From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 82414 10.52957/27821900_2022_01_08 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Sorption of heavy metal ions from aqueous solutions by cellulose sorbent agent Сорбция ионов тяжелых металлов целлюлозным сорбентом из водных растворов Никифорова Татьяна Евгеньевна Nokoforova Tatyana Evgenjevna tatianaenik@mail.ru

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Вокурова Дарья Андреевна Vokurova Daria Andreevna fresh-limon@mail.ru Ивановский государственный химико-технологический университет Ivanovo State University of Chemistry and Technology 23 03 2022 23 03 2022 3 1 8 20 06 12 2021 21 03 2022 https://chemintech.ru/en/nauka/article/82414/view

В работе исследована сорбция ионов тяжелых металлов из водных растворов целлюлозными сорбентами. Модифицирование древесной целлюлозы проводили поливинилпирролидоном и карбоновыми многоосновными кислотами. Изучены равновесие и кинетика сорбции ионов Cu(II), Cо(II) и Ni(II) из водных растворов образцами нативной и модифицированной древесной целлюлозы. Экспериментальные изотермы сорбции обработаны согласно моделям Ленгмюра и теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ). Наиболее корректной для описания процесса сорбции ионов тяжелых металлов целлюлозными сорбентами является модель Ленгмюра. Установлено, что предельная сорбционная емкость модифицированных сорбентов в 1,5-2 раза превышает предельную сорбционную емкость нативной древесной целлюлозы. Полученные образцы можно расположить в следующий ряд в порядке возрастания их предельной сорбционной емкости (А∞): нативная древесная целлюлоза < целлюлоза, модифицированная поливинилпирролидоном < целлюлоза, модифицированная лимонной кислотой. Исследовано влияние кислотности среды на сорбцию ионов тяжелых металлов в области рН 1–7. Установлено, что с увеличением рН исходного раствора от 1 до 6 происходит резкий рост степени извлечения ионов Cu(II), Cо(II) и Ni(II). Получены ИК-спектры нативной целлюлозы и ее образцов, модифицированных поливинилпирролидоном и лимонной кислотой. Выполнен элементный анализ всех видов модифицированных сорбентов.

The paper concerns the sorption of heavy metal ions from aqueous solutions by cellulose sorbents agents. We modified the wood cellulose by polyvinylpyrrolidone and carboxylic acids. Also we studied the equilibrium and kinetics of Cu(II), Co(II) and Ni(II) ions sorption from aqueous solutions by native and modified cellulose samples. We treated the sorption isotherms under study according to Langmuir models and theory for volume filling of micropores. The Langmuir model is the most correct one for description of the process of heavy metal ions sorption by cellulose sorbents agents. According to the study, the maximum sorption capacity of the modified sorbents is 1.5-2 times higher than the maximum sorption capacity of the native cellulose. The samples obtained can be arranged in the following order of increasing ultimate sorption capacity (A∞): native cellulose < polyvinylpyrrolidone-modified pulp < citric acid-modified pulp. In addition, we studied the influence of media acidity on the sorption of heavy metal ions in pH 1-7. We observed a significant increase in the pH of the initial solution from 1 to 6; there is a rapid increase of the degree of extraction of Cu(II), Cu(II) and Ni(II) ions. Experimentally we obtained the IR spectra of native wood cellulose and its samples modified by polyvinylpyrrolidone and citric acid. Also the authors made an elemental analysis of all types of modified sorbents.

 древесная целлюлоза модификация ионы тяжелых металлов изотермы кинетика сорбции cellulose modification heavy metal ions isotherms sorption kinetics Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671). Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР. Тема № FZZW-2020-0010. The study was carried out using the resources of the Center for Shared Use of Scientific Equipment of the ISUCT (with the support of the Ministry of Science and Higher Education of Russia, grant No. 075-15-2021-671). This work was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project No. FZZW–2020–0010).

