Исследование условий взаимодействия полистирол-азо-о-фенол-азо-роданина с ионами цинка и кадмия

Повышенные концентрации ионов кадмия и цинка негативно влияют на окружающую среду. Накопление ионов цинка вызывает злокачественные новообразования, кроме этого сульфид цинка обладает мутагенным действием и может вызвать изменения наследственности. Ионы кадмия, накапливаясь в организмах, вызывают тератогенные действия, то есть способны вызвать уродство у рождающихся детей.

В настоящее время наибольшее поступление тяжелых металлов осуществляется со сточными водами. В связи с этим контроль содержания ионов кадмия и цинка в сточных водах является актуальной задачей экологии.

Несмотря на достаточное число методов анализа, обеспечивающих низкий предел обнаружения, прямое определение в водах (морских, речных) возможно лишь для ограниченного количества элементов [1]. Для повышения чувствительности определения микроколичеств элементов методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометриии (ААС) требуется концентрирование из больших объемов воды. Применяемые методы концентрирования должны быть экспрессными, избирательными и простыми. Этим требованиям отвечают сорбционные методы [2−5], особенно с применением хелатообразующих сорбентов [6−9]. Характерным отличием хелатообразующих сорбентов является наличие в полимерной матрице химически активных групп. Азосоединения на основе роданина и ароматических аминов, содержащих солеобразующие группы (-ОН, -S0₃H, -СООН) представляют интерес для определения тяжелых металлов [10−12].

Использование полимерных хелатообразующих сорбентов (ПХС) позволяет осуществить индивидуальное или групповое выделение микроэлементов из больших объемов растворов сложного состава, снизить предел обнаружения, устранить или значительно снизить предел обнаружения влияние макрокомпонетов, что повышает надежность и точность анализа.

В связи с этим, целью данной работы является изучение оптимальных условий взаимодействия ионов цинка и кадмия с полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином (ПАФАР).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• · Изучение оптимальных условий взаимодействия ПАФАР с ионами цинка и кадмия;
• · Изучение влияния матричных элементов вод на сорбцию ионов изучаемых элементов.

Экспериментальные данные получали по методикам, описанным в работах [13−15].

Количественная сорбция ионов цинка (II) исследуемым сорбентом протекает в интервале значений рН 8,0−10,0; кадмия (II) 5,0−10,0. Перекрывающиеся интервалы оптимальных значений рН цинка (II) и кадмия (II) (рисунок 1) указывают на возможность их группового концентрирования исследуемым сорбентом.

Рисунок 1 Зависимость степени извлечения ионов цинка и кадмия полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином от рН Исследование кинетики сорбции металлов показывает, что для изучаемого сорбента характерна сравнительно высокая скорость сорбции рассматриваемых ионов элементов. Для достижения максимальной степени сорбции исследуемых ионов металлов время сорбции (при оптимальном значении рН) составляет 30−40 мин. Графические зависимости степени сорбции ионов металлов от времени контакта фаз представлены на рисунке 2.

кадмий цинк сточный очистка Рисунок 2 Зависимость степени извлечения ионов цинка и кадмия полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином от времени контакта фаз.

Сорбционная емкость сорбента обусловливается концентрацией его ФАГ в единице массы полимерной матрицы. Она пропорциональна количеству ФАГ в фазе полимера, однако прямолинейная зависимость не всегда соблюдается, что подтверждается экспериментальными данными.

Данные по анализу кривых насыщения (рисунок 3) дают основание предполагать, что в точке насыщения их проекции на ось ординат указывают на величину сорбционной емкости сорбента по отношению к изучаемому элементу СЕС_Ме (мг/г).

Рисунок 3 Кривая насыщения полистирол-азо-о-фенол-азо-роданина ионами цинка и кадмия (m=0,1 г.; V=25 мл) Как показывают экспериментальные данные, емкость сорбента по ионам кадмия и цинка составила 0,1 ммоль/г и 0,06 ммоль/г, соответственно.

Исходя из формы начального участка изотерма сорбции ионов цинка (II) полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином (рисунок 4) относится к классу L. Параллельная ориентация молекул растворенного вещества приводит к изотермам L-типа. Исходя из формы начального участка изотерма сорбции ионов кадмия (II) полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином (рисунок 4) относится к классу Н. Изотермы класса Н наблюдаются при чрезвычайно сильной адсорбции при очень низких концентрациях ив тех случаях, когда сопровождается образованием химических соединений.

Рисунок 4 Изотерма сорбции ионов цинка (а) и кадмия (б) полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином Для объяснения экспериментальных данных были применены следующие уравнения изотерм, которые в линейной форме могут быть представлены следующим образом:

— уравнение Лэнгмюра.

• — уравнение Фрейндлиха
• — уравнение Темкина

где b — константа уравнения Лэнгмюра,.

n, K — константы уравнения Фрейндлиха, А и f — константы уравнения Темкина.

Как показали результаты исследований, процесс сорбции ионов цинка (II) описывается всеми вышеперечисленными уравнениями изотерм, но наибольшей точностью описывается уравнением Фрейндлиха. Для описания процесса сорбции ионов кадмия (II) уравнение Темкина не подходит. Уравнения изотерм Ленгмюра и Фрейндлиха удовлетворительно описывают данный процесс.

Для расчета констант уравнений построены графические зависимости Ср/а — Ср, lgC_p — lga и a — lgC_p(рисунки 5, 6 и 7).

