Оценка возможности применения терморасширенного графита для очистки загрязненных природных вод

  • Ю.В. Берестнева Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», Волгоград, Россия https://orcid.org/0000-0002-4012-2796
  • А.A. Войташ Государственное учреждение «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко», Донецк, Украина https://orcid.org/0000-0002-5441-3930
  • Е.В. Ракша Государственное учреждение «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко», Донецк, Украина https://orcid.org/0000-0002-5954-6361
  • Р.Н. Балкушкин Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», Волгоград, Россия https://orcid.org/0000-0003-0987-6263
  • А.С. Межевова Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», Волгоград, Россия https://orcid.org/0000-0002-4579-7047
  • М.В. Савоськин Государственное учреждение «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко», Донецк, Украина https://orcid.org/0000-0001-5112-5805
Ключевые слова: терморасширенный графит, сорбция, изотермы адсорбции, модель Ленгмюра, очистка воды, показатели качества воды, катионы тяжелых металлов, фотоколориметрия

Аннотация

В работе проведены исследования сорбционной способности терморасширенного графита (ТРГ), полученного из нитрата графита, соинтеркалированного этилформиатом и уксусной кислоты, по отношению к катионам тяжелых металлов, а также оценка возможности применения ТРГ для очистки загрязненных природных вод. На основе экспериментальных значений сорбционной емкости были получены изотермы адсорбции, для описания которых использовали модель Ленгмюра. Были определены предельные значения сорбционной емкости для катионов Cu2+, Mn2+, Zn2+, которые составляют 0,064, 0,029 и 0,089 г/г сорбента соответственно. Показано, что природа аниона не оказывает влияния на сорбцию тяжелых металлов из водных растворов их солей. С целью обоснования возможности применения ТРГ в качестве основы для сорбента при очистке загрязненных природных вод были проведены испытания исследуемого ТРГ на реальном объекте. Исследования проводили с использованием образца воды с высоким содержанием экотоксикантов из поверхностного источника, расположенного в г. Волгоград. После обработки воды исследуемым терморасширенным графитом концентрации экотоксикантов, в частности тяжелых металлов снижались до допустимых пределов. На основании полученных результатов можно сделать вывод о возможности применения полученного ТРГ в качестве сорбента для очистки природных и сточных вод от загрязняющих веществ и техногенных примесей.

Литература

Baby, R., Saifullah, B., & Hussein, M.Z. (2019). Carbon Nanomaterials for the Treatment of Heavy Metal-Contaminated Water and Environmental Remediation. Nanoscale Res Lett, 14(341) https://doi.org/10.1186/s11671-019-3167-8

Kim, S.J., Ko, S.H., Kang, K.H., & Han, J. (2010). Direct seawater desalination by ion concentration polarization. Nat. Nanotechnol., 5, 297–301. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.34

Wang, Y., Guo, L., Qi, P., Liu, X., & Wei, G. (2019). Synthesis of Three-Dimensional Graphene-Based Hybrid Materials for Water Purification: A Review. Nanomaterials (Basel, Switzerland), 9(8), 1123. https://doi.org/10.3390/nano9081123

Shannon, M.A., Bohn, P.W., Elimelech, M., Georgiadis, J.G., Mariñas, B.J., & Mayes, A.M. (2008). Science and technology for water purification in the coming decades. Nature, 452(7185), 301–310. https://doi.org/10.1038/nature06599

Yousif, S.A., Sulaymon, A.H., & Al-Faize, M.M. (2013). Experimental and theoretical investigations of lead mercury chromium and arsenic biosorption onto dry activated sludge from wastewater. International Review of Chemical Engineering. 5. 30–40. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2013.06.034

Baby, S.R., Saifullah, B., Rehman, F., & Iqbal, S.R. (2018). Greener Method for the Removal of Toxic Metal Ions from the Wastewater by Application of Agricultural Waste as an Adsorbent. Water, 10(10), 1316. https://doi.org/10.3390/w10101316

Bali, M., & Tlili, H. (2019). Removal of heavy metals from wastewater using infiltration-percolation process and adsorption on activated carbon. Int. J. Environ. Sci. Technol. 16, 249–258. https://doi.org/10.1007/s13762-018-1663-5

Yang, X., Zhou, T., Ren, B. Hursthouse A., & Zhang Y. (2018). Removal of Mn (II) by Sodium Alginate/Graphene Oxide Composite Double-Network Hydrogel Beads from Aqueous Solutions. Sci Rep, 8, 10717. https://doi.org/10.1038/s41598-018-29133-y

Fu, F, & Wang, Q (2011). Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review. J Environ Manag 92(3), 407–418. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.11.011

