Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Химия : очистка вод от тяжелых металлов гуминовыми кислотами

Покупка
Артикул: 754382.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
В лабораторном практикуме рассмотрены вопросы, связанные с применением гуминовых веществ твердых горючих ископаемых для очистки водных растворов солей тяжелых металлов. Приведены сведения о составе гуминовых кислот и об их основных функциях в природе. Лабораторные работы, входящие в состав практикума, направлены на приобретение навыков экспериментальных исследований и работы на современных аналитических приборах. Для студентов направлений подготовки «Физические процессы горного или нефтегазового производства» и «Горное дело».
Химия : очистка вод от тяжелых металлов гуминовыми кислотами : практикум / И. М. Мейдель, С. А. Эпштейн, В. И. Минаев [и др.] ; под. ред. С. А. Эпштейн. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2014. - 29 с. - ISBN 978-5-87623-863-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1245952 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2548 

Кафедра общей и неорганической химии

 
 

Химия 

Очистка вод от тяжелых металлов  
гуминовыми кислотами 

Лабораторный практикум 

Под редакцией профессора С.А. Эпштейн 

Рекомендовать рукопись к опубликованию с грифом  
Учебно-методической комиссии в качестве учебного пособия  
для студентов направлений подготовки «Физические процессы 
горного или нефтегазового производства» и «Горное дело» 

Москва  2014 

УДК 546 
 
Х46 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук О.Н. Малинникова (ИПКОН РАН); 
д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник 

Авторы: И.М. Мейдель, С.А. Эпштейн, В.И. Минаев, В.Г. Нестерова, 
Н.Н. Добрякова 

Химия : очистка вод от тяжелых металлов гуминовыми кислотами : 
Х46 лаб. практикум / И.М. Мейдель [и др.] ; под ред. С.А. Эпштейн. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 29 с. 
ISBN 978-5-87623-863-4 

В лабораторном практикуме рассмотрены вопросы, связанные с применением гуминовых веществ твердых горючих ископаемых для очистки водных растворов солей тяжелых металлов. Приведены сведения о составе гуминовых кислот и об их основных функциях в природе. Лабораторные работы, входящие в 
состав практикума, направлены на приобретение навыков экспериментальных 
исследований и работы на современных аналитических приборах. 
Для студентов направлений подготовки «Физические процессы горного 
или нефтегазового производства» и «Горное дело». 

УДК 546 

ISBN 978-5-87623-863-4 
© Коллектив авторов, 2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение................................................................................................4 

Лабораторная работа 1. Способы определения выхода 
гуминовых кислот из твердых горючих ископаемых .......................7 

Лабораторная работа 2. Определение сорбционных свойств 
гуминовых кислот...............................................................................12 

Лабораторная работа 3. Определение элементного состава 
гуминовых кислот (C, H, N, S) ..........................................................17 

Лабораторная работа 4. Очистка вод от ионов тяжелых металлов 
гуминовыми кислотами в составе твердых горючих 
ископаемых .........................................................................................25 

 

