Использование адсорбционных свойств глауконита бондарского месторождения Тамбовской области в процессах водоподготовки

Изучена сорбционная способность глауконита Бондарского месторождения Тамбовской области по отношению к катионам Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ и анионам Cl^-, SO₄^2-, которая позволяет рекомендовать глауконит как безопасный сорбент для доочистки питьевой воды. Для катионов Fe²⁺ изучена кинетика адсорбции в стационарном режиме. Показано, что сорбция их глауконитом составляет 70–74 % за 30–40 мин.

Ключевые слова: Глауконит, сорбционная способность, ионы, кальций, магний, железо (II и III), хлорид- и сульфат-анионы, водоподготовка.

В настоящее время остро стоит вопрос о качестве водопроводной воды во всех регионах РФ. Необходимо изменение и модернизация процессов в схемах водоподготовки. В связи с этим нами изучена перспектива использования неорганического материала — глауконита — для целей водоочистки. Глауконит — природный алюмосиликат с общей формулой (К, H₂O)(Fe³⁺, Al, Fe^2+, Mg) 2 [Si₃AlO₁₀](OH)₂×nH₂O, широко встречающийся на региональных месторождениях, обладающий высокой сорбционной активностью, большой емкостью, селективностью, термической и радиационной устойчивостью, наряду с низкой стоимостью. Следует отметить, что ранее в работах [1–6] подробно изучена адсорбционная способность глауконитов по отношению к фенолу, анилину, тяжелым металлам, пестицидам, ПАВ, радионуклидам, хлорорганическим соединениям. Показано, что этот минерал эффективно использовать для очистки сточных вод и в процессах дезактивации воды. Однако, свойства глауконитов, близких по строению, химическому составу, одного геологического возраста на разных месторождениях неодинаковы, поэтому не всегда пригодны для очистки воды [7]. Следует отметить, что работ по применению глауконитов в процессах очистки, точнее доочистки, водопроводной воды, не проводилось. Поэтому, нами были исследованы образцы глауконита Бондарского месторождения Тамбовской области для локальной очистки питьевой водопроводной воды. Проведенные нами исследования структурно-морфологических особенностей, физико-химических, ионнообменных характеристик глауконита данного месторождения показывают возможность применения его в схемах водоподготовки. Основные физико-химические показатели глауконита Бондарского месторождения приведены в табл.1.

Таблица 1

Основные физико-химические показатели глауконита

В работе приведены результаты исследования сорбции глауконитом катионов Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ и анионов Cl^-, SO₄^2-. Установлено влияние сорбента на жесткость воды. Также, изучена кинетика адсорбции ионов Fe²⁺ на глауконите в стационарном режиме.

Для проведения исследований, водопроводную воду из центрального водоснабжения под давлением пропускали через ионообменник, заполненный глауконитом. Предварительно в водопроводной воде было определено содержание исследуемых ионов. Концентрацию общего железа оценивали фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой, катионов кальция и магния — прямым комплексометрическим титрованием трилоном Б с индикатором эриохромом черным Т, сульфат-анионов — турбидиметрическим методом, хлорид-ионов — титрованием азотнокислым серебром в присутствии хромовокислого калия в качестве индикатора. Все реактивы использовали квалификации ч. д.а. После ионообменника воду фильтровали и анализировали на содержание в ней катионов Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ианионов Cl^-, SO₄^2-.

Результаты снижения концентрации исследуемых катионов и анионов в процессе сорбции представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты сорбции ионов глауконитом по данным химического анализа

Согласно полученным данным, глауконит Бондарского месторождения эффективно сорбирует ионы Ca²⁺, Mg²⁺,Cl^-, SO₄^2-, в меньшей степени катионы железа. А также, снижение жесткости, за счет сорбционной способности минерала, составило 79 %. Однако, как показал анализ имеющихся литературных данных, полученные результаты не следует распространять на другие ионы. Так, по Zn²⁺ сорбционная способность минерала практически равна нулю [1]. Вероятно, хорошее водоумягчающее действие Бондарского глауконита основывается на его способности поглощать из воды ионы кальция и магния, выделяя взамен, содержащиеся в нем ионы натрия. По мнению [6] этот процесс обратим: поглощенные ионы Ca²⁺и Mg²⁺легко переходят в раствор хлористого натрия, а их место занимает обменный натрий. Невысокую сорбируемость ионов двух- и трехвалентного железа (см. табл.2), можно объяснить наличием на боковых гранях этого слоистого силиката координационно ненасыщенных ионов Fe³⁺ и вероятно, возможностью катионов железа покидать кристаллическую структуру ионита. Поскольку изучение кинетики адсорбции только ионов Fe²⁺ показало, что поглощение этих катионов Бондарским глауконитом составляет 70–74 % и достигается за 30–40 минут. Исследование адсорбции ионов Fe²⁺ проводилось методом измерения кинетических кривых в стационарных условиях. Для этого навеску адсорбента массой 2 г выдерживали в дистиллированной воде (250 мл) 24 часа. После декантирования адсорбент во влажном состоянии заливали свежеприготовленным раствором FeSO₄·7H₂O с содержанием катионов Fe²⁺ 21±1 мг/л (в соотношении 2г сорбента и 100 мл раствора). Сорбцию катионов проводили в течение 40 минут (t) при непрерывном перемешивании магнитной мешалкой. Через определенные временные интервалы отбирались пробы и проводился их анализ рентгенофлюоресцентным способом по методу калибровочной кривой. На основании полученных данных проводился расчет равновесной концентрации ионов Fe²⁺(С_р) и их адсорбции (Г).

