А.Д. Севастьянова1, Ю.Г. Базарнова2

1, 2 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (Санкт-Петербург, Россия)

1 anna-julija@rambler.ru, 2 j.bazarnowa2012@yandex.ru

Постановка проблемы. Новым, активно разрабатываемым способом переработки шелухи и скорлупных оболочек является производство биосорбентов, предназначенных для очистки воздуха и водных сред. Преимущество биосорбентов заключается в наличии функциональных групп, способных неселективно связывать ионы тяжелых металлов, что позволяет их активно использовать для очистки сточных вод с переменным составом. Применение ферментных препаратов является эффективным способом увеличения сорбционной способности природных материалов.

Цель работы – исследование сорбционных свойств и физико-химических характеристик сорбционных материалов, полученных путем биомодификации скорлупы грецкого ореха, и изучение механизма процесса адсорбции ионов тяжелых металлов на полученных биосорбентах.

Результаты. Установлено, что экспериментальные образцы полученных сорбционных материалов являются микропористыми сорбентами относительно поллютантов с размером частиц до 2 нм. Полученные значения термодинамических параметров (KL, А∞, ΔG, n, E) позволили установить химический механизм адсорбции для ионов Cu2+ и Zn2+ и смешанный — для ионов Cd2+ и Pb2+, что подтверждено результатами спектрального анализа полученного биосорбента и моделированием процесса адсорбции с использованием уравнений Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина–Радушкевича. Полученные значения средней свободной энергии адсорбции E (от 5 до 25 кДж/моль) также свидетельствуют в пользу химической природы взаимодействия адсорбата с сорбционным материалом и соответствуют средней свободной энергии адсорбции микропористых сорбентов. Спектральный анализ функциональных групп биополимерной матрицы сорбентов после окончания процесса сорбции показал наличие сдвига полос поглощения 3349 см-1 и 1369 см-1, что подтверждает координационные взаимодействия между ионами металлов и группами ‒OH и ‒COО‒ и указывает на протекание процесса хемосорбции.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют рекомендовать сорбционный материал из биомодифицированной скорлупы грецкого ореха для очистки от ионов тяжелых металлов промышленных сточных вод гальванических производств. Дальнейшие исследования будут направлены на исследование сорбционных свойств полученного сорбционного материала на образцах промышленных сточных вод.

Севастьянова А.Д., Базарнова Ю.Г. Сорбционные материалы из биомодифицированной скорлупы грецкого ореха // Технологии живых систем. 2026. T. 23. № 1. С. 87-97. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700997-202601-09

