Өсімдік негізіндегі көміртекті сорбенттерді ағызынды суларды ауыр металдардан тазарту үшін пайдалану

Қорғасын сүйекті кумуляциялауға жоғары қабілетті, эритропоэздің бұзылуын тудырады, жүйке жүйесін, бүйректі зақымдайды, сонымен қатар бастапқы атеросклерозға алып келуге қабілетті. Ауызсудағы қорғасынның 0,1 мг/л концентрациясының өзі ағзада 50% жұтылады және оның қандағы құрамы 0,025 мг/л жетеді.

Микросатурнизм – қорғасынның аз дозасымен улану (0,6-0,7 мг/тәулігіне; қалыпты жағдайда 0,3 мг аспайды). Бейорганикалық қосылыс Pb2+ зат алмасуды бұзады және ферменттердің ингибиторларына қатысады. Көп мөлшерде қаңқаның деформациясына алып келеді.

Мыс. Мыс және оның қосылыстары қоршаған ортада кең таралған, сондықтан оларды табиғи сулардан жиі кездестіруге болады. Табиғи сулардағы мыстың концентрациясы ондық үлесі мг/л құрайды, ауызсуда құбыр және арматура материалдарынан жуып тазалау арқылы жоғарлауы мүмкін. Судағы мыстың қасиеті судың рН мәніне, ондағы карбонаттар, хлоридтер және сульфаттар концентрациясына байланысты.

Мыс адам ағзасында эритроциттердің түзілуіне, ұлпалы темірдің босап шығуына, қаңқаның орталық жүйке жүйесінің және дәнекер ұлпалардың дамуына қатысады. Ауыз сумен түсетін мыстың зиянды қосылысы созылмалы токсикалық әсер етеді. Жүректі айнытады. Суда мыстың аз мөлшерінің болуы оған жағымсыз дәм береді.

Кадмий. Кадмий – жоғары токсикалық элемент. Табиғи суларда қағида бойынша биологиялық эффект тудырмайтын жоғары емес концентрацияда кездеседі. Қалыпты геохимиялық жағдайда табиғи сулардың құрамындағы кадмий 0,05-1 мкг/л аспайды, бірақ кадмийлі геохимиялық аймақтарда 10 мкг/л жетеді. Суқоймалардағы суда кадмийдің жоғарырақ концентрациясының көзі (1л-ге бірнеше ондаған микрограмм) тазартылмаған өндірістік кәсіпорынның тазартылмаған ағындары болып табылады. Уытты, жүйке жүйесіне, асқазан мен ішектерге зиянды әсері бар.

Сумен ағзаға түсетін кадмийдің төмен дозаларының улылығы (1л-ге ондаған микрограмм) бүйректің ауыр зақымдалуына және сонымен байланысты гипертоникалық аурудың тууына алып келуінен көрінеді. К.Рейли (1985) кадмийді азықтық өнімдердің ең қауіпті ластағыштарының бірі деп санайды.

1946 жылы Жапонияда ағзада кадмийдің  жоғарлауынан пайда болған Итай-Итай  ауруы тіркелген. Ол бүйректің  зақымдануына, жиі сүйектің сынуына, бұлшықет пен сүйектің сырқырауына, омыртқаның деформациясына алып келеді.

           

 

II ЭКСПЕРИМЕНТТІК БӨЛІМ

 

2.1 Карбониздеу әдістемесі

 

Карбониздеу процесі изотермиялық жағдайда жүргізіледі. Алдын-ала ұсақталынған үлгілерді термоөңдеу реакторда инертті ортада 400-850ºС температура аралығында аргонды жіберу жылдамдығы 80см3/мин болғанда 30 мин бойы жүргізіледі. Тәжірибе үшін шикізат ретінде күріш қауызы қолданылды. Карбониздеу қондырғысы келесі 1-суретте келтірілген [33].

