ТЕРМОДИНАМІЧНІ РОЗРАХУНКИ ІОНООБМІННОЇ СОРБЦІЇ ІОНІВ ФЕРУМУ НА КЛИНОПТИЛОЛІТІ
DOI:
https://doi.org/10.24144/2414-0260.2020.1.61-65Ключові слова:
клиноптилоліт, ферум, іонний обмін, термодинамічні розрахункиАнотація
Підвищений вміст Феруму у воді, погіршує її якість та, у багатьох випадках, робить неможливим використання такої води у побуті та промисловості. Хоча Ферум і є основою багатьох біохімічних процесів у організмі людини, його надлишковий вміст може спричиняти ряд негативних наслідків. Відповідно до стандартів ВООЗ, допустима вміст Феруму в питній воді становить 0,3 мг/л. Високий вміст Феруму спостерігається у природних водах багатьох регіонів України та інших країн. Дане явище часто не повʼязане з антропогенним впливом, а викликане особливістю геоморфологічної будови місцевості. Тому розробка нових та вдосконалення існуючих методів знезалізнення вод (вилучення Феруму) є актуальним питанням.
Методи знезалізнення вод можна поділити на 4 різні категорії: традиційні методи, біологічні методи, методи на основі мембранних технологій і методи, що базуються на нанотехнологіях. Серед традиційних методів одним з основних є метод іонного обміну.
У даній роботі проведено квантово-хімічні розрахунки процесів іоного обміну іонів Феруму на клиноптилоліті (структурний тип HEU) та його модифікованих формах. Для розрахунків використовували програму xTB (Version 6.0.1 SAW181210). Як базовий метод обрано напівемпіричний метод GFN2-xTB, в основі якого лежить модифікована теорія функціоналу густини, а саме – підхід DFTB (Density Functional based Tight Binding).
Ферум розглядався у ступені окиснення 2 та 3, крім того розглянуто можливі електронні стани кожного із іонів та продуктів сорбції (низькоспіновий стан – мультиплетність 1 у випадку Fe2+ та мультиплетність 2 у випадку Fe3+; високоспіновий стан – мультиплетність 5 у випадку Fe2+ та мультиплетність 6 у випадку Fe3+).
Fe(H2O)6n+ + Zeo-X(H2O)a = X(H2O)6 + Zeo-Fe(H2O)b + y(H2O)6 (1)
Розрахунки реакції іонообмінної реакції (1) вказують на можливість самовільного перебігу процесу(ΔG<0). При одновалентних обмінних іонах, іонний обмін можливий як Fe2+ так і Fe3+. При двозарядних обмінних іонах, іонний обмін можливий для іонів Fe3+. Іонний обмін за участю іонів Fe3+ є набагато більш вигідним у порівнянні із іонами Fe2+.
Посилання
Homonai V.I., Milovych S.S. Medychna khimiia. Vinnytsia: Nova knyha, 2016. S. 672 (in Ukr.).
Khatria N, Tyagia S., Rawtanib D. Recent strategies for the removal of iron from water: A review. Journal of Water Process Engineering. 2017, 19. 291–304. Dоі: 10.1016/j.jwpe.2017.08.015.
Shkolnikov V., Bahga S.S., Santiago J.G. Desalinationandhydrogen,chlorine,and sodium hydroxide production via electrophoretic ion exchange and precipitation. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14(32). 11534–11545. Dоі: 10.1039/c2cp42121f.
Rollmann L.D., Valyocsik E.W. Zeolite molecular sieves. Inorg. Synth. 1995, 30. 227–234.
Bulai P., Cioanca E. Iron removal from wastewater using chelating resin purolite s930. Tehnomus J. 2011, 18. 63–68.
Abdel-Ghani N.T., Hefny M., El-Chagbaby G.A.F. Removal of Lead from aqueous solution using law cost abundantly available adsorbents. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2007, 4(1). 67–73.
Al-Anber M., Al-Anber Z.A. Utilization of natural zeolite as ion-exchange and sorbent material in the removal of iron. Desalination. 2008, 225. 70–81.
Rabdel Ruiz-Salvador A., Ariel Gomez, Dewi W. Lewis, Richard C.A. Catlow, Marleny Rodriguez-Albelo L., Luis Montero, Gerardo Rodriguez-Fuentes. Clinoptilolite-heulandite polymorphism: structural features from computer simulation. Phys. Chem. Chem. Phys. 2000, 2. 1803–1813.
Grimme S., Bannwarth C., Shushkov P., Comput J. A robust and accurate tight-binding quantum chemical method for structures, vibrational frequencies, and noncovalent interactions of large molecular systems parametrized for all spd-block elements (Z = 1–86). Theory Chem. 2017, 13. 1989–2009. Dоі: 10.1021/acs.jctc.7b00118.
Bannwarth C., Ehlert S., Grimme S. GFN2-xTB – an accurate and broadly parametrized self-consistent tight-binding quantum chemical method with multipole electrostatics and density-dependent dispersion contributions. J. Chem. Theory Comput. 2019, 15. 1652–1671. Dоі: 10.1021/acs.jctc.8b01176.
Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD - Visual Molecular Dynamics. J. Molec. Graphics. 1996, 14. 33–38.