Рисунок 5 Графическая зависимость Ср/а — Ср для ионов цинка (а) и кадмия (б) Рисунок 6 Графическая зависимость lgCp — lga для ионов цинка (а) и кадмия (б) Рисунок 7 Графическая зависимость lgCp — a для ионов цинка (а) и кадмия (б) Константы уравнений и коэффициенты детерминированности приведены в таблице 1, из которой видно, что для описания адсорбции ионов цинка предпочтительна изотерма Фрейндлиха, а для ионов кадмия — изотерма Лэнгмюра.

Таблица 1.

Константы уравнений Лэнгмюра, Фрейндлиха и Темкина.

Экспериментально установлено, что количественная десорбция ионов цинка (II) и кадмия (II) достигается промыванием концентрата 10 мл 2 М раствором соляной кислоты. Возможность количественной десорбции ионов позволяет быстро извлекать сорбированные ионы раствором минеральной кислоты, а в случае ПХС многократно использовать его после регенерации, так как 2 М раствор соляной кислоты не разрушает изучаемый сорбент.

Избирательность хелатообразующих сорбентов к отдельным ионам металлов обусловлена свойствами функциональных групп и проявляется в определенных условиях. Существенно повысить избирательность сорбентов можно, в частности, введением в раствор маскирующих реагентов.

Полученные результаты избирательности действия исследуемого сорбента по отношению к Zn (II) и Cd (II) в присутствии макрои микрокомпонентов вод приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Допустимые кратные массовые количества мешающих ионов при сорбции Zn (II) иCd (II) полистирол-азо-о-фенол-азо-роданином.

Выводы

• 1. Установленные оптимальные значения условий сорбции (сорбция ионов цинка протекает в интервале значенийрН 8,0 — 10,0, сорбция ионов кадмия — 5,0−10,0; время контакта фаз 30−40 мин) свидетельствуют о перспективности использования изучаемого сорбента для концентрирования и выделения.
• 2. На основании полученных данных по изотермам сорбции видно, что для описания адсорбции ионов цинка предпочтительна изотерма Фрейндлиха, а для ионов кадмия — изотерма Лэнгмюра.
• 3. Изучение мешающего влияния макрои микрокомпонентов вод на сорбцию исследуемых ионов указывает на перспективность применения полистирол-азо-о-фенол-азо-роданина для извлечения ионов цинка и кадмия из реальных объектов.

Работа выполнена в рамках программы «УМНИК».

• 1. Райтман Л. И., Павлович Ю. А., Брайнина Х. З. Определение различных форм соединений металлов в природных водах // Журн. аналит. химии. 1981. Т. 36. № 5. С. 1008−1018
• 2. С. И. Ойболатова, С. Д. Татаева, А. Ш. Рамазанов Исследование взаимодействия люмомагнезона с ионами цинка и кадмия в гетерогенной среде // Вестник Дагестанского государственного университета. 2014. Вып. 1. С. 189−194.
• 3. Золотов Ю. А. Концетрирование при определении микроэлементов // Успехи химии. 1980. Т. 49. № 7. С. 1289−1311
• 4. Басаргин Н. Н., Розовский Ю. Г., Жарова В. М. и др. Органические реагенты и хелатные сорбенты в анализе минеральных объектов. -М.: Наука, 1980. 190 с.
• 5. Мясоедова Г. В., Щербинина Н. И., Саввин С. Б. Сорбционные методы концентрирования микроэлементов и их определеие в природных водах // Журн. аналит. химии. 1983. Т. 38. № 8. С. 1503−1514
• 6. Мясоедова Г. В., Саввин С. Б. Хелатообразующие сорбенты. -М.: Наука, 1984. 171 с.
• 7. Р. З. Зейналов, С. Д. Татаева, Н. И. Атаева Концентрирование и определение меди, цинка и кадмия хелатообразующим модифицированным сорбентом // Аналитика и контроль. 2013. Т. 17. № 1. С. 89−96.
• 8. Предварительное концентрирование кадмия и цинка на хелатообразующем сорбенте и их определение пламенным атомно-абсорбционным методом / Р. А. Алиева, С. З. Гамидов, Ф. М. Чырагов, А. А. Азизов // Журнал аналитической химии. 2005. Т. 60. № 12. С. 1251−1254.
• 9. Сорбция цинка полимерными хелатообразующими сорбентами и ее применение в анализе природных вод / Н. Н. Басаргин, Э. Р. Оскотская, А. В. Чеброва, Ю. Г. Розовский // Журнал аналитической химии. 2008. Т. 63. № 3. С. 231−236.
• 10. Р. Ф. Прописцова, С. Б. Саввин. Синтез и свойства азосоединений на основе роданина и тиороданина. // Журн. анал. химии. 1973. Т. 28. № 2. С. 2277−2283.
• 11. Р. Ф. Гурьева, С. Б. Саввин. Сорбционно — фотометрическое определение благородных и тяжелых металлов с иммобилизованными азороданинами и сульфонитрофенолом М. // Журн. анал. химии. 1997. Т. 52. № 3. С. 247−252.
• 12. Р. Ф. Гурьева, Л. М. Трутнева, С. Б. Саввин. Новые реагенты на основе 3 — замещенных роданина и тиопропиороданина. // Журн. анал. химии. 1978. Т. 33. № 4. С. 632−641.
• 13. Салдадзе К. М., Копылова-Валова В. Д. Комплексообразующие иониты (комплекситы). -М.: Химия. 1980. 336 с.
• 14. Толмачев В. Н., Колесников Б. Н., Бобок Е.Б.// Высокомолекулярные соединения. 1965. Т.7. № 5. С.1941;1945.
• 15. Дорофеев Д. Н. Концентрирование свинца и марганца полимерными хелатными сорбентами и их определение в объектах окружающей среды. Дис… канд. хим. наук. М.: Курский гос. педагог. ун-т, 1999. 170 с.