 

 

1- сурет – Карбониздеу қондырғысы

 

 

2.2 Алынған үлгідегі көміртек мөлшерін анықтау әдісі

 

Синтезделіп алынған үлгінің көміртек мөлшерін анықтау карбонизделген үлгіні қоспадан тазартылған оттек ағынында жағуға негізделген. Жағу үшін реттегіші бар горизантальды трубалы пеш қолданылады. Жағу кезінде түзілген оттек ағынымен ерітіндісіне келіп түседі. Бұл кезде реакция келесі түрде жүреді:

Барий карбонатын алдымен филтрлейді, осыдан кейін кептіріліп өлшенеді. Көміртектің пайыздық мөлшері үлгіні бастапқы және жаққаннан кейінгі массаларын өлшеп, олардың айырмасы мына формула бойынша есептеледі:

мұндағы, - үлгідегі көміртектің пайыздық үлесі, %;

- көміртектің салыстырмалы атомдық  массасы, г/моль;

- барий карбонатының реакциясы  нәтижесінде түзілген массасы, г;

- үлгі массасы, г;

- барий карбонатының салыстырмалы  молекулалық массасы, г/моль.

 

2.3 Карбониздеу процесіндегі үлгі массасының өзгерісін анықтау

 

Үлгі массасының өзгеруі мына формуламен анықталады:

Мұндағы, - үлгі массасы, г;

- бастапқы үлгі массасы, г;

- соңғы үлгі массасы, г.

 

4. Элементтік анализдеу әдісі

 

Карбонизделген сорбенттер құрамын химиялық құрамдарын элементтік анализ әдісі бойынша дифракциондық спектрограф DIC-13, ССРО (1979) қондырғысында зерттелді.

 

2.5 Көміртектенген үлгінің  меншікті беттік ауданын газохроматографиялық әдіспен анықтау

 

Қатты денелердің меншікті беттік ауданын газохроматографиялық анализдеу әдістерінің ішіндегі статистикалық дәлдікке ең жуығы: Нельсон мен Эгерстон ұсынған инертті газдың жылулық десорбция әдісі болып табылады.

Үлгіні сұйық азот температурасына  дейін салқындатқан кезде газ тасымалдағыш гелий мен аргон газының қоспасынан үлгі аргонның белгілі бір мөлшерін сіңіреді. Салқындату барысында қоспадағы аргонның концентрациясы азаяды. Аргон детектордың өлшегіш ұяшығынан өткендіктен ол потенциометрге тіркеліп, адсорбциялық шың түрінде диаграмма түрінде жазылады. Адсорбциялық тепе-теңдік орнағаннан кейін үлгіні бөлме температурасына дейін қыздырады. Десорбция нәтижесінде аргон концентрациясы өседі де, бұл концентрация өзгерісі адсорбциялық шыңға қарсы жаққа қарай бағытталған десорбциялық шың ретінде диаграмма түрінде жазылады. Жазылған шыңның ауданы адсорбцияланған десорбцияланған адсорбат мөлшеріне пропорционалды. Үлгінің меншікті беттік ауданы калибрлеу графигінің көмегімен десорбцияланған аргон шыңының ауданы арқылы есептелінеді. Мұнда сорбент салмағына (г) шың ауданының (м2) қатынасы меншікті беттік аудан (м2/г) болып табылады.

Адсорбат аргонмен қоспасындағы тасымалдағыш газ гелийдің жылдамдығы 48-50 мл/мин, қоспадағы аргон концентрациясы 3-6% құрайды. Үлгінің массасы 0,04-0,14 г, орташа нәтиже қателігі 4-6% болады.

 

2.6 ИҚ-спектроскопия әдісі

 

Синтезделген үлгілердің ИҚ-спектрлері ИҚ-Фурье спектрометрінде түсірілді. ИҚ-спектроскопия көмегімен затпен инфрақызыл аймақта сәулелі энергияның жұтылуын зерттеуге негізделген. Инфрақызыл сәулелердің затпен жұтылуы электронды жағдайдағы ауытқу деңгейлері ауысуын тудырады. Инфрақызыл спектрлері функциональдық топтарды анықтауда қолданылады.

 

7. Электрондық-микроскопия әдісі

 

Сорбент үлгілерін электронды микроскопиялық зерттеу жылдамдатылған кернеуі 75кВ болатын ЭМ-125К қондырғысында жүргізіледі. Электронды микроскопия түсіру үшін төсеніш-пленкалар дайындалды. Үлгі ұнтағын төсеніш-пленкаға екі түрлі әдіспен салады: 1) суспензия әдісі; 2) құрғақ салу әдісі. Дайындалған препаратты қондырғыда орнатылып электрондық микроскопиялық суреті түсірілді.

