Food Processing: Techniques and Technology Food Processing: Techniques and Technology Техника и технология пищевых производств 2074-9414 2313-1748 84864 10.21603/2074-9414-2024-2-2516 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ ORIGINAL ARTICLE ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ Removing Excess Iron from Sewage and Natural Waters: Selecting Optimal Sorbent Выбор сорбента для элиминации ионов железа из сточных и природных вод https://orcid.org/0000-0002-4103-8780 Иванова Людмила Анатольевна Ivanova Ludmila A. lyuda_ivan@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-1349-2812 Тимощук Ирина Вадимовна Timoshchuk Irina V. irina_190978@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-3782-2521 Горелкина Алена Константиновна Gorelkina Alena K.

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-0673-0747 Михайлова Екатерина Сергеевна Mikhailova Ekaterina S. https://orcid.org/0000-0002-2188-8331 Голубева Надежда Сергеевна Golubeva Nadezhda S. https://orcid.org/0000-0002-3542-786X Неверов Евгений Николаевич Neverov Evgeniy N. neverov42@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 https://orcid.org/0009-0001-4883-0340 Утробина Тамара Александровна Utrobina Tamara A. Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation 03 07 2024 03 07 2024 54 2 398 411 08 04 2024 04 06 2024 https://fptt.ru/en/issues/22705/22695/

Тяжелые металлы, такие как железо, являются распространенным компонентом природных и сточных вод. Результаты мониторинговых исследований свидетельствуют о загрязнении подземных вод железом до 30 ПДК вблизи разработок рудных месторождений и карьеров, поскольку этот элемент входит в состав горных пород и почв и вымывается при контакте с водой. Наиболее эффективным и экономически целесообразным методом доочистки природных и сточных вод от ионов железа является адсорбция. Выбор типа адсорбента играет существенную роль в эффективности процесса адсорбции. Цель работы заключалась в выборе наиболее подходящего сорбционного материала для элиминации воды от ионов железа и установлении закономерностей и механизма процесса адсорбции на сорбентах с различными свойствами для создания экологически безопасных и эффективных технологий адсорбционной очистки. Объектами исследования являлись несколько типов сорбентов, таких как сорбент из углеродистого материала марки СКД-515, сорбционные материалы минерального происхождения АС на основе алюмосиликата и сорбент ОДМ-2Ф на основе осадочной горной породы опоки. Пористую структуру материалов изучали методом порометрии, получение изображений поверхности образца – методом сканирующей электронной микроскопии. Провели исследование равновесия, кинетики и динамики процесса адсорбции железа на сорбентах различной природы. Для расчета основных адсорбционных параметров использовали уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра. Рассчитанные величины энергии Гиббса по уравнению Ленгмюра составили 11,93–20,66 кДж/моль, что свидетельствует о физическом характере процесса адсорбции. Исследование свойств сорбентов в статических условиях свидетельствует об их высокой адсорбционной ёмкости по отношению к железу и позволяет расположить их по эффективности извлечения в ряд АС > СКД-515 > ОДМ-2Ф, что связано с различной структурой материалов. Адсорбция железа протекает в микропорах для СКД-515 и мезопорах для сорбентов АС и ОДМ-2Ф. Изучение кинетики извлечения ионов железа позволило сделать вывод о том, что процесс адсорбции лимитируется внешним массопереносом. Полученные результаты дают новое понимание механизма адсорбции ионов железа на сорбционных материалах различной структуры, подкрепленное изображениями, которые получили методом сканирующей электронной микроскопии. В динамических условиях исследовали влияние таких параметров, как начальная концентрация, скорость потока и высота слоя загрузки на время непрерывной работы адсорбционной колонны. Система показала эффективную работу, достигнув 99,0 % извлечения ионов Fe3+ при следующих условиях: скорость потока 1 л/мин, высота слоя загрузки колонны 0,15 м, диаметр колонны 0,05 м, начальная концентрация 0,5 мг/л (5 ПДК). Также работу колоны тестировали при начальной концентрации ионов железа 50 ПДК, моделируя очистку сточных вод промышленных предприятий. Комплексное исследование адсорбции ионов Fe3+ из сточных вод показало эффективную очистку при использовании сорбента марки АС.

