Розробка поліадсорбентів на основі поліетиленіміну та низькомолекулярних лігандів для вилучення іонів металів II групи зі стічних вод
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.337919Ключові слова:
метал, іон, комплексоутворення, поліетиленімін, ліганд, стічні води, титрування, термодинаміка, адсорбціяАнотація
Об’єктом дослідження є фізико-хімічні процеси комплексоутворення іонів металів II групи з поліетиленіміном (ПЕІ) та низькомолекулярними органічними лігандами. Розв’язувана проблема пов’язана з розробкою ефективних і селективних поліадсорбентів для вилучення токсичних іонів металів зі стічних вод.
Методами потенціометричного, кондуктометричного та в’язкісного аналізу встановлено, що у бінарних системах ПЕІ–M2+ формуються координаційні комплекси з мольним співвідношенням ПЕІ:M2+ = 2:1. Для систем з іонами Sr2+ і Ba2+ виявлено ступінчасте комплексоутворення, на початковому етапі якого утворюються частинки складу 6:1 та 4:1 відповідно. Встановлено ряд стійкості утворених комплексів у такій послідовності: Be2+ > Ca2+ > Sr2+ > Ba2+ > Mg2+.
Термодинамічні параметри показали, що процеси комплексоутворення відбуваються самочинно й екзотермічно, при цьому зниження ентропії пов’язане з підвищенням упорядкованості в системі. Константи стійкості (lgβ0) варіюються від 5,4 (Mg2+) до 10,16 (Be2+).
Квантово-хімічні розрахунки показали, що реакційними центрами в молекулах лігандів є: атоми кисню карбонільної групи (H2Sal), сульфогрупи (H3Ssal), карбоксильної групи (H2edta2⁻). Встановлено, що донорно-акцепторні взаємодії переважають у потрійних системах ПЕІ-M2+-H2Sal/H3Ssal, електростатичні взаємодії домінують у системах ПЕІ-Zn2+/Cd2+-H2Sal та ПЕІ-Be2+-H2edta2⁻.
У сорбційних тестах у модельних розчинах потрійні комплекси ПЕІ-Be2+-H3Ssal і ПЕІ-Hg2+-H3Ssal продемонстрували найвищу ефективність: ступінь вилучення Be2+ досягала 97,1%, Hg2+ – 93,4%, для Mg2+ і Ba2+ – менше 70%. Модифікований ПЕІ з H3Ssal виявився найефективнішим адсорбентом серед досліджених. У промислових випробуваннях розроблені адсорбенти знизили концентрації Be2+ і Hg2+ у стічних водах до 0,004 і 0,002 мг/л, що відповідає вимогам ГДК для скидання у водойми.
Посилання
- Ayalew, Z. M., Guo, X., Zhang, X. (2022). Synthesis and application of polyethyleneimine (PEI)‐based composite/nanocomposite material for heavy metals removal from wastewater: A critical review. Journal of Hazardous Materials Advances, 8, 100158. https://doi.org/10.1016/j.hazadv.2022.100158
- Bertagnolli, C., Grishin, A., Vincent, T., Guibal, E. (2016). Recovering Heavy Metal Ions from Complex Solutions Using Polyethylenimine Derivatives Encapsulated in Alginate Matrix. Industrial & Engineering Chemistry Research, 55 (8), 2461–2470. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b04683
- Semenova, A., Vidallon, M. L. P., Follink, B., Brown, P. L., Tabor, R. F. (2021). Synthesis and Characterization of Polyethylenimine–Silica Nanocomposite Microparticles. Langmuir, 38 (1), 191–202. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02393
- Yoo, S.-H., Lee, S.-C., Ko, M., Yoon, S., Lee, J., Park, J.-A., Kim, S.-B. (2023). Adsorption of Hg(II) on polyethyleneimine-functionalized carboxymethylcellulose beads: Characterization, toxicity tests, and adsorption experiments. International Journal of Biological Macromolecules, 241, 124516. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.124516
- Larsson, M., Nosrati, A., Kaur, S., Wagner, J., Baus, U., Nydén, M. (2018). Copper removal from acid mine drainage-polluted water using glutaraldehyde-polyethyleneimine modified diatomaceous earth particles. Heliyon, 4 (2), e00520. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e00520
- Tran, A. T.-K., Hoang, N. T.-T., Nguyen, P. T. (2023). Optimizing sulfonation process of polystyrene waste for hardness and heavy metal removal. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 8, 100396. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2023.100396
- Houari, B., Louhibi, S., Tizaoui, K., Boukli-hacene, L., Benguella, B., Roisnel, T., Dorcet, V. (2019). New synthetic material removing heavy metals from aqueous solutions and wastewater. Arabian Journal of Chemistry, 12 (8), 5040–5048. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2016.11.010