В таблице 3 и на рис.1 представлены результаты сорбции ионов Fe²⁺ глауконитом Бондарского месторождения.

Таблица 3

Результаты адсорбции глауконитом ионов Fe²⁺ во времени

Рис. 1. Зависимость адсорбции ионов Fe²⁺ Бондарским глауконитом от времени. Использованы средние арифметические значения из трех измерений

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что сорбционное равновесие достигается за 30–40 мин. Концентрация сорбированных катионов Fe²⁺ глауконитом в условиях равновесия составляет 15,54 мг/л или порядка 74 масс. % исходной величины.

Анализируя экспериментальные данные, можно сделать следующие выводы:

1)     глауконит Бондарского района Тамбовской области обладает высокой сорбционной способностью по отношению к ионам Ca²⁺, Mg²⁺,Cl^-, SO₄^2-, что обуславливает возможность его использования, как природного умягчителя воды, в процессах водоподготовки;

2)     адсорбция ионов Fe²⁺ глауконитом составляет 70–74 %, в то время как сорбируемость совместно ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ из водопроводной воды — всего 33 %, что вероятно, связано, при определенных условиях, с выходом ионов трехвалентного железа из кристаллической решетки ионита.

В настоящее время, глауконит, в связи с уникальными сорбционными свойствами по отношению к ионам, обуславливающих жесткость водопроводной воды, используется в качестве ионита в ионообменниках на экспериментальной установке по водоподготовке на базе НПО «ИОНИТ». Как показал анализ образцов воды централизованной системы питьевого водоснабжения, прошедшей через такую экспериментальную установку, ее свойства после водоподготовки значительно улучшаются; по физическим, химическим и санитарно-бактериологическим показателям, утвержденным СанПином 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», испытательные образцы относятся к питьевой воде первой категории качества.

Литература:

1.                  Вигдорович В. И., Цыганкова Д. В., Николенко Д. В. и др. Адсорбционная способность глауконита Бондарского района Тамбовской области. // Сорбционные и хроматографические процессы. — Воронеж: Воронежский государственный университет. 2010. Т.10. Вып.1. С. 121–126.

2.                  Крупнова Т. Г., Зиганшина К. Р., Антонова Е. Л. Применение глауконита для очистки воды от радиоактивных загрязнений, ионов иттрия и редкоземельных элементов. // Успехи современного естествознания. Материалы конференций. — М.: Академия естествознания. 2004. № 10. С. 78–79.

3.                  Сухарев Ю. И., Кувыкина Е. А. Структурно-морфологические особенности глауконита Багрянского месторождения. // Известия Челябинского научного центра УРО РАН, раздел «Химия и химическая технология». 2000. № 3. С. 77–81.

4.                  Кацнельсон Ю. Я., Алексоньян О. М. Глауконитсодержащие микроконрекции как поглотители радионуклидов. // Минералогия и геохимия глауконита. — Новосибирск. 1981. С. 80–81.

5.                  Сухарев Ю. И., Черногорова А. Е., Кувыкина Е. А. Особенности структуры и сорбционно-обменные свойства глауконита Багрянского месторождения. // Известия Челябинского научного центра УРО РАН. 1999. № 3. С. 64–69.

6.                  Григорьева Е. А. Сорбционные свойства глауконита Каринского месторождения. Дисс. … канд. хим. наук. — Челябинск, 2004. 144 с.

7.                  Николаева И. В. Минералы группы глауконита и эволюция их химического состава. В кн.: Проблемы общей и региональной геологии. — Новосибирск: 1971. С. 320–336.