 

 

 

 

 

III НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ  ТАЛҚЫЛАУ

 

Ауыл шаруашылығының қалдықтары мен өсімдік негізіндегі сорбенттер арзан, кеуектілігі жоғары, беттік ауданы үлкен, құрамында минералды қоспалар аз кездеседі, сондықтан олар өте қолайлы болып келеді. Олардың өндірісі экологиялық таза болып табылады [34]. Өндіріс талаптарына  сай келетін сорбенттерге деген қажетілік сорбенттерді алудың жаңа әдістерін алуға мүмкіндік туғызады. Ауыл шаруашылығындағы өсімдіктер мен олардың қалдықтары негізіндегі көміртектенген сорбенттер жоғары кеуектілігімен, беріктілігімен, арзандылығымен және бірнеше рет қолдану мүмкіндігімен  ерекшеленетін табиғи сорбент болып табылады.

Жану проблемаларының институтындағы ауыл шаруашылықтарының қалдықтары негізіндегі жаңа көміртекті сорбенттерді алу барысындағы зерттеулер көмірлі компазицияларды зерттеулердегі жұмыстарды жетілдіріп эффективті көміртекті сорбенттерді алу нәтижесінде көптеген жұмыстар жасалған [35]. Жүзім, өрік дәнектері, күріш қауызы мен ұсағы, грек жаңғағының қабықтары, қамыс, аққайың және т.б. негізіндегі карбонизделген (көміртектенген) сорбенттер синтезделіп алынған.

Жұмыста күріш қауызы (КҚ) негізінде карбонизделген сорбенттер алынды. Карбониздеу процесі аргон ағынында 5 минуттан 60 минутқа дейінгі уақыт  аралығында 400-850˚С температурада жүргізілді. Термоөңдеуден кейін реактор құрғақ аргон ағынында  бөлме температурасына дейін салқындатылды.

Алынған үлгілердің меншікті беттік ауданы жылулық десорбция әдісімен анықталды. Үлгі алу жағдайлары мен олардың қасиеттері зерттелді.

Өсімдік негізіндегі карбонизделген сорбенттерді алу кезінде олар өздерінің салмақтарын 50-60% жоғалтатындығы белгілі болды. Карбониздеу температурасын жоғарылатқан сайын олардың бастапқы массалары мен соңғы массаларының арасындағы айырым жоғарылайды. Күріш қауызы массасының жоғалуының пайыздық мөлшері 1-кестеде берілген.

 

1-кесте. КҚ негізіндегі карбонизделген  үлгілер массасының жоғалуының  пайыздық мөлшері

 

Үлгі	КҚ Δm, %
КҚ-400˚С	45,3
КҚ-450˚С	45,5
КҚ-500˚С	53,8
КҚ-550˚С	54,1
КҚ-600˚С	54,7
КҚ-650˚С	55,0
КҚ-700˚С	57,2
КҚ-750˚С	57,8
КҚ-800˚С	59,7
КҚ-850˚С	60,2

Карбониздеу нәтижесінде КҚ-ның массасының кемуі үлгілер құрамынан жеңіл ұшқыш органикалық қосылыстардың бөлінуімен және ауыр шайырлы массасының түзілуімен түсіндіріледі.

Элементті анализ нәтижесінен үлгілерді алуда карбониздеу температурасын көтерген сайын көміртек құрамының артатынын, ал сутегі мен оттегі мөлшерінің азайатынын көруге болады. Элементті анализ нәтижелері 2-кестеде келтірілген.

