DOI: https://doi.org/10.20535/2617-9741.2.2020.208327

Сорбційні властивості органосольвентного лігніну щодо метиленового синього

Віта Василівна Галиш, Ніна Валеріївна Соколовська, Аліна Анатоліївна Ніколайчук, Ірина Віталіївна Трембус

Анотація


Залучення вторинної сировини у вигляді рослинних відходів та побічних продуктів переробки рослинної сировини до вирішення проблем забруднення навколишнього середовища розглядається як перспективний напрямок вченими багатьох країн світу. Мета роботи – дослідження структури та сорбційних властивостей лігніну як побічного продукту органосольвентної делігніфікації соломи пшениці. В роботі як вихідну сировину використовували лігнін, осаджений з відрацьованого варильного розчину окисно-органосольвентної делігніфікації соломи пшениці. Для дослідження структури та властивостей одержаного лігніну використовували різні методи аналізу, включаючи гравіметричний, спектроскопію, мікроскопію. Сорбційну здатність матеріалу щодо метиленового синього вивчали з використанням модельних розчинів та спектрофотометричного способу для визначення концентрацій барвника.

Дослідження зразка за допомогою методу інфрачервоної спектроскопії та скануючої електронної мікроскопії показало, що органосольвентний лігнін представляє собою високодисперсний матеріал з частинкамии різної форми та розміру, і містить у своєму складі незначну кількість полісахаридів, загальний об’єм пор такого матеріалу складає 0,431 см3/г. Сорбційну здатність лігніну щодо метиленового синього досліджували як функцію від рН водного розчину барвника, його початкової концентрації та тривалості процесу. Показано, що сорбційна ємність в значній мірі залежить від рН середовища і збільшується зі зміною рН від 3 до 6. Однак подальше збільшення рН не призводить до зміни вказаного показника. Така залежність сорбційної здатності пов’язана з властивістю поверхні рослинного матеріалу змінювати заряд від позитивного в кислому середовищі до негативного в нейтральному та лужному, завдяки наявності оксигенмістних функціональних груп (в основному фенольні та аліфатичні гідроксили), що здатні легко протонізуватися та депротонізуватися при різних значеннях рН. Кінетика поглинання барвника при цьому є досить швидкою і сорбційна рівновага досягається протягом перших 120 хв контакту. З метою вивчення кінетики сорбції були застосовані моделі псевдо-першого та псевдо-другого порядку та внутрішньомолекулярної дифузії. У порівнянні з кінетичною моделлю псевдо-першого порядку (R2 = 0,985) та внутрішньомолекулярноїї дифузії (R2 = 0,856) кінетична модель псевдо-другого порядку (R2 = 0,999) краще описує кінетику сорбції і свідчить про те, що фіксація барвника на поверхні матеріалу відбувається із залученням різних механізмів. Для дослідження адсорбційної рівноваги при сорбції метиленового синього використовували модельні розчини з початковими концентраціями барвника від 30 до 500 мг/л. Встановлено, що за початкової концентрації метиленового синього у розчині нижче 100 мг/л сорбційна ємність зростає лінійно зі збільшенням початкової концентрацій. Потім збільшення сорбційної ємності відбувається більш повільно. Максимальна сорбційна здатність складає 44,7 мг/г. У випадку ізотерми адсорбції, рівняння Ленгмюра (R2 = 0,996) є більш придатним, ніж рівняння Фрейндліха (R2 = 0,955), для опису процесу поглинання катіонного барвника і свідчить про те, що адсорбція є моношаровою.

Загалом, показано, що органосольветний лігнін з соломи пшениці за сорбційною ємністю дещо перевищує ораганосльвентний лігнін з іншої рослинної сировини. Створення нових дешевих та ефективних матеріалів є актуальним завданням для науковців. Розробка нових ресурсозберігаючих технологій задля вирішення проблем забруднення навколишнього середовища є пріоритетним напрямком розвитку хімічних технологій та екології у всьому світі. Для України це є особливо актуальним, оскільки ефективна переробка рослинних відходів сільського господарства із залученням екологічно безпечних технологій дозволить забезпечити потреби багатьох галузей вітчизняної промисловості та поліпшити стан навколишнього середовища. Перспективним є подальше дослідження структури органосольвентного лігніну для визначення вмісту різних функціональних груп та визначення придатності його використання для поглинання з водних розчинів йонів важких металів.


Ключові слова


лігнін; сорбент; метиленовий синій; ізотерма; кінетика

Повний текст:

PDF

Посилання


Rajeswari T.R., Sailaja N. Impact of heavy metals on environmental pollution // Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences, 2014. № 3. P. 117–181.

Fazzo L., Minichilli F., Santoro M., Ceccarini A., Seta M.D., Bianchi F., Comba P., Martuzzi M. Hazardous waste and health impact: a systematic review of the scientific literature // Environmental Health, 2017. № 16. Р. 107.