1. Гвоздик М.А., Кротова О.Е. Специфика процесса биоконверсии и технологии получения растительного сырья // Вестник науки. Т. 4. № 9 (78). 2024. С. 678–681.
2. Горбунова Т.Л., Гудкова Н.К., Туманова А.Л., Матова Н.И. Использование культуры микроводоросли Chlorella vulgaris в безотходном цикле производства первичной продукции традиционного крестьянского хозяйства с целью обеспечения его эффективности и экологичности, повышения уровня здоровья населения // Технологии живых систем. 2022. Т. 19. № 3. С. 73–81. DOI: 10.18127/j20700997-202203-08
3. Кадималиев Д.А., Шутова В.В., Ибрагимова С.А., Максимов Г.В. Особенности деградации лигноуглеводного комплекса древесины лиственных и хвойных пород грибом Lentinus (Panus) tigrinus // Технологии живых систем. 2016. Т. 13. № 2. С. 54–59.
4. Orhan Y., Buyukgungor H. The removal of heavy metals by using agricultural waste // Water Science and Technology. 1993.
   V. 28 (2). P. 247–255.
5. Feizi M., Jalali M. Removal of heavy metals from aqueous solutions using sunflower, potato, canola and walnut shell residues // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2015. V. 54. P. 125–136. DOI: 10.1016/j.jtice.2015.03.027
6. Патент RU 2503483 C2 Устройство и система для очистки отработанной воды / Ч. Фелч, М. Чаудешелл, С. Мансон и др. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/RU2503483C2/ru (Дата обращения 23.01.2024).
7. Патент RU 205031 U1 Сорбционный фильтр с регенерирующей системой / С.Ю. Андреев, Т.Б. Габдрахманов, К.Н. Гарипов и др. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/RU205031U1/ru (Дата обращения 23.01.2024).
8. Патент RU 2727192 C2 Способ извлечения уксусной кислоты из водных потоков / Д. Петерсон, С. Талрейа [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/RU2727192C2/ru (Дата обращения 23.01.2024).
9. Ерофеев В.А., Черкашина Н.И., Культенко Э.А. Природа функциональных групп после механической обработки растительных отходов и их взаимодействие с вредными компонентами в водной среде // Энергетические установки и технологии. 2018. Т. 4. № 2. С. 62–69.
10. Almasi A., Omidi M., Khodadadian M. et al. Lead (II) and cadmium (II) removal from aqueous solution using processed walnut shell: Kinetic and equilibrium study // Toxilogical and Environmental Chemistry. 2012. V. 94 (4). P. 660–671. DOI: 10.1080/02772248.2012.671328
11. Bozecka A., Bozecki P., Sanak-Rydlewska S. Study of chemical surface structure of natural sorbentsused for removing of Pb2+ ions from model aqueous solutions (Part II) // Archives of Mining Science. 2014. V. 59 (1). P. 217–223. DOI: 10.2478/amsc-2014-0015
12. Altun T., Pehlivan E. Removal of Cr (VI) from aqueous solutions by modified walnut shells // Food Chemistry. 2012. V. 132.
    P. 693–700. DOI: 10.1016/j.foodchem.2011.10.099
13. Banerjee M., Basu R.K., Das S.K. Cr (VI) adsorption by a green adsorbent walnut shell: Adsorption studies, regeneration studies, scale-up design and economic feasibility // Process Safety and Environmental Protection. 2018. V. 116. P. 693-702. DOI: 10.1016/j.psep.2018.03.037
14. Domingos I., Ferreira J. V., Cruz-Lopes L., Esteves B. Liquefaction and chemical composition of walnut shells // Open Agriculture. 2022. V. 7. P. 249–256. DOI: 10.1515/opag-2022-0072
15. Mehrasbi M.R., Farahmandkia Z., Taghibeigloo B., Taromi A. Adsorption of lead and cadmium from aqueous solution by using almond shells // Water Air Soil Pollut. 2009. V. 199. P. 343–351.
16. Karimi-Jashni A., Saadat S. Investigation of factors affecting removal of nickel by pre-treated walnut shells using factorial design and univariate studies // Iranian Journal of Science and Technology Transactions of Civil Engineering. 2014. V. 38(C1). P. 309–324. DOI: 10.22099/ijstc.2014.1872
17. Segovia-Sandoval S.J., Ocampo-Perez R., Berber-Mendoza M.S. et al. Walnut shell treated with citric acid and its application as biosorbent in the removal of Zn (II) // Journal of Water Process Engineering. 2018. V. 25. P. 45–53. DOI: 10.1016/j.jwpe.2018.06.007
18. Cao J., Lin J., Fang F. et al. A new absorbent by modifying walnut shell for the removal of anionic dye: Kinetic and thermodynamic studies // Bioresource Technology. 2014. V. 163. P. 199–205. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.04.046
19. Kusmierek K., Swiatkowski A. Removal of chlorophenols from aqueous solutions by sorption onto walnut, pistachio and hazelnut shells // Polish Journal of Chemical Technology. 2015. V. 17 (1). P. 23–31. DOI: 10.1515/pjct-2015-0005
20. Lu X., Rao T., Zhong L. Static absorption of Fe in simulated micro-polluted water by waste walnut shell powder // Environmental Pollution & Control (China). 2011. V. 1. P. 66–69.
21. Ding D., Lei Z., Yang Y. et al. Selective removal of cesium from aqueous solutions with nickel (II) hexacyanoferrate (III) functionalized agricultural residue-walnut shell // Journal of Hazardous Materials. 2014. V. 270. P. 187–195. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.01.056
22. Saadat S., Karimi-Jashni A. Optimization of Pb (II) adsorption onto modified walnut shells using factorial design and simplex methodologies // Chemical Engineering Journal. 2011. V. 173 (3). P. 743–749. DOI: 10.1016/j.cej.2011.08.042
23. Peng D., Ouyang F., Liang X. et al. Sorption of crude oil by enzyme-modified corn stalk vs. chemically treated corn stalk // Journal of Molecular Liquids. 2018. V. 255. P. 324–332. DOI: 10.1016/j.molliq.2018.01.178
24. Шумилова М.А., Петров В.Г. Адсорбционные модели для описания равновесия в системе арсенит-ион – почва // Теоретическая и прикладная экология. 2017. № 4. С. 32–38.
25. Кострюков С.Г., Матьякубовa Х.Б., Мастерова Ю.Ю. и др. Определение лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы в растительных материалах с помощью Ик-Фурье спектроскопии // Журнал аналитической химии. 2023. Т. 78. № 6. С. 496–506.
26. ГОСТ 4517-87 Методы приготовления вспомогательных реактивов и растворов, применяемых при анализе. М.: Стандартинформ. 2008. 35 с.
27. ГОСТ 12597-67 Сорбенты. Метод определения массовой доли воды в активных углях и катализаторах на их основе. М.: ИПК Издательство стандартов. 1967. 5 с.
28. ГОСТ 16190-70 Сорбенты. Метод определения насыпной плотности. М.: ИПК Издательство стандартов. 1970. 7 с.
29. ГОСТ 6217-74 Уголь активный древесный дробленый. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов. 2003. 7 с.
30. Севастьянова А.Д., Базарнова Ю.Г., Хохлов С.Ю. Биомодифицированные сорбционные материалы из скорлупы Juglans regia L. // Бутлеровские сообщения. 2024. Т. 77. № 1. C. 98–106. DOI: 10.37952/ROI-jbc-01/24-77-1-98