Өсімдік негізіндегі көміртекті сорбенттерді ағызынды суларды ауыр металдардан тазарту үшін пайдалану

 

4-сурет. 500˚С карбонизделген үлгілердің ИҚ-спектрі

3.3 Карбонизделген сорбенттерді электронды-микроскопия әдісімен зерттеу

 

Карбонизделген сорбенттердің беттік құрылымы мен морфологиялары электронды-микроскопия әдісімен зерттелді. Зерттеу нәтижелерінен бастапқы шикізат КҚ микроскопиялық суретінен беттің тығыз көміртекті құрылысты екендігін көруге болады (5-сурет).

Ал карбониздеуден кейін үлгілердің құрылымы мен морфологиясы айтарлықтай өзгеріске ұшырайды. Электронды микроскопия суреттерінен үлгілер әртүрлі морфологияға ие екендігін көруге болады. Карбониздеуден кейін олардың меншікті беттік ауданының өсуі олардың кеуек размерлерінің артуымен түсіндіріледі.

 

 

5-сурет. Бастапқы КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті

 

      

         а                      б 

 

6-сурет. 400˚С (а) және 450˚С (б) температурада карбонизделген КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті

 

6-суретте 400˚С температурада карбонизделген КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті көрсетілген.  Мұнда бастапқы КҚ микроскопиялық суретіне қарағанда борпылдақ, кеуекті екендігін көруге болады. Карбониздеу температурасын 450˚С температураға көтере отырып алынған үлгіде талшықты құрылым пайда болады.

Карбониздеу температурасы 500˚С және 550˚С болатын үлгілерде  қабыршақты түзілулер және әртүлі борпылдақ бөлшектерден түзілген талшықты құрылымнан тұратынын көруге болады.

 

       

                        а                     б 

 

7-сурет. 500˚С (а) және 550˚С (б) температурада карбонизделген КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті

 

8(а)-суреттен 600˚С температурада карбонизделіп алынған үлгілердің микроскопиялық суретінен күйетәріздес құрылысты байқауға болады.

 

         а                      б 

 

8-сурет. 600˚С (а) және 650˚С (б) температурада карбонизделген КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті

Ал 650˚С температурада карбонизделген үлгілерде әртүрлі майда бөлшектердің түрлері және перделі түзілулердің үлкен мөлшері бақыланды. Ұсақ дәнекті және әртүрлі қалыңдықтағы сынықты және қабыршақты бөлшектер де кездеседі [39].

Карбониздеу температурсын ары қарай жоғарылату ұсақ күйетәріздес бөлшектерден тұратын талшықтардың өсуіне әкеледі (9-сурет, а). 750˚С температурада алынған үлгіде көміртекті бөлшектер мен тығыз көміртекті құрылымдар байқалады.

 

           

         а                      б 

 

9-сурет. 700˚С (а) және 750˚С (б) температурада карбонизделген КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті

 

Карбониздеу температурасы 750˚С  жоғары жағдайда алынған үлгілердің микроскопиялық суретінен беттік қабатындағы құрылымның тығыздалғанын көруге болады.

 

10-сурет. 800˚С температурада карбонизделген КҚ үлгісінің электронды-микроскопиялық суреті

 

Құрылымның тығыздалуы олардың кеуек өлшемдерінің кішіреюіне, яғни меншікті беттік ауданының азаюына алып келеді. Бұл жылулық десорбция  әдісімен анықталған мәліметтермен сәйкес келеді  [36].

Қорытындылай келгенде, микроскопиялық суреттерді сараптай отырып, карбониздеу температурасы өскен сайын жоғары кеуекті, беттік ауданы жоғары, әртүрлі морфологиялы сорбент алуға болатындығы анықталды.

 

3.4 Үлгілерді ЭПР-спектроскопия  әдісімен зерттеу

 

Карбонизделген сорбенттердің парамагнитті қасиеттерін зерттеу кезінде кейбір жағдайларда мыс иондарының Сu+2 адсорбциялау нәтижесінде сорбенттердің бос радикалдар күйінің бастапқы концентрациясы өзгеретіні байқалды. Осыған байланысты зерттеліп отырған карбонизделген КҚ негізіндегі сорбенттердің парамагниттік салыстырмалы зерттеу қызығушылық тудырды. Зерттеу үшін 3см диапазонда жұмыс істейтін модернизделген ИРЭС-1001 ЭПР-спектрометрінде жүргізілді. Тіркеу шарттары қанығу эффектілері мен ЭПР сызығы формаларының өзгеруін болдырмау үшін таңдалынып алынды. КҚ ЭПР-спектрлерінің параметрлерін өлшеу нәтижелері 3-кестеде келтірілген.