Czikkely, M., Neubauer, E., Fekete, I., Ymeri, P., & Fogarassy, C. (2018). Review of Heavy Metal Adsorption Processes by Several Organic Matters from Wastewaters. Water, 10(10), 1377. https://doi.org/10.3390/w10101377

Hameed, B.H., & Rahman, A.A. (2008). Removal of phenol from aqueous solutions by adsorption onto activated carbon prepared from biomass material. J. Hazard. Mater., 160(2-3), 576–581. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.03.028

Burakov, A.E., Galunin, E.V., Burakova, I. V., Kucherova, A.E., Agarwal, S., Tkachev, A.G., & Gupta, V.K. (2018). Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes: A review. Ecotoxicology and environmental safety, 148, 702–712. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.11.034

Ali, I., & Gupta, V. K. (2006). Advances in water treatment by adsorption technology. Nature protocols, 1(6), 2661–2667. https://doi.org/10.1038/nprot.2006.370

Wu, Y., Pang, H., Liu, Y., Wang, X., Yu, S., Fu, D., Chen, J., & Wang, X. (2019). Environmental remediation of heavy metal ions by novel-nanomaterials: A review. Environmental pollution (Barking, Essex : 1987), 246, 608–620. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.12.076

Mauter, M.S., & Elimelech, M. (2008). Environmental applications of carbon-based nanomaterials. Environmental science & technology, 42(16), 5843–5859. https://doi.org/10.1021/es8006904

Bradder, P., Ling, S.K., Wang, S., & Liu, S. (2011) Dye Adsorption on Layered Graphite Oxide. Journal of Chemical & Engineering Data, 56(1), 138–141 https://doi.org/10.1021/je101049g

Handorin, G.P., Dubov, G.I., Mazin, V.I., & Makotchenko, V.G. (2010). Synthesis and application of nanostructured graphite. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = News of Tomsk Polytechnic University. Geo-Resource Engineering, 316(3), 5–11 (in Russ.).

Davydova, А.А., Berestneva, Yu.V., Raksha, E.V., Glazunova, V.A., Burhovetskiy, V.V., Vdovichenko, A.N., & Savoskin, M.V. (2019). Production of the few-layer graphene particles from thermally expanded graphite in tert-butanol. Vestnik Luganskogo nacional'nogo universiteta imeni Vladimira Dalya = Vestnik Lugansk Vladimir Dahl National University, 25(7), 169–174 (in Russ.).

Voitash, A.A., Vishnevsky, V.Yu., Berestneva, Yu.V. Raksha, E.V., Muratov, A.V., Eresko, A.B. Glazunova, V.A., Burhovetskiy, V.V., Volkova, G.K., & Savoskin, M.V. (2019). Exfoliated graphite from graphite nitrate cointercalation compounds: production and some applications. In: Applied Aspects of Nano-Physics and Nano-Engineering. New York: Nova Science Publishers Inc. Vol. 1. (pp. 25–28).

Chesnokov, N.V., Kuznetsov, B.N., Mikova, N.M., & Drozdov, V.A. (2006). Sorption properties of composites based on thermally expanded graphites. Russian Journal of General Chemistry, L(1), 75–78 (in Russ.).

Sorokina, N.E., Avdeev, V.V., Tihomirov, A.S., Lutfullin, M.A., & Saidaminov, M.I. (2010) Composite Nanomaterials Based on Intercalated Graphite. M.: Lomonosov Moscow State University (in Russ.).

Savos'kin, M.V., Yaroshenko, A.P., Mochalin, V.N., & Panchenko B.V. (2003). Sorption of industrial oil by expanded graphite. Russ. J. Appl. Chem., 76(6), 936–938. https://doi.org/10.1023/A:1026315707819

Samoilov, N.A., Khlestkin, R.N., Osipov, M.I. & Chichirko, O.P. (2004). Formation of Consolidated Bed by Carbon Sorbent and Oil in Removal of Spilled Oil. Russ. J. Appl. Chem., 77(2), 327–332. https://doi.org/10.1023/B:RJAC.0000030377.17181.47

Voitash, A.A., Berestneva Yu.V., Raksha E.V., & Savoskin, M.V. (2020). Water purification for agricultural grounds irrigation from petroleum products with a sorbent based on thermally expanded graphite. Scientific Agronomy Journal, 110(3), 4–8. (in Russ). https://doi.org/10.34736/FNC.2020.110.3.001.4-8

Berestneva, Yu.V., Raksha, E.V., Voitash, A.A., Arzumanyan, G.M., & Savoskin, M.V. (2020) Thermally expanded graphite from graphite nitrate cointercalated with ethylformate and acetic acid: effect of the conditions of the intercalated compound obtaining. Journal of Physics: Conference Series, 1658, 012004: 1–10. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1658/1/012004