Natural waters and wastewaters often contain heavy metals, e.g., iron. Iron ore mining contaminates groundwater with iron up to 30 maximal permissible concentrations (MPC) as this element gets washed out from rock and soil. Adsorption is the most effective and economically feasible method of additional purification of natural and wastewater from iron. Its efficiency depends on the type of adsorbent. The research objective was to select the most efficient sorption material to eliminate water from iron, as well as to establish the adsorption patterns for different sorbents, thus creating sustainable and effective purification. The study featured carbonaceous sorbent of the SKD-515 grade, mineral sorption materials with aluminosilicate of the AC grade, and silicate-based sorbent of the ODM-2F grade. The porous structure was studied by porometry methods while the surface image was obtained using scanning electron microscopy. Other indicators included equilibrium, kinetics, and dynamics of iron adsorption by various sorbents. The Freundlich and Langmuir equations made it possible to calculate the key adsorption parameters. The Gibbs energy values were obtained from the Langmuir equation and equaled 11.93–20.66 kJ/mol, which indicated the physical nature of the adsorption process. Under static conditions, the sorbents demonstrated a high adsorption capacity with respect to iron, depending on the structure, and could be arranged as AC > SKD-515 > ODM-2F. In SKD-515, iron adsorption occurred in micropores; in AC and ODM-2F, it took place in mesopores. The kinetics of iron extraction showed that the adsorption process was limited by external mass transfer. The research provided a new understanding of iron adsorption by materials of various structures. The conclusions were supported by scanning electron microscopy images. Initial concentration, flow velocity, and loading layer height were studied in dynamics, i.e., during continuous operation of the adsorption column. The system proved extremely effective and reached 99.0% Fe3+ extraction under the following conditions: flow rate = 1 L/min, loading column height = 0.15 m, column diameter = 0.05 m, initial concentration = 0.5 mg/L (5 MPC). The column performance was tested at an initial concentration of iron ions of 50 MPC, which simulated the wastewater treatment at industrial enterprises. This comprehensive study of iron adsorption from wastewater proved the efficiency of the mineral sorption materials with aluminosilicate of AC grade.

 Ресурсориентированный регион адсорбция сорбенты активные угли железо сточные воды степень очистки Resource-oriented region adsorption sorbents activated carb ons iron wastewater surface watercourses Исследование выполнено в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи полезных ископаемых, обеспечения про- мышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при после- довательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распо- ряжением Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 г. № 1144-р, при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки России), № соглашения 075-15-2022-1201 от 30.09.2022 г. The research was part of the comprehensive research and technical program of complete innovative cycle “Development and implementation of technological complexes in mineral exploration and extraction that ensure industrial safety and bioremediation, as well as provide new deep-processed coal products with consecutive amelioration of environmental and life hazards”, Decree No. 1144-r of the Government of the Russian Federation, Dec. 11 , 2022, Contract No. 075-15-2022-1201, Sep. 30, 2022.

Калюкова Е. Н., Письменко В. Т., Иванская Н. Н. Адсорбция катионов марганца и железа природными сорбентами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т. 10. № 2. С. 194–198. https://elibrary.ru/MUEQSJ Kaljukova EN, Pismenko VT, Ivanskaya NN. Adsorption of manganese and iron cations by natural sorbents. Sorption and Chromatography Processes. 2010;10(2):194–198. (In Russ.). https://elibrary.ru/MUEQSJ Bibanaeva SA, Skachkov VM. Sorption of heavy metals from aqueous solutions with synthetic zeolites. Physical and Chemical Aspects of the Study of Custers, Nanostructures and Nanomaterials. 2023;(15):924–929. (In Russ.). https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.924; https://elibrary.ru/SWCQJA Bibanaeva SA, Skachkov VM. Sorption of heavy metals from aqueous solutions with synthetic zeolites. Physical and Chemical Aspects of the Study of Custers, Nanostructures and Nanomaterials. 