Zhou Q., Yang N., Li Y., Ren B., Ding X., Bian H., Yao X. Total concentrations and sources of heavy metal pollution in global river and lake water bodies from 1972 to 2017 // Glob. Ecol. Conserv. 2020. Vol. 22. P. e00925. DOI: 10.1016/j.gecco.2020.e00925. Zhou Q., Yang N., Li Y., Ren B., Ding X., Bian H., Yao X. Total concentrations and sources of heavy metal pollution in global river and lake water bodies from 1972 to 2017 // Glob. Ecol. Conserv. 2020. Vol. 22. P. e00925. DOI: 10.1016/j.gecco.2020.e00925. Naushad Mu., Lichtfouse E. (Eds.). Green Materials for Wastewater Treatment. Springer International Publishing, 2020. 366 p. Naushad Mu., Lichtfouse E. (Eds.). Green Materials for Wastewater Treatment. Springer International Publishing, 2020. 366 p. Huang Y., Chen Q., Deng M., Japenga J., Li T., Yang X., He Z. Heavy metal pollution and health risk assessment of agricultural soils in a typical peri-urban area in southeast China // Journal of Environmental Management. 2017. No. 207. Р. 159–168. DOI: 10.1016/j.gexplo.2019.106403. Huang Y., Chen Q., Deng M., Japenga J., Li T., Yang X., He Z. Heavy metal pollution and health risk assessment of agricultural soils in a typical peri-urban area in southeast China // Journal of Environmental Management. 2017. No. 207. R. 159–168. DOI: 10.1016/j.gexplo.2019.106403. Beni A.A., Esmaeili A. Biosorption, an efficient method for removing heavy metals from industrial effluents // Environmental Technology & Innovation. 2019. No. 17. Р. 100503. DOI: 10.1016/j.eti.2019.100503. Beni A.A., Esmaeili A. Biosorption, an efficient method for removing heavy metals from industrial effluents // Environmental Technology & Innovation. 2019. No. 17. R. 100503. DOI: 10.1016/j.eti.2019.100503. Sankaran R., Show P.L., Ooi C.W., Ling T.C., Shu-Jen C., Che S.Y., Chang Y.K. Feasibility assessment of removal of heavy metals and soluble microbial products from aqueous solutions using eggshell wastes // Clean Technol. Environ. Policy. 2020. V. 22. Р. 773-786. DOI: 10.1007/s10098-019-01792-z. Sankaran R., Show P.L., Ooi C.W., Ling T.C., Shu-Jen C., Che S.Y., Chang Y.K. Feasibility assessment of removal of heavy metals and soluble microbial products from aqueous solutions using eggshell wastes // Clean Technol. Environ. Policy. 2020. V. 22. R. 773-786. DOI: 10.1007/s10098-019-01792-z. Khan T.A., Chaudhry S.A., Ali I. Equilibrium uptake, isotherm and kinetic studies of Cd(II) adsorption onto iron oxide activated red mud from aqueous solution // Journal of Molecular Liquids. 2015. No. 202. Р. 165 175. DOI: 10.1016/j.molliq.2014.12.021. Khan T.A., Chaudhry S.A., Ali I. Equilibrium uptake, isotherm and kinetic studies of Cd(II) adsorption onto iron oxide activated red mud from aqueous solution // Journal of Molecular Liquids. 2015. No. 202. R. 165 175. DOI: 10.1016/j.molliq.2014.12.021. Crini G., Lichtfouse E. Advantages and disadvantages of techniques used for wastewater treatment // Environmental Chemistry Letters. 2019. V. 17. Р. 145-155. DOI: 10.1007/s10311-018-0785-9ï. Crini G., Lichtfouse E. Advantages and disadvantages of techniques used for wastewater treatment // Environmental Chemistry Letters. 2019. V. 17. R. 145-155. DOI: 10.1007/s10311-018-0785-9ï. Katheresan V., Kansedo J., Lau S.Y. Efficiency of various recent wastewater dye removal methods: A. Review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. Vol. 6, no. 4. Р. 4676–4697. DOI: 10.1016/j.jece.2018.06.060. Katheresan V., Kansedo J., Lau S.Y. Efficiency of various recent wastewater dye removal methods: A. Review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. Vol. 6, no. 4. R. 4676–4697. DOI: 10.1016/j.jece.2018.06.060. Shamsollahi Z., Partovinia A. Recent advances on pollutants removal by rice husk as a bio-based adsorbent: a critical review // Journal of Environmental Management. 