Введение 

В последние десятилетия возросло внимание к использованию 
гуминовых кислот (ГК), входящих в состав твердых горючих ископаемых (ТГИ). Потенциальными источниками ГК являются бурые 
угли, лигниты, окисленные каменные угли, торф и сапропели. В самом общем случае состав и свойства ГК определяются исходным 
растительным материалом, условиями его накопления, первичного 
разложения и дальнейшего метаморфизма (для углей). Гуминовые 
кислоты являются полидисперсными аморфными азотсодержащими 
органическими веществами, включающими собственно гуминовые 
кислоты, как преимущественно высокомолекулярные компоненты, и 
фульвокислоты, как преимущественно низкомолекулярные компоненты, которые образуются в природных средах в результате неполного химического и биологического разложения растительных и животных осадков. ГК – это природные полимеры, но их молекулярное 
строение отличается резко выраженной гетерогенностью, нерегулярностью и большим набором структурных фрагментов, что явно отличает их от биоорганических молекул (лигнин), характерным для которых является сочетание однотипных структурных фрагментов и 
регулярность строения.  
Гуминовые кислоты представляют собой высокомолекулярные 
ароматические полиоксикарбоновые азотсодержащие кислоты. В их 
составе также содержатся неорганические компоненты: ионы кальция, магния, железа, алюминия и т.д., а также силикаты. Главными 
элементами ГК являются углерод, кислород, азот, водород и сера. ГК 
содержат преимущественно карбоксильные, гидроксильные и карбонильные функциональные группы в сочетании с ароматическими 
структурами, что обеспечивает способность ГК вступать в ионные и 
донорно-акцепторные реакции, образовывать водородные связи и обладать высокой сорбционной и комплексообразующей активностью. 
Имея высокую реакционную способность, гумусовые кислоты в 
свободном состоянии присутствуют в малых количествах и в основном представлены в почвах и в ТГИ тремя группами органоминеральных соединений. В первую группу входят простые гетерополярные соли, которые образуются при обменных реакциях водорода 
функциональных групп гумусовых кислот с катионами щелочных и 
щелочноземельных металлов. Образовавшиеся соли (фульваты и гуматы щелочных металлов и аммония и фульваты щелочноземельных 
металлов) хорошо растворимы в воде, поэтому в почвах не накапли
ваются. Во вторую группу входят комплексно-гетерополярные соли, 
образующиеся при взаимодействии неспецифических органических 
кислот и гумусовых кислот с поливалентными металлами. По этой 
схеме металл входит в анионную часть молекулы и связывает часть 
групп COOH и OH, которые не могут в дальнейшем обмениваться на 
катионы металлов. Установлено, что комплексно-гетерополярные 
соли могут взаимодействовать не только с катионами, но и с растворенными фосфатами, пестицидами, снижая их подвижность. В третью группу входят адсорбционные алюмо- и железогумусовые, кремнегумусовые и глиногумусовые комплексы. 
Важнейшими биогеохимическими функциями ГК, в терминологии проф. Д.С. Орлова, являются: 
1. Аккумулятивная функция. Сущность этой функции заключается в накоплении ГК важнейших элементов питания микроорганизмов 
и растений, а также органических соединений как источника углерода/энергии, усваиваемых ими в процессе роста и развития. 
2. Транспортная функция. Ее значение заключается в том, что основная геохимическая миграция катионов металлов, в том числе поступление в растения, происходит в виде их органических комплексов преимущественно с фульвокислотами. В то же время высокомолекулярная часть ГК настолько прочно связывает катионы металлов 
(за исключением щелочных металлов), что они становятся недоступными для миграции, в том числе для поступления в растения. 
3. Регуляторная функция. ГК определяют структуру почв, емкость 
катионного обмена, их теплофизический и водно-газовый режимы, 
регулируют поступление питательных веществ в растения, влияют на 
буферность почв и других природных объектов и на их способность 
нивелировать антропогенное воздействие, а также регулируют интенсивность протекания окислительно-восстановительных процессов. 
4. Протекторная функция. ГК эффективно защищают почвенную 
биоту и растительный покров от неблагоприятных климатических и 
экологических факторов, резко снижают или предотвращают водную 
и ветровую эрозию почв, снижают токсическое действие экотоксикантов путем эффективного связывания тяжелых металлов, в том 
числе радионуклидов, пестицидов, углеводородов нефти и нефтепродуктов, полициклических (бензапирен, антрацен и т.д.) и полихлорированных (дибензопарадиоксины, бифенилы и т.д.) соединений и т.д.  
5. Барьерная функция. ГК являются также эффективным биогеохимическим барьером на пути распространения как минеральных, 
так и органических токсикантов.  

6. Физиологическая функция. Высокая биологическая активность 
ГК, положительно влияющая на рост и развитие нативных микроорганизмов и растений. Биостимулирующее действие ГК заключается 
также в усилении метаболизма растений и ускорении фотосинтеза, 
приводящих к повышению содержания белков, жиров и углеводов в 
растительных клетках. 
Исходя из перечисленных функций, основные направления использования ГК, входящих в состав ТГИ: 
– получение стимуляторов роста растений для повышения плодородия сельскохозяйственных земель; 
– использование ГК для очистки техногенных грунтов и промышленных вод от токсикантов, в частности от ионов тяжелых и радиоактивных металлов; 
– использование ГК для получения широкого ассортимента биологически активных добавок; 
– получение углещелочных буровых и тампонажных растворов, 
присадок для производства цементов, пигментов и т.д. 
Использованию ГК для очистки техногенных грунтов и промышленных вод от токсикантов, в частности от ионов тяжелых и радиоактивных металлов, уделяется значительное внимание в мире. Одним 
из факторов, определяющих выбор сырья для производства таких 
реагентов, является выход ГК и их сорбционная активность по отношению к ионам тяжелых металлов. 
В твердых горючих ископаемых ГК находятся как в свободном, так и 
в связанном состояниях. Их выделяют из ТГИ путем щелочной экстракции с последующим осаждением избытком кислоты при pH 2. Для 
увеличения выхода ГК предложены различные способы, основанные на 
предварительном окислении, обработке давлением, химической, термической и механической активацией. Анализ литературных данных показал, что предварительная механическая активация повышает выход гуминовых кислот из ТГИ. Предлагается совмещать механическую и химическую активацию. В последнее время предлагается использовать ГК 
в составе природных горючих ископаемых, не выделяя их. Однако вопросы активации ГК в составе ТГИ должны решаться отдельно для разных видов ТГИ и конкретных задач по их применению. 
Работа выполнена в рамках «Проведения научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных 
научных исследований и экспериментальных разработок)» задания 
№ 2014/97 на выполнение государственных работ в сфере научной 
деятельности в рамках базовой части государственного задания. 