2023;(15):924–929. (In Russ.). https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.924; https://elibrary.ru/SWCQJA Полещук И. Н., Пинигина И. А., Созыкина Е. С. Извлечение ионов железа (III) из водных растворов модифицированными природными сорбентами // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 3–2. С. 227–231. https://elibrary.ru/ZEKOVN Poleshchuk IN, Pinigina IA, Sozykina ES. Extracting ions of iron (III) from aqueous solutions by natural sorbents modified. Modern High Technologies. 2019;(3–2):227–231. (In Russ.). https://elibrary.ru/ZEKOVN Chakraborty R, Asthana A, Singh AK, Jain B, Susan ABH. Adsorption of heavy metal ions by various low-cost adsorbents: A review. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2020;102(2):342–379. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1722811 Chakraborty R, Asthana A, Singh AK, Jain B, Susan ABH. Adsorption of heavy metal ions by various low-cost adsorbents: A review. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2020;102(2):342–379. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1722811 Kochkarev PV, Koshurnikova MA, Sergeyev AA, Shiryaev VV. Trace elements in the meat and internal organs of the mountain hare (Lepus timidus L., 1758) in the North of the Krasnoyarsk region. Food Processing: Techniques and Technology. 2023;53(2):217–230. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-2-2436 Kochkarev PV, Koshurnikova MA, Sergeyev AA, Shiryaev VV. Trace elements in the meat and internal organs of the mountain hare (Lepus timidus L., 1758) in the North of the Krasnoyarsk region. Food Processing: Techniques and Technology. 2023;53(2):217–230. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-2-2436 Kaledin AP, Stepanova MV. Bioaccumulation of trace elements in vegetables grown in various anthropogenic conditions. Foods and Raw Materials. 2023;11(1):10–16. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-551 Kaledin AP, Stepanova MV. Bioaccumulation of trace elements in vegetables grown in various anthropogenic conditions. Foods and Raw Materials. 2023;11(1):10–16. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-551 Islam MS, Mustafa RA. Assessment of trace elements in canned fish and health risk appraisal. Foods and Raw Materials. 2023;11(1):43–56. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-554 Islam MS, Mustafa RA. Assessment of trace elements in canned fish and health risk appraisal. Foods and Raw Materials. 2023;11(1):43–56. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-554 Tarasevich YuI, Goncharuk VV, Polyakov VE, Krysenko DA, Ivanova ZG, Aksenenko EV, et al. Efficient technology for the removal of iron and manganese ions from artesian water using clinoptilolite. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2012;18(4):1438–1440. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.02.004 Tarasevich YuI, Goncharuk VV, Polyakov VE, Krysenko DA, Ivanova ZG, Aksenenko EV, et al. Efficient technology for the removal of iron and manganese ions from artesian water using clinoptilolite. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2012;18(4):1438–1440. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.02.004 Фильтрующий материал для очистки воды от железа, марганца и сероводорода / В. Ч. Гончиков [и др.] // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. № 3. С. 37–40. https://elibrary.ru/oxjtbn Gonchikov VCh, Gubaydulina TA, Kaminskaya OV, Apkarʹyan AS. Filter material for purifying water from iron, manganese, and hydrogen sulfide. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2012;320(3):37–40. (In Russ.). https://elibrary.ru/oxjtbn Krasnova TA, Belyaeva EE, Belyaeva OV, Gora NV, Ivanova LA. The use of carbon sorbents to remove manganese from aqueous media. Water Supply and Sanitary Technique. 2022;(7):18–24. (In Russ.). https://doi.org/10.35776/VST.2022.07.03; https://elibrary.ru/OPPBQZ Krasnova TA, Belyaeva EE, Belyaeva OV, Gora NV, Ivanova LA. The use of carbon sorbents to remove manganese from aqueous media. Water Supply and Sanitary Technique. 2022;(7):18–24. (In Russ.). https://doi.org/10.35776/VST.2022.07.03; https://elibrary.ru/OPPBQZ Diaz-Alarcón JA, Alfonso-Pérez MP, Vergara-Gómez I, Díaz-Lagos M, Martínez-Ovalle SA. Removal of iron and manganese in groundwater through magnetotactic bacteria. Journal of Environmental Management. 2019;249:109381. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109381 Diaz-Alarcón JA, Alfonso-Pérez MP, Vergara-Gómez I, Díaz-Lagos M, Martínez-Ovalle SA. Removal of iron and manganese in groundwater through magnetotactic bacteria. Journal of Environmental Management. 