Кестеден бос радикалдар күйлерінің концентрациясы үлкен шамаға (1018 сп/г) жететінін көруге болады. Карбониздеу температураларына байланысты радикалдарды күйінің концентрациясы карбониздеу температурасы 650˚С кезінде максимум арқылы өтеді, ал одан әрі температураны көтеру кезінде концентрация күрт төмендейді. Карбониздеу температурасы 800˚С кезінде концентрация максималдымен салыстырғанда 200 ретке азаяды. Сонымен бірге айта кететін мәлімет, сызық ені температураның көтерілуімен азайып, 550˚С температурада карбонизделген үлгілерде 5,7 э береді. Ал 800˚С температурада карбонизделген үлгілерде 2,8 э болады. Карбониздеу температурасына байланысты g-фактор мәні де өзгереді. Бастапқы карбониздеу температураларында алынған үлгілердің g-фактор мәні көбінесе бос радикалды жүйеге сәйкес келеді.

Бос-радикалды күйдің максималды концентрациясына сәйкес келетін 650˚С карбонизделген сорбентте ең эффективті адсорбциялау процестері байқалды. Осыған байланысты алынған адсорбентте сорбция процесі парамагниттік орталықтар болуына тура немесе жанама тәуелді деген болжам жасауға болады [37].

Парамагниттік орталықтардың адсорбция өту уақытына тәуелділігін зерттеу мақсатында жасалынған зерттеулер белгілі бір дәрежеде болжамды дәлелдейді. Адсорбция уақытының карбонизделген КҚ парамагниттік сипаттамаларының әсері келтірілген. 4-кестеде, парамагнитті орталықтардың концентрациясы сорбция уақыты неғұрлым көп болса, соғұрлым бос-радикалды күй концентрациясы аз болады.

 

 

3-кесте. КҚ-ның карбониздеу температурасына  байланысты ЭПР спектр параметрлерінің  өзгеруі

 

Үлгі	ЭПР түзуінің ені, ΔН (эрстед)	Бос-радикалды күй концентрациясы, сп/г 1018	g-фактор
КҚ-400˚С	5,9	3,2	2,0022
КҚ-450˚С	5,8	4,1	2,0025
КҚ-500˚С	5,8	5,7	2,0027
КҚ-550˚С	5,7	5,9	2,0030
КҚ-600˚С	5,3	7,0	2,0030
КҚ-650˚С	4,6	8,3	2,0020
КҚ-700˚С	4,4	2,7	2,0017
КҚ-750˚С	2,9	0,1	2,0018
КҚ-800˚С	2,8	0,04	2,0019

 

4-кесте. 650˚С температурада карбонизделген КҚ ЭПР сперктрлері параметрлерінің мыс тұздарын адсорбциялау уақытына байланысты өзгеруі

 

Сорбциялау уақыты, мин	Бос-радикалды күй концентрациясы, сп/г 1018	ЭПР түзуінің ені, ΔН (эрстед)	g-фактор	Спиндер концентрациясының бастапқы конц-ға қатынасы
0	8,3	4,6	2,002	1
5	5,4	4,6	2,002	0,65
15	5,4	4,2	2,002	0,65
30	4,9	4,2	2,002	0,59
60	4,2	4,8	2,002	0,50
90	3,6	4,4	2,002	0,47

 

Процестің ұзақ жүруі (30-60 мин) парамагнитті орталықтар концентрациясы екі есе кемітеді. Адсорбциялау уақытын одан әрі ұзарту парамагнитті орталықтар концентрациясының өзгеруіне әсер ететіндігі байқалды. Осы берілген мәліметтер негізінде сорбция өткізудің оптималды уақыты 60 минут деген болжам жасауға болады.

 

3.5 Суды ауыр металл иондарынан тазартуда алынған көміртекті сорбенттерді қолдану

 

Суды ауыр металл иондарынан тазартуда әртүрлі температурада карбонизделген сорбенттер қолданылды. Мыс пен кадмий иондарын сорбциялау дәрежесінің сорбциялау уақыты мен карбонизация температурасына тәуелділігі зерттелді. Зерттеу статикалық жағдайда жүргізілді. Алынған карбонизделген үлгілердің 1 г мөлшерінің 100 см3 металл тұздары ерітіндісіндегі сорбциялық қасиеті қарастырылды. Тұз концентрациясын мыс үшін шамамен 5 мкг/см3, ал кадмий үшін 0,1 мкг/см3 құрады. 5, 15, 30, 60, 90 минут аралықтарындағы сорбциялау кезіндегі ерітіндідегі металл иондарының концентрациялары атомдық-адсорбция спектроскопия әдісінің көмегімен анықталды. Содан кейін бастапқы және соңғы концентрация айырымынан сорбция дәрежесін табылды. Мыс пен кадмий иондарын сорбциялау нәтижелері 5, 6 кестелерде көрсетілген.