Лабораторная работа 1 

СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА 
ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ИЗ ТВЕРДЫХ 
ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ 

1.1. Цель работы 

Определение выхода свободных и общих гуминовых кислот. 

1.2. Теоретическое введение 

Гуминовые кислоты (ГК) – группа темноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и нерастворимых в кислотах. 
Гуминовые кислоты – органические вещества, извлекаемые из 
природных продуктов (торф, бурый уголь, каменный уголь) водными 
растворами щелочей. Это сложная смесь соединений разного состава, свойств и строения, переходящая в воду из природных продуктов, 
таких как торф, бурый уголь, каменный уголь. Гуминовые кислоты 
влияют на органолептические свойства воды (запах, цвет), ускоряют 
коррозию металла, оказывают отрицательное влияние на развитие 
водных микроорганизмов, влияют на химический состав воды (снижают содержание кислорода, влияют на ионные и фазовые равновесия). При нейтрализации образующихся при этом растворов солей 
(гуматов) ГК выпадают в виде темноокрашенного объемистого осадка. 
Из осадка могут быть выделены фульвокислоты, которые переходят в 
водный раствор после его подкисления (15 % в торфах и до 45 % в 
окисленных углях). 
Выход ГК – показатель, который определяют для общей химикогенетической оценки вещественного состава углей, для характеристики бурых углей, для оценки степени окисленности каменных углей и для оценки углей как сырья для производства углещелочных 
реагентов и гуминовых удобрений. 
Гуминовые кислоты объединены в отдельную группу веществ на 
основе их общего свойства – способности растворяться в растворах 
щелочей и выпадать в осадок при подкислении этих растворов. Гуминовые кислоты составляют значительную часть органической массы бурых углей, их выход колеблется от 2 до 88 %. По химической 
природе гуминовые кислоты представляют собой смесь веществ, об
ладающих свойствами кислот за счет того, что в их структуре имеются кислотные функциональные группы (карбоксильные группы 
СООН– и фенольные группы ОН–). Как типичные кислоты, ГК при 
взаимодействии с основаниями образуют соли – гуматы, из которых 
только гуматы натрия, калия и аммония растворимы в воде. В угле 
часть функциональных групп ГК находится в Н+-форме, в них водород в СООН– и ОН– группах не замещен на катион. Другая часть находится в виде гуматов – нерастворимых солей кальция, магния, бария, алюминия, в основном кальция. 
Гуминовые кислоты и их соли обладают общим свойством, на котором основан метод выделения ГК, – способностью к обмену катионами. При обработке угля раствором щелочи происходит замещение протона Н+ свободных функциональных групп на ион Na+ или 
K+ и одновременно обмен катионов в гуматах на Na+ или K+. По мере 
образования гуматы натрия и калия переходят в раствор. Обмен катионов – процесс медленный и протекает до равновесия в системе 

 
Гум Са +Na+ 
<=> Гум Na + Са2+. 

Для ускорения обменов катионов в качестве экстрагента используют щелочной раствор пирофосфата натрия Na4P2O7. В результате 
реакции обмена образуется нерастворимый в воде и щелочи пирофосфат кальция Сa2P2O7, поэтому реакция обмена становится необратимой и протекает практически в одном направлении с достаточной скоростью. 
В соответствии с принятыми на практике методами определения выхода ГК были введены понятия о свободных и общих гуминовых кислотах. 
Свободные гуминовые кислоты – это ГК, извлекаемые из углей 
раствором гидроксида натрия. 
Общие гуминовые кислоты – это ГК, извлекаемые из углей экстракцией щелочным раствором пирофосфата натрия с последующей 
экстракцией раствором гидроксида натрия. 
Для изучения углей применяют различные методы определения 
выхода ГК. В настоящее время основными являются методы, предусмотренные в ГОСТ 9517–94 (ИСО 5073:1985) «Топливо твердое. 
Методы определения выхода гуминовых кислот». 

1.3. Подготовка к анализу 

Для анализа используют реактивы квалификации ч.д.а., дистиллированную воду. 

Гидроксид натрия, 1%-ный раствор: растворяют 10 г гидроксида 
натрия в воде и доводят до 1000 см3. 
Пирофосфат натрия (Na4P2O7 ⋅ 10 ⋅ Н2О) щелочной раствор: 44,6 г 
кристаллического декагидрата пирофосфата натрия и 4 г гидроксида 
натрия растворяют в 1000 см3. 
Кислота соляная, 5%-ный раствор (по объему). 