Davydova, А.А., Voitash, A.A., Berestneva, Yu.V., Raksha, E.V., Muratov, A.V., Eresko, A.B. Burhovetskiy, V.V., Volkova, G.K., & Savoskin, M.V. (2019). Sorption properties of thermally expanded graphite nitrate cointercalated with ethyl formate and acetic acid. Khimicheskaya Bezopasnost' = Chemical Safety Science, 3(5), 39–48 (in Russ.). https://doi.org/10.25514//CHS.2019.Special.2

Raksha, E.V., Berestneva, Yu.V., Vishnevsky, V.Yu., Maydanik, А.А., Glazunova, V.A., Burhovetskiy, V.V., Vdovichenko, A.N., & Savoskin, M.V. (2017). Carbon nanoparticles based on new triple graphite cointercalation compounds. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya = Chemical Physics and Mesoscopics, 19(3), 448–453 (in Russ.).

Raksha, E.V., Berestneva, Yu.V., Vishnevskij, V.Yu., Majdanik, A.A., Volkova, G.K., Burhovetskiy, V.V., Vdovichenko, A.N., & Savoskin, M.V. (2018). New triple graphite cointercalation compounds. Vestnik Luganskogo nacional'nogo universiteta imeni Vladimira Dalya = Vestnik Lugansk Vladimir Dahl National University, 11(5), 191–197 (in Russ.).

Muravyov, A.G. (2018) Water analysis guide. Drinking and natural water, soil extracts. St. Petersburg.: «Krismas+» (in Russ.).

Giles C.H., Smith D., Huitson A. (1974). A General Treatment and Classification of the Solute Adsorption Isotherm. I. Theoretical. Journal of Colloid and Interface Science, 47(3), 755–765. http://dx.doi.org/10.1016/0021-9797(74)90252-5.

Netskina, O.V. (2015). Adsorption from solutions on a solid surface: a training manual. Novosibirsk: RIC NSU (in Russ.).

Gregg, S.J., & Sing S.W. (1982). Adsorption, Surface Area and Porosity. 2. Auflage. London.: Academic Press.

Voitash, A.A., Berestneva Yu.V., Raksha E.V., Davydova, А.А., & Savoskin, M.V. (2020). Study of sorption of aromatic compounds from aqueous solutions by thermally expanded graphite. Khimicheskaya Bezopasnost' = Chemical Safety Science, 4(1), 144–156. (in Russ).

Do Q., Choi S., Kim H., & Kang S. (2019). Adsorption of Lead and Nickel on to Expanded Graphite Decorated with Manganese Oxide Nanoparticles. Appl. Sci., 9, 5375: 1–15. https://doi.org/10.3390/app9245375

Mobasherpour I., Salahi E., & Pazouki M. (2012). Comparative of the removal of Pb2+, Cd2+ and Ni2+ by nano crystallite hydroxyapatite from aqueous solutions: Adsorption isotherm study. Arabian J. Chem., 5, 439–446. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2010.12.022

Hossain M.A., Ngo H.H., Guo W.S., Nghiem L.D., Hai F.I., Vigneswaran S., & Nguyen T.V. (2014). Competitive adsorption of metals on cabbage waste from multi-metal solutions. Bioresour. Technol, 160, 79–88. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.12.107

Osinska M. (2017). Removal of lead(II), copper(II), cobalt(II) and nickel(II) ions from aqueous solutions using carbon gels. J. Sol Gel Sci. Technol, 81, 678–692. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4256-0

Gao Z., Bandosz T.J., Zhao Z., Han M., & Qiu J. (2009). Investigation of factors affecting adsorption of transition metals on oxidized carbon nanotubes. J. Hazard. Mater, 167, 357–365. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.01.050

GOST [State Standard] 31861-2012. Water. General requirements for sampling. M.: Standartinform, 2019. 32 p. (in Russ).

GOST (State Standard) 17.1.5.05-85. Nature protection. Hydrosphere. General requirements for surface and sea waters, ice and atmospheric precipitation sampling. M.: IPK Izdatelstvo stanartov, 2003. 12 p. (in Russ).

Hygienic Standard 2.1.5.1315-03. Maximum permissible concentrations (MPC) of chemicals in water of water objects of drinking and cultural-domestic water use. 2003. (in Russ).

SanPiN 2.1.4.1074-01. Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control. Hygienic requirements for provision of safety of hot water supply systems. (in Russ).

Опубликован
2021-06-15
Как цитировать
Берестнева, Ю., Войташ, А., Ракша, Е., Балкушкин, Р., Межевова, А., & Савоськин, М. (2021). Оценка возможности применения терморасширенного графита для очистки загрязненных природных вод. Химическая безопасность, 5(1), 110 - 124. https://doi.org/10.25514/CHS.2021.1.19007
Раздел
Технологии ликвидации источников химической опасности