Gupta V.K., Nayak A., Agarwal S. Bioadsorbents for remediation of heavy metals: Current status and their future prospects // Environmental Engineering Research, 2015. № 20. Р. 1–18.

Kartel M., Galysh V. New composite sorbents for caesium and strontium ions sorption // Chemistry Journal of Moldova, 2017. № 12. Р. 45–54.

Ковальчук А., Почечун Т., Галиш В., Трус І. Фосфорилювання шкаралуп волоських горіхів для підвищення ефективності очищення водних розчинів // Технічні науки та технології, 2018. 2(12). С. 236–244.

Sixta H., Potthast A., Krotschek A.W. Chemical Pulping Processes: Handbook of Pulp / Ed. by Herbert Sixta. – Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2006. – 1291 p.

Tomani P. The Lignoboost process // Cellulose Chemistry and Technology, 2010. 44 (1–3). Р. 53–58.

Gierer J. The reactions of lignin during pulping – A description and comparison of conventional pulping processes // Svensk Papperstidning, 1970. 73 (18). Р. 571–596.

Sazanov Yu.N., Kostereva T.A., Kulikova E.M., Fedorova G.N., Krutov S.M., Ipatova E.V. New ways for fragmentation of hydrolysis lignin // Russian Chemical Bulletin, 2014. № 63. Р. 2051–2055.

Mahmood N., Yuan Z., Schmidt J., Xu C. Hydrolytic depolymerization of hydrolysis lignin: Effects of catalysts and solvents // Bioresource Technology, 2015. № 190. Р. 416–419.

Pan X., Arato C., Gilkes N., Gregg D., Mabee W., Pye K., Xiao Z., Zhang X., Saddler J. Biorefining of softwood using ethanol organosolv pulping: preliminary evaluation of process streams for manufacture of fuel-grade ethanol and coproducts // Biotechnology and Bioengineering, 2005. 90 (4). Р. 473–481.

Mimini V., Sykacek E., Hashim S.N.A.S., Holzweber J., Hettegger H., Fackler K., Potthast A., Mundigler N., Rosenau T. Compatibility of Kraft Lignin, Organosolv Lignin and Lignosulfonate With PLA in 3D Printing // Journal of Wood Chemistry and Technology, 2019. № 0. Р. 1–17.

Kham L., Le Bigot Y., Delmas M., Avignon G. Delignification of wheat straw using a mixture of carboxylic acid and peroxoacids // Industrial Crops and Products, 2005. № 21. P. 9–15.

Kootstra A.M.J., Beeftink H.H., Scott E.L., Sanders J.P.M. Comparison of dilute mineral and organic acid pretreatment for enzymatic hydrolysis of wheat straw // Biochemical Engineering Journal, 2009. № 46. Р. 126–131.

Trembus I.V., Sokolovska N.V., Halysh V.V., Nosachova J.V., Overchenko Т.А. Low-temperature method for manufacturing of cellulose from wheat straw // Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 2019. № 1. Р. 116–122.

Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники, 1976. – 511 с.

Azizian S. Kinetic models of sorption: a theoretical analysis // Journal of Colloid and Interface Science, 2004. № 276. Р. 47–52.

Weber W.J., Morris J.C. Kinetics of adsorption on carbon from aqueous solutions // Journal of the Sanitary Engineering Division, 1963. № 89. P. 31–60.

Sammons R.J., Harper D.P., Labbé N., Bozell J.J., Elder T., Rials T.G. Characterization of Organosolv Lignins using Thermal and FT-IR Spectroscopic Analysis // BioResources, 2013. 8(2). Р. 2752–2767.

Dörrstein J., Scholz R., Schwarz D., Schieder D., Sieber V., Walther F., Zollfrank C. Dataset on the structural characterization of organosolv lignin obtained from ensiled Poaceae grass and load-dependent molecular weight changes during thermoplastic processing // Data in Brief. 2018, № 17. P. 647–652.

Köhnke J., Gierlinger N., Mateu B.P., Unterweger C., Solt P., Mahler A.K., Schwaiger E., Liebner F., Gindl-Altmutter W. Comparison of four technical lignins as resource for electrically conductive carbon particleю // Bioresources, 2019. 14(1). P. 1091–1109.

Fathy N.A., El-Shafey O.I., Khalil L.B. Effectiveness of Alkali-Acid Treatment in Enhancement the Adsorption Capacity for Rice Straw: The Removal of Methylene Blue Dye // Physical Chemistry, 2013. Article ID 208087.

Liu L., Gao Z.L., Su X.P., Chen X., Jiang L., Yao J.M. Adsorption Removal of Dyes from Single and Binary Solutions Using a Cellulose-based Bioadsorbent // ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2015. № 3. P. 432–442.

Zhang S., Wang Z., Zhang Y., Pan H., Tao L. Adsorption of Methylene Blue on Organosolv Lignin from Rice Straw // Procedia Environmental Sciences, 2016. № 31. P. 3–11.




ISSN: 2617-9741 (Print); ISSN: 2664-1763 (Online)