 2023. T. 4, vyp. 1. S. 32-42. URL: http://chemintech.ru/index.php/tor/2023-4-1 Klemm D., Philipp B., Heinze D., Heinze U. and Wagenknecht W. Comprehensive cellulose chemistry. Vol. 1: Fundamentals and Analytical Methods. Wiley-WCH, Weinheim, Germany, 1998. 282 p. Klemm D., Philipp B., Heinze D., Heinze U. and Wagenknecht W. Comprehensive cellulose chemistry. Vol. 1: Fundamentals and Analytical Methods. Wiley-WCH, Weinheim, Germany, 1998. 282 p. Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л.: Химия, 1970. 336 с. Kokotov Yu.A., Pasechnik V.A. Ravnovesie i kinetika ionnogo obmena. L.: Himiya, 1970. 336 s. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. 327 с. Ahnazarova S.L., Kafarov V.V. Metody optimizacii eksperimenta v himicheskoy tehnologii. M.: Vysshaya shkola, 1985. 327 s.