Приймаються статті для публікації в № 1 (29)
Міжнародного науково-практичного журналу "Товари і ринки" з технічних наук 

Статті

СОРБЦІЯ ЙОНІВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ТЕХНІЧНИМИ ЛІГНІНАМИ

Автор: sveta on . Posted in 2016-1

УДК 544.723.2
 
ЧИКУН Надія,
ст. викладач Київського національного торговельно-економічного університету
 
СЕВАСТЬЯНОВА Олена,
доктор філософії, старший науковий співробітник Королівського технологічного інституту (Стокгольм, Швеція)
 
ПАСАЛЬСЬКИЙ Богдан,
к. х. н., доцент Київського національного торговельно-економічного університету
 

СОРБЦІЯ ЙОНІВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ТЕХНІЧНИМИ ЛІГНІНАМИ 

Постановка проблеми. У деяких галузях виробництва, наприклад, гальванічне одержання металів, видобуток корисних копалин, шкіряне виробництво тощо, відходи забруднюють водойми металами, що є серйозною екологічною проблемою. Важкі метали не піддаються біологічному розкладанню й накопичуються в живих організмах. Саме тому вкрай необхідні економічно ефективні сорбенти для очищення водойм від таких відходів.
Натуральні матеріали, які доступні у великих кількостях і практично не потребують попередньої обробки, а також певні побічні продукти промислових або сільськогосподарських виробництв, можуть використовуватися як недорогі сорбенти. Такими можуть бути кора дерев, хітин, водорості, рисове лушпиння, цеоліт, глина, торф, мох, кістковий желатин, сухе листя, лігнін тощо.
Гідролізний лігнін – побічний продукт кислотного гідролізу деревини та відходів сільського господарства при одержанні сахаридів і їх похідних (ксиліту і фурфуролу) та етанолу. Він характеризується щільнішою структурою, має меншу кількість карбонільних і гідроксильних груп порівняно з технічними лігнінами. Останні отримують у вигляді відходів побічних продуктів при обробці дерева й інших видів біомаси з метою одержання целюлози або інших продуктів. Провідним промисловим процесом отримання целюлози є крафт-процес, у результаті якого виділяють крафт-лігнін. Одним із перспективних методів одержання чистого лігніну з менш зміненою природною структурою та нижчою молекулярною масою є метод, у якому використовується етанол як розчинник лігніну. У світі виробляють понад 50 млн т лігніну на рік. Ось чому росте інтерес до технологій його можливого використання, наприклад, як до сорбентів для очищення промислових стоків, що є перспективним напрямом дослідження.
Мета роботи – дослідити сорбційні властивості лігнінів залежно від їх способу одержання і складу до йонів важких металів (Fe3+, Cu2+).
Матеріали та методи. Дослідження проведено з чотирма типами лігнінів:
OS – лігнін, одержаний із дерев хвойних порід із використанням технології, в основі якої – екстракція водним етанолом, в присутності сульфатної кислоти як каталізатора;
KS-лігнін – із дерев хвойних порід за унікальною технологією LignoBoost (Innventia AB, Stockholm, Sweden);
AldS-лігнін– із дерев хвойних порід, наданий Sigma-Aldrich (Швеція);
ентегнін – ентеросорбент, основою якого є гідролізний лігнін (75 %) з добавкою картопляного крохмалю та кальцію стеарату.
Дослідження сорбції йонів Fe3+, Cu2+ проведено з розчинів солей методами спектрофотометрії та йодометрії відповідно. Елементний аналіз (С, Н, N і S) досліджено на хроматографічному аналізаторі Flash EA 1112. Cередньочислові та середньовагові молекулярні маси (Mw, Mn), індекс полідисперсності (PDi) технічних лігнінів визначено гель-проникаючою хроматографією. Кількість функціональних груп (гідроксильних і карбоксильних) у лігніні – методом ЯМР 31Р.
Результати дослідження. Встановлено, що вміст лігніну в зразках OS і KS різниться на 5.8 %, хоча це відбувається не за рахунок лігніну, розчинного в кислоті. KS містить менше золи, проте більше сахаридів. Індекс полідисперсності для OS і KS вище 1.1, що свідчить про полідисперсність лігнінів. Більша дисперсність характерна для KS. Результати ЯМР 31Р показали, що вміст аліфатичних гідроксильних груп (OHаліф.) переважає в крафт-лігнінах, особливо в AldS у 1.4–3.2 раза. Разом з тим сумарна кількість фенольних гідроксильних груп (OHфен.) також більша в крафт-лігнінах, особливо для KS. OS містить меншу кількість карбоксильних груп (COOH).
Результати дослідження сорбції йонів Fe3+, Cu2+ із модельних розчинів їх солей лігнінами свідчать, що всі типи досліджуваних лігнінів проявляють здатність до сорбції. Краще сорбуються із розчинів йони Fe3+. При однаковій концентрації розчинів сорбція йонів Fe3+ приблизно в п’ять разів більша, ніж йонів Cu2+. Найбільшу ефективність серед сорбентів проявляє AldS, який має підвищений вміст ОНаліф.. OS і ентегнін (ентеросорбент) мають значно меншу сорбційну здатність, майже в 1.5–2 рази. ОS характеризується нижчим вмістом гідроксильних груп (аліфатичних і фенольних), що, ймовірно, пояснює його невисоку сорбційну здатність. Ентегнін – через його процес виділення – має структуру, конденсовану з меншою кількістю функціональних груп, ніж крафт-лігнін.
Сорбційну здатність технічних лігнінів і гідролізного лігніну (ентенгін) можна пояснити їх просторовою структурою, яка формується сумішшю тривимірних сітчастих полімерів і полідисперсністю. Підвищена сорбційна здатність йонів Fe3+, Cu2+ дляAldSобумовлена великою кількістю OHаліф. Збільшена кількість сахаридів, яка підвищує полярність, теж приводить до зростання сорбції для KS.
Висновки. Результати дослідження показують, що крафт-лігніни (KS,AldS),які містять більшу кількість полярних груп (ОНаліф., ОНфен. і карбоксильних груп), мають вищу сорбційну здатність, ніж OS і гідролізний лігнін. Це свідчить про те, що сорбція важких металів обумовлена не тільки просторовою структурою лігнінів (які є тривимірними, зшитими, ароматичними вуглеводними полімерами), а й наявністю різних полярних функціональних груп у технічних лігнінах. Вищий вміст аліфатичних гідроксильних груп у структурі лігніну відіграє вагому роль у процесі сорбції.
Оскільки лігнінові сорбенти є природними продуктами, їх можна легко утилізувати після використання та спалювання, як зольні залишки.
 
Ключові слова: сорбція, лігніни, гідролізний лігнін, крафт-лігнін, екстрагірований лігнін, йони металів.


 ПОВНИЙ ТЕКСТ (PDF)