1.4. Методика определения выхода общих 
гуминовых кислот 

Экстракция гуминовых кислот 

Навеску аналитической пробы твердого минерального топлива массой около 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 250 см3, 
добавляют 100 см3 щелочного раствора пирофосфата натрия и перемешивают в течение 1 ч с помощью механического встряхивателя. 
Затем полученную суспензию центрифугируют в течение 15 мин при 
2000 с–1. Раствор декантируют и собирают в коническую колбу вместимостью 1000 см3. Нерастворившийся остаток промывают 2 раза 100 см3 
раствора гидроксида натрия. Центрифугируют суспензию после каждого промывания и продолжают собирать промывной раствор в колбу.  
Промытый остаток переносят в другую колбу, добавляют 100 см3 
раствора гидроксида натрия и нагревают в течение 2 ч на кипящей 
водяной бане. После охлаждения до комнатной температуры содержимое колбы центрифугируют в течение 15 мин при 2000 с–1. Раствор декантируют и собирают в колбу с уже собранным ранее промывным раствором. Нерастворившийся остаток промывают 2 раза 
100 см3 раствора гидроксида натрия. Центрифугируют суспензию 
после каждого промывания и продолжают собирать промывной раствор в колбу. 

Осаждение гуминовых кислот 

Промывной раствор фильтруют в мерную колбу вместимостью 
1000 см3 и доводят до метки дистиллированной водой. Затем отбирают 
100 см3 фильтрата, переносят в стакан, после чего добавляют 60 см3 
5 %-ного раствора соляной кислоты для осаждения ГК. Полученную 
суспензию центрифугируют или фильтруют и отделяют раствор декантацией. Осадок ГК промывают водой до появления слабой желтой окраски (образование геля или коллоида). К полученной суспензии добавляют 5 см3 раствора соляной кислоты для дополнительного 

осаждения ГК. После чего суспензию фильтруют через беззольный 
фильтр, заранее высушенный в сушильном шкафу до постоянной 
массы при (90 ± 5) ºС. Фильтр с осадком помещают во взвешенный 
бюкс и сушат при (90 ± 5) ºС в течение 1 ч. Затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Контрольные высушивания проводят до тех 
пор, пока разность последовательных взвешиваний будет не более 
0,001 г. Массу осадка определяют, учитывая массу бюкса и фильтра. 
Высушенный фильтр помещают в предварительно взвешенный 
тигель и озоляют в муфельной печи в течение 1–2 ч при температуре 
(600 ± 25) ºС. Затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Контрольные 15-минутные прокаливания проводят до тех пор, пока разность последовательных взвешиваний будет не более 0,001 г. После 
чего вычисляют массу осадка. 

1.5. Методика определения выхода свободных 
гуминовых кислот 

Навеску аналитической пробы твердого минерального топлива 
массой около 2 г помещают в коническую колбу, добавляют 100 см3 
1%-ного раствора гидроксида натрия и нагревают 2 ч на кипящей 
водяной бане. После охлаждения суспензию центрифугируют в течение 15 мин при 2000 с–1. Раствор декантируют, собирая в колбу, а 
остаток промывают 2 раза 100 см3 1%-ного раствора гидроксида натрия. После чего снова центрифугируют, собирая промывной раствор. 
Затем полученный щелочной раствор фильтруют в мерную колбу 
вместимостью 500 см3 и доводят до метки водой. Отбирают 100 см3 
фильтрата, переносят в стакан и добавляют 60 см3 соляной кислоты. 
Дальнейшую обработку суспензии проводят по методике определения выхода общих ГК. 

1.6. Обработка результатов 

Выход общих гуминовых кислот из аналитической пробы (НА)а
t, 
%, вычисляют по формуле 

 
1
2

1

(
)
(НА)
100,
a
t
V
m
m
V m
⋅
−
=
⋅
⋅
 

где V – общий объем щелочного раствора, см3;  
m1 – масса сухих гуминовых кислот, г; 
m2 – масса золы гуминовых кислот, г; 

V1 – объем аликвоты щелочного раствора, взятой для осаждения 
гуминовых кислот, см3; 
m – масса навески угля, г. 

Литература 

ГОСТ 9517–94 (ИСО 5073–85) «Топливо твердое. Методы определения выхода гуминовых кислот». 
Стандартные методы испытания углей / И.В. Авгушевич, Т.М. Броновец, Г.С. Головин, Е.И. Сидорук. М., 2008. 

Контрольные вопросы 

1. Что такое гуминовые кислоты? 
2. Что такое общий выход гуминовых кислот? 
3. Как определяется выход свободных гуминовых кислот? 
4. В чем сущность пирофосфатного метода определения гуминовых кислот? 
 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину