Гранулированный дефекат для очистки водных растворов от ионов цинка (II): влияние связующего на динамическую обменную ёмкость

Цель – оценить эффективность извлечения ионов цинка (II) из водных растворов гранулированным дефекатом в динамических условиях и выбрать оптимальное связующее для гранулирования, обеспечивающее максимальную сорбционную ёмкость и механическую прочность.

Методы. Дефекат – отход сахарного производства, содержащий 60-85 % CaCO₃, органические вещества, азот, фосфор и калий, – гранулировали с добавлением связующих: крахмал, поливиниловый спирт, поливинилацетат, силикатный клей и кристаллический силикат натрия. Гранулы получали с использованием шнекового гранулятора с последующей сушкой при 100°C. Модельные растворы ZnSO₄ с концентрацией 2,1 г/дм³ пропускали через колонку, заполненную гранулированным сорбентом (18,8 г). Рассчитывали полную динамическую обменную ёмкость как количество ионов цинка, поглощённое сорбентом до полного насыщения. Токсичность очищенной воды оценивали по всхожести семян горчицы белой; определяли коэффициент ингибирования прорастания

Результаты. Наивысшие значения ПДОЕ (23,4 мг/г) достигнуты для гранул с ПВС и ПВА, что объясняется формированием пористой полимерной матрицы, не блокирующей активные центры сорбции. Гранулы с крахмалом и силикатным клеем показали ПДОЕ 20,0-20,1 мг/г, что несколько ниже из-за частичной блокировки пор или меньшей механической стабильности. Оптимальной является масса связующего 5 г на 50 г дефеката: при меньшем содержании гранулы непрочны, при большем – возрастают затраты без значимого повышения сорбционной ёмкости. Все образцы очищенной воды нетоксичны, что подтверждает безопасность разработанных сорбентов для водных экосистем.

Заключение. Гранулирование дефеката с полимерными связующими (ПВС, ПВА) позволяет получить эффективный и безопасный сорбент для извлечения ионов цинка (II) из воды в динамическом режиме. Рекомендуемое связующее ПВС, обеспечивающее высокую ПДОЕ, механическую прочность и минимальную блокировку пор. Предложенная технология позволяет одновременно утилизировать крупнотоннажный промышленный отход и решать экологические задачи очистки сточных вод от тяжёлых металлов, что делает её перспективной для промышленного применения.

1. Изучение сорбции ионов тяжёлых металлов с использованием сорбента на основе дефеката свеклосахарного производства / Л.П. Лосева, С.Н. Анучин, Т.К. Крупская, В.Н. Ильючик, О.С. Ламински-Ануфрик // Университет – территория опережающего развития: сборник научных статей Международной научно-практической конференции, посвящённый 80-летию ГрГУ им. Янки Купалы. Гродно: Гродненский гос. ун-т им. Янки Купалы, 2020. С. 130-136.

2. Бабанина М.Н., Лысенко А.В. Изотермы адсорбции ионов цинка (II) термически модифицированным дефекатом из водных растворов // Технологии, машины и оборудование для проектирования, строительства объектов АПК: сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров. Курск: Университетская книга, 2024. С. 379-382.

3. Лысенко А.В., Молокоедова Т.А., Соколова Ю.В. Изотермы сорбции ионов Fe2+, Fe3+ отходами промышленных предприятий из водных растворов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 2. С. 235-249. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-235-249.

4. Сорбционная способность техногенных отходов по отношению к ионам железа / Т.А. Молокоедова, Ю.О. Бартенева, Н.В. Кувардин, А.В. Лысенко // Фундаментальные и прикладные исследования в области химии и экологии – 2022: сборник научных статей Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 80-летию со дня рождения профессора Ф.Ф. Ниязи. Курск: Университетская книга, 2022. С. 130-134.

5. Модифицированные сорбенты из свекольного дефеката для очистки почв и сточных вод от тяжёлых металлов / Т.К. Крупская, О.А. Жарнова, С.Н. Анучин, С.С. Ануфрик // Эволюция биосферы, биогеохимические циклы и биогеохимические технологии: Связь фундаментальных и прикладных исследований: материалы XIII Международной биогеохимической школы-конференции, посвященной 160-летию со дня рождения В.И. Вернадского. Пущино: Товарищество научных изданий КМК, 2023. С. 76-78.