2019. No. 246. Р. 314–323. DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.05.145. Shamsollahi Z., Partovinia A. Recent advances on pollutants removal by rice husk as a bio-based adsorbent: a critical review // Journal of Environmental Management. 2019. No. 246. R. 314–323. DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.05.145. 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 // Journal of Water Process Engineering. 2021. No. 42. Р. 102148. DOI: 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 // Journal of Water Process Engineering. 2021. No. 42. R. 102148. DOI: 10.1016/j.jwpe.2021.102148. Ezeonuegbu B.A., Machido D.A., Whong C.M.Z., Japhet W.S., Alexiou A., Elazab S.T., Qusty N., Yaro C.A., Batiha G.El-S. Agricultural waste of sugarcane bagasse as efficient adsorbent for lead and nickel removal from untreated wastewater: Biosorption, equilibrium isotherms, kinetics and desorption studies // Biotechnology Reports. 2021. Vol. 30. Р. e00614. DOI: 10.1016/j.btre.2021.e00614. Ezeonuegbu B.A., Machido D.A., Whong C.M.Z., Japhet W.S., Alexiou A., Elazab S.T., Qusty N., Yaro C.A., Batiha G.El-S. Agricultural waste of sugarcane bagasse as efficient adsorbent for lead and nickel removal from untreated wastewater: Biosorption, equilibrium isotherms, kinetics and desorption studies // Biotechnology Reports. 2021. Vol. 30. R. e00614. DOI: 10.1016/j.btre.2021.e00614. Никифорова Т.Е., Козлов В.А. Закономерности влияния природы полисахаридных материалов на распределение ионов тяжелых металлов в гетерофазной системе биосорбент - водный раствор // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52, № 3. С. 243-271. DOI: 10.7868/S0044185616030219. Nikiforova T.E., Kozlov V.A. Zakonomernosti vliyaniya prirody polisaharidnyh materialov na raspredelenie ionov tyazhelyh metallov v geterofaznoy sisteme biosorbent - vodnyy rastvor // Fizikohimiya poverhnosti i zaschita materialov. 2016. T. 52, № 3. S. 243-271. DOI: 10.7868/S0044185616030219. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Одинцова О.И. Закономерности распределения ионов меди (II) и никеля (II) в гетерофазной системе водный раствор – модифицированное льняное волокно // Российский химический журнал. 2015. Т. 59, № 4. С. 76–84. DOI: 10.6060/rcj. Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Odincova O.I. Zakonomernosti raspredeleniya ionov medi (II) i nikelya (II) v geterofaznoy sisteme vodnyy rastvor – modificirovannoe l'nyanoe volokno // Rossiyskiy himicheskiy zhurnal. 2015. T. 59, № 4. S. 76–84. DOI: 10.6060/rcj. Лосев Н.В., Никифорова Т.Е., Макарова Л.И., Липатова И.М. Влияние механической активации на структуру и сорбционную способность хитина // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2017. Т. 53, № 5. С. 480–485. DOI: 10.1134 Losev N.V., Nikiforova T.E., Makarova L.I., Lipatova I.M. Vliyanie mehanicheskoy aktivacii na strukturu i sorbcionnuyu sposobnost' hitina // Fizikohimiya poverhnosti i zaschita materialov. 2017. T. 53, № 5. S. 480–485. DOI: 10.1134 Меретин Р.Н., Никифорова Т.Е. Исследование реакционной способности поверхности углеродсодержащего силикатного сорбента растительного происхождения // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64, № 11. С. 117-125. DOI: 10.6060/ivkkt. Meretin R.N., Nikiforova T.E. Issledovanie reakcionnoy sposobnosti poverhnosti uglerodsoderzhaschego silikatnogo sorbenta rastitel'nogo proishozhdeniya // Izv. vuzov. Himiya i him. tehnologiya. 2021. T. 64, № 11. S. 117-125. DOI: 10.6060/ivkkt. 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. Петров И.Н. Органическая химия. М.: Наука, 1996. 650 с. Petrov I.N. Organicheskaya himiya. M.: Nauka, 1996. 650 s. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962. 712 с. Nikitin N.I. Himiya drevesiny i cellyulozy. M.-L.: Izd-vo AN SSSR, 1962. 712 s.