- Zhang, D., Wu, B., Wang, T., Yılmaz, M., Sharma, G., Kumar, A., Shi, H. (2025). Multi-mechanism synergistic adsorption of lead and cadmium in water by structure-functionally adapted modified biochar: A review. Desalination and Water Treatment, 322, 101156. https://doi.org/10.1016/j.dwt.2025.101156
- Verma, M., Ahmad, W., Park, J.-H., Kumar, V., Vlaskin, M. S., Vaya, D., Kim, H. (2022). One-step functionalization of chitosan using EDTA: Kinetics and isotherms modeling for multiple heavy metals adsorption and their mechanism. Journal of Water Process Engineering, 49, 102989. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102989
- Ma, J., Zhou, G., Chu, L., Liu, Y., Liu, C., Luo, S., Wei, Y. (2016). Efficient Removal of Heavy Metal Ions with An EDTA Functionalized Chitosan/Polyacrylamide Double Network Hydrogel. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5 (1), 843–851. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b02181
- Qasem, N. A. A., Mohammed, R. H., Lawal, D. U. (2021). Removal of heavy metal ions from wastewater: a comprehensive and critical review. Npj Clean Water, 4 (1). https://doi.org/10.1038/s41545-021-00127-0
- Sharma, K., Choudhary, P., Majeed, A., Guleria, S., Kumar, M., Rana, A. K., Rajauria, G. (2025). Cellulose based membranes, hydrogels and aerogels for water treatment application. Industrial Crops and Products, 225, 120474. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.120474
- López-Maldonado, E. A., Abdellaoui, Y., Abu Elella, M. H., Abdallah, H. M., Pandey, M., Anthony, E. T. et al. (2024). Innovative biopolyelectrolytes-based technologies for wastewater treatment. International Journal of Biological Macromolecules, 273, 132895. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.132895
- Sheraz, N., Shah, A., Haleem, A., Iftikhar, F. J. (2024). Comprehensive assessment of carbon-, biomaterial- and inorganic-based adsorbents for the removal of the most hazardous heavy metal ions from wastewater. RSC Advances, 14 (16), 11284–11310. https://doi.org/10.1039/d4ra00976b
- Danouche, M., El Ghachtouli, N., El Arroussi, H. (2021). Phycoremediation mechanisms of heavy metals using living green microalgae: physicochemical and molecular approaches for enhancing selectivity and removal capacity. Heliyon, 7 (7), e07609. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07609
- Shi, H., He, Y., Pan, Y., Di, H., Zeng, G., Zhang, L., Zhang, C. (2016). A modified mussel-inspired method to fabricate TiO2 decorated superhydrophilic PVDF membrane for oil/water separation. Journal of Membrane Science, 506, 60–70. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.01.053
- Zhu, Y., Xie, W., Li, J., Xing, T., Jin, J. (2015). pH-Induced non-fouling membrane for effective separation of oil-in-water emulsion. Journal of Membrane Science, 477, 131–138. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.12.026
- Yuan, X., Li, W., Liu, H., Han, N., Zhang, X. (2016). A novel PVDF/graphene composite membrane based on electrospun nanofibrous film for oil/water emulsion separation. Composites Communications, 2, 5–8. https://doi.org/10.1016/j.coco.2016.10.001
- Venault, A., Chiang, C.-H., Chang, H.-Y., Hung, W.-S., Chang, Y. (2018). Graphene oxide/PVDF VIPS membranes for switchable, versatile and gravity-driven separation of oil and water. Journal of Membrane Science, 565, 131–144. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.08.018
- Alaba, P. A., Oladoja, N. A., Sani, Y. M., Ayodele, O. B., Mohammed, I. Y., Olupinla, S. F., Daud, W. M. W. (2018). Insight into wastewater decontamination using polymeric adsorbents. Journal of Environmental Chemical Engineering, 6 (2), 1651–1672. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.02.019
- Liu, C., Zhang, H.-X. (2022). Modified-biochar adsorbents (MBAs) for heavy-metal ions adsorption: A critical review. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10 (2), 107393. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107393
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Nazgul Ashimkhan, Manshuk Murzagaliyeva, Gulnur Daribayeva, Ardak Sapiyeva
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.