 

 

11-сурет. Карбонизделген КҚ-ның үлгілерімен ерітіндегі мыс

иондарының сорбциялық дәрежесінің уақытқа тәуелділігі

 

11-суреттен мыс иондарының сорбциясы 6000C-та және одан жоғары температурада карбонизделген үлгі үшін бастапқы 5 минуттың өзінде 96-99% құрайды. Яғни, 6000C-тан төмен температурада синтезделген үлгілердің сорбциялық қасиетінің біршама төмен екендігін көруге болады.

12-сурет. Карбонизделген КҚ-ның үлгілерімен ерітіндегі кадмий

иондарының сорбциялық дәрежесінің уақытқа тәуелділігі 

5-кесте. 1г сорбенттің әртүрлі  уақыт аралығындағы мыс ионын  сорбциялау нәтижелері

 

Сорбциялау уақыты, мин	КҚ-400˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 4,51 мкг/см3)		КҚ-450˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 4,8 мкг/см3)
	Концентрация, мкг/см3	Сорбциясы, %	Концентрация, мкг/см3	Сорбциясы, %
5	1,69	64,2	1,49	62,5
15	1,61	69,6	1,13	64,3
30	1,47	75,7	0,844	67,4
60	1,1	79,1	0,8	75,6
90	0,8	80,3	0,8	82,3
	КҚ-500˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 4,8 мкг/см3)		КҚ-550˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 5,1мкг/см3)
5	1,1	69	1,828	77,1
15	0,662	76,5	1,552	86,2
30	0,602	82,4	1,241	87,5
60	0,556	83,3	1,069	88,4
90	0,553	83,3	1,003	88,5
	КҚ-600˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 5,1 мкг/см3)		КҚ-650˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 5,1мкг/см3)
5	0,223	95,6	0,077	97,5
15	0,145	97,2	0,067	98,8
30	0,115	97,7	0,029	99,5
60	0,068	98,6	0,029	99,6
90	0,065	98,7	0,027	99,8
	КҚ-700˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 4,81 мкг/см3)		КҚ-750˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 4,81мкг/см3)
5	0,046	99	0,118	98,5
15	0,043	99,1	0,06	98,7
30	0,024	99,5	0,022	99,4
60	0,022	99,5	0,019	99,4
90	0,019	99,6	0,01	99,5
	КҚ-800˚С (ерітіндідегі бастапқы мыс концентрациясы 4,81мкг/см3)
	Концентрация, мкг/см3		Сорбциясы, %
5	0,59		87,7
15	0,13		97,3
30	0,096		98
60	0,068		98,6
90	0,051		98,9

6-кесте. 1г сорбенттің әртүрлі  уақыт аралығындағы кадмий ионын  сорбциялау нәтижелері

 

Сорбциялау уақыты, мин	КҚ-400˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)		КҚ-450˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)
	Концентрация, мкг/см3	Сорбциясы, %	Концентрация, мкг/см3	Сорбциясы, %
5	0,0355	64,5	0,025	75,0
15	0,0291	70,9	0,0233	76,7
30	0,0228	77,2	0,0169	83,1
60	0,0179	82,1	0,0151	84,9
90	0,0176	82,4	0,0146	85,4
	КҚ-500˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)		КҚ-550˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)
5	0,0326	67.4	0,0411	58,9
15	0,0224	77,6	0,0273	72,7
30	0,015	85,0	0,0117	88,3
60	0,0152	84,8	0,0073	92,7
90	0,0117	88,3	0,0039	96,1
	КҚ-600˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)		КҚ-650˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)
5	0,0275	72,5	0,077	97,5
15	0,0256	74,4	0,067	98,8
30	0,0158	84,2	0,029	99,5
60	0,0121	87,9	0,029	99,6
90	0,0076	92,4	0,027	99,8
	КҚ-700˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)		КҚ-750˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)
5	0,0071	92,9	0,0018	98,2
15	0,0064	93,6	0,0017	98,3
30	0,0039	96,1	0,0015	98,5
60	0,0028	97,2	0,0016	98,4
90	0,0014	98,6	0,0015	98,5
КҚ-800˚С (ерітіндідегі бастапқы кадмий концентрациясы 0,1 мкг/см3)
	Концентрация, мкг/см3		Сорбциясы, %
5	0,0155		84,5
15	0,0059		94,1
30	0,0069		95,1
60	0,0035		96,5
90	0,0029		97,1