6. Маленкина В.С., Лысенко Е.А., Лысенко А.В. Кинетика сорбции ионов хрома (VI) дефекатом из водных растворов // Будущее науки – 2024: сборник научных статей 11-й Международной молодежной научной конференции. Курск: Университетская книга, 2024. С. 40-43.

7. Доминиковская И.В., Шибека Л.А. Сорбционный материал на основе дефеката – отхода производства сахара // Химическая технология и техника: материалы 88-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). Минск: БГТУ, 2024. С. 426-429.

8. Бабанина М.Н., Лысенко Е.А., Лысенко А.В. Термодинамика сорбции ионов цинка (II) модифицированным дефекатом из водных растворов // Современные исследования как фактор устойчивого развития: сборник статей III Международной научно-практической конференции. Петрозаводск: Новая Наука (ИП Ивановская И.И.), 2024. С. 46-52.

9. Изучение физико-химических свойств дефеката как перспективного вторичного сырья для строительных материалов и химикатов / Ф.И. Худойбердиев, Ф.Э. Умиров, М.Ш. Эшмуродова, О.А. Равшанова // Universum: химия и биология. 2022. № 9 (99). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14178 (дата обращения: 02.04.2026).

10. Бабанина М.Н. Динамическая сорбция ионов цинка (II) гранулированным дефекатом // Производственные системы будущего: опыт внедрения Lean и экологических решений: материалы IV Международной научно-практической конференции. Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т.Ф. Горбачева, 2025. С. 403.1-403.5.

11. Effect of binders on porous properties, surface chemical properties and adsorption characteristics of granular adsorbents from sewage sludge / L. Liu, Y Lin., Y. Liu, Q. He // Materials Science (Medžiagotyra). 2014. Vol. 20, no. 4. P. 462-467. https://doi.org/10.5755/j01.ms.20.4.6031.

12. Recent advances in various starch formulation for wastewater purification via adsorption technique: a review / N.A. Abd El Ghany, M.H. Abu Elella, H.M. Abdallah, M.S. Mostafa, M. Samy // Journal of Polymers and the Environment. 2023. Vol. 31. P. 2792-2825. https://doi.org/10.1007/s10924-023-02798-x.

13. Silicates as binders in the preparation of adsorbent materials / C. Cassavela, P. Mourão, I. Cansado, J. Castanheiro, L. Ribeiro // Materials Proceedings. 2022. Vol. 8, No. 1. P. 120. https://doi.org/10.3390/materproc2022008120.

14. Selection of binder recipes for the formulation of MOFs into resistant pellets for molecular separations by fixed-bed adsorption / J. Cousin-Saint-Remi, A.-L. Finoulst, C.R. Jabbour, G.V. Baron, J.F.M. Denayer // Microporous and Mesoporous Materials. 2020. Vol. 304. P. 109322. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.02.009.

15. Доминиковская И.В., Шибека Л.А. Изучение сорбционных свойств дефеката – отхода сахарной промышленности // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2024. Т. 15, № 1. С. 137-141. https://doi.org/10.37614/2949-1215.2024.15.1.021.

16. Structuring adsorbents and catalysts by processing of porous powders / F. Akhtar, L. Andersson, S. Ogunwumi, N. Hedin // Journal of the European Ceramic Society. 2014. Vol. 34, no. 7. P. 1643-1666. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.01.008.

17. Кутергин А., Недобух Т. Применение алюмосиликатного сорбента для очистки природных вод от тяжелых металлов // Экология и промышленность России. 2020. Т. 24, № 3. С. 19-23. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2020-3-19-23.

18. Коротченко И.С., Медведева В.А. Оценка фиторемедиационного потенциала горчицы в условиях загрязнения почвы Zn, Pb, Ni // Вестник Оренбургского государственного педагогического университета. 2023. № 4 (48). С. 5-11. https://doi.org/10.32516/2303-9922.2023.48.5.

19. Авдеенкова Т.С., Пищаева К.В., Макарова А.С. Исследование фитотоксичности и эффективности использования водных и наземных растений для фиторемедиации антропогенных химических загрязнений // Актуальные проблемы экологии и природопользования: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2020. С. 99-100.