 

2-кесте. КҚ негізіндегі карбонизделген  сорбенттердің элементтік құрамы

 

Сорбент	С, % масс.	Н, % масс.	N, % масс.	O2, % масс.	Қалдық, % масс.
Баст. КҚ	67,98	6,40	0,90	2,87	21,85
КҚ-400˚С	78,84	6,03	1,41	2,72	11,0
КҚ-450˚С	79,92	5,99	1,35	2,60	10,14
КҚ-500˚С	80,62	5,86	1,11	2,53	9,88
КҚ-550˚С	80,94	5,67	1,26	2,48	9,65
КҚ-600˚С	81,53	4,41	2,48	2,46	9,12
КҚ-650˚С	81,99	4,35	2,67	2,33	8,66
КҚ-700˚С	82,08	4,23	2,37	1,09	9,23
КҚ-750˚С	83,45	4,18	2,25	1,52	8,60
КҚ-800˚С	89,03	3,07	2,14	1,05	4,71

 

Әртүрлі температурада карбонизделген үлгілер сыртқы көрінісімен ерекшеленеді. Төменгі температурада (400˚С) карбонизделген үлгі жоғары температурада (800˚С) карбонизделген үлгілерден түстері ерекше болады. Бұл нәтижелерге қарап 550˚С температурада карбониздеу толық жүрмейтініне көз жеткіздік.

Үлгілерді әртүрлі температурада карбониздеу кезіндегі көміртектің пайыздық мөлшері 2.2-бөлімде жазылған әдістеме бойынша анықталды және де сәйкесінше әртүрлі болып келеді. Келесі 2-суретте көміртектің пайыздық мөлшерінің карбониздеу температурасына тәуелділігі көрсетілген.

2-суреттен карбониздеу температурасы  өскен сайын көміртектің мөлшерінің  өсетіндігін көруге болады. КҚ-дағы  көміртектің мөлшері 78,9-84,6% құрайды. Тәжірибелік жолмен анықталған көміртектің мөлшері элементті анализ нәтижелерімен сәйкес келеді.

 

 

2-сурет. КҚ негізінде алынған  сорбенттердің көміртек мөлшерінің  карбониздеу температурасына тәуелділігі

 

 

3.1 Карбонизделген үлгінің  меншікті беттік ауданын зерттеу

 

Үлгілердің меншікті беттік ауданын аргонның жылулық десорбция әдісімен анықталды. 400˚С температурада карбонизациялау барысында КҚ-ның меншікті беттік ауданы шамамен 200 м2/г жетеді. Меншікті бетін жоғарлату үшін бу-газды активация әдісі қолданылды. Активация процесі 300˚С-тан бастап таңдалған температураға дейін газ-активатор (су буы) қатысында жүргізілді. Алынған нәтижелер 3-суретте график түрінде көрсетілген.

 

3-сурет. Бу активациясынан кейінгі  КҚ-ның меншікті беттік ауданының температураға тәуелділігі

 

3-суреттен 650˚С температурада карбонизделген  КҚ-ның меншікті беттік ауданы  максималды мәнге жетеді, яғни 910 м2/г екенін көруге болады. Карбониздеу температурасын 650˚С жоғарылату үлгі құрылымының тығыздалуына алып келетіндіктен  меншікті беттік ауданы төмендейді.

 

3.2 Үлгілерді ИҚ-спектроскопиялық әдіспен зерттеу

 

ИҚ-спектроскопиясы көмегімен түсірілген КҚ-ның спектрлерінде активтелген көмірлерге ұқсас реакцияға түсуге қабілетті функциональды топтары бар екендігі анықталды. Функционаьды топтардың сәйкесінше жұтылу жолақтары келесідей: карбоксильді (1000-1300 см-1), карбонильді (1600-1800 см-1), фенольды (3700-3200см-1) және аминді (2500-3300 см-1) топтар [33].

Бастапқы шикізат спектрінде  NH2, ОН, =СН,  С–О, С=С, С=N, СН2 және тербелмелі ароматты сақина  жолақтары табылды. 500˚С карбонизделген үлгілердің ИҚ-спектрінде NH2 (3431,92 см-1), валентті ОН  (3630,51 см-1), тербелмелі =СН (3051,49 см-1),  С–О (1206,58 см-1), С=С, С=N (1696,97 см-1), валентті СН2 (1378,43 см-1) жұтылу жолақтары, сонымен қатар СºС (2361,38 см-1) жұтылу жолағы байқалды. Карбониздеу температурасын ары қарай жоғарылатқанда NH2, СОН, С=О, ОН және СН2 ароматты сақинасының жұтылу жолағы интенсивтілігі артатыны анықталды.