2019;249:109381. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109381 Du X, Yang W, Liu Y, Zhang W, Wang Z, Nie J, et al. Removal of manganese, ferrous and antibiotics from groundwater simultaneously using peroxymonosulfate-assisted in-situ oxidation/coagulation integrated with ceramic membrane process. Separation and Purification Technology. 2020;252:1174921. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117492 Du X, Yang W, Liu Y, Zhang W, Wang Z, Nie J, et al. Removal of manganese, ferrous and antibiotics from groundwater simultaneously using peroxymonosulfate-assisted in-situ oxidation/coagulation integrated with ceramic membrane process. Separation and Purification Technology. 2020;252:1174921. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117492 Du X, Liu G, Qu F, Li K, Shao S, Li G, et al. Removal of iron, manganese and ammonia from groundwater using a PAC-MBR system: The anti-pollution ability, microbial population and membrane fouling. Desalination. 2017;403:97–106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.03.002 Du X, Liu G, Qu F, Li K, Shao S, Li G, et al. Removal of iron, manganese and ammonia from groundwater using a PAC-MBR system: The anti-pollution ability, microbial population and membrane fouling. Desalination. 2017;403:97–106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.03.002 Yakovleva AA, Nguyen TT. To the question of the barrier qualities of the sands of northern and central Vietnam. Sorption of iron (III) ions. Russian Journal of General Chemistry. 2020;64(2):80–84. (In Russ.). https://doi.org/10.6060/rcj.2020642.12; https://elibrary.ru/PFGXVX Yakovleva AA, Nguyen TT. To the question of the barrier qualities of the sands of northern and central Vietnam. Sorption of iron (III) ions. Russian Journal of General Chemistry. 2020;64(2):80–84. (In Russ.). https://doi.org/10.6060/rcj.2020642.12; https://elibrary.ru/PFGXVX Yakovleva AA, Nguyen TT, Nguyen TH. Some kinetic models of the sorption iron (III) ions on the surface of river sand from Vietnam. Modern Technologies and Scientific and Technological Progress. 2020;1(7):97–98. (In Russ.). https://doi.org/10.36629/2686-9896-2020-1-97-98; https://elibrary.ru/AJAQVY Yakovleva AA, Nguyen TT, Nguyen TH. Some kinetic models of the sorption iron (III) ions on the surface of river sand from Vietnam. Modern Technologies and Scientific and Technological Progress. 2020;1(7):97–98. (In Russ.). https://doi.org/10.36629/2686-9896-2020-1-97-98; https://elibrary.ru/AJAQVY Михневич Э. И., Пропольский Д. Э. Анализ методов обезжелезивания воды и условия их применения // Мелиорация. 2017. № 2. С. 59–65. https://elibrary.ru/WIAHJY Mikhnevich EI, Propolsky DE. Methods of deironing of water, analysis and condition of their use. Land Reclamation. 2017;(2):59–65. (In Russ.). https://elibrary.ru/WIAHJY Полещук И. Н., Пинигина И. А., Созыкина Е. С. Извлечение ионов железа (III) из водных растворов природными сорбентами // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 3–1. С. 65–69. https://elibrary.ru/ZDHTVR Poleshchuk IN, Pinigina IA, Sazykina ES. Extracting ions of iron (III) from aqueous solutions by natural sorbents. Modern High Technologies. 2019;(3–1):65–69. (In Russ.). https://elibrary.ru/ZDHTVR Lysenko АV, Molokoedova ТA, Sokolova YuV. Sotherms of the sorption of FE2+, FE3+ ions by industrial waste from aqueous solutions. Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(2):235–249. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-235-249; https://elibrary.ru/BQFDOQ Lysenko AV, Molokoedova TA, Sokolova YuV. Sotherms of the sorption of FE2+, FE3+ ions by industrial waste from aqueous solutions. Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(2):235–249. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-235-249; https://elibrary.ru/BQFDOQ Krasnova TA, Gora NV, Belyaeva OV, Gorelkina AK, Golubeva NS, Timoshchuk IV. The use of semi-coke for phenol removal from aqueous solutions. Carbon Letters. 2021;31:1023–1032. https://doi.org/10.1007/s42823-020-00216-z Krasnova TA, Gora NV, Belyaeva OV, Gorelkina AK, Golubeva NS, Timoshchuk IV. The use of semi-coke for phenol removal from aqueous solutions. Carbon Letters. 2021;31:1023–1032. https://doi.org/10.1007/s42823-020-00216-z Parfitt GD, Rochester CH. Adsorption from solution at the solid/liquid interface. Academic Press; 1983. 416 p. Parfitt GD, Rochester CH. Adsorption from solution at the solid/liquid interface. Academic Press; 1983. 416 p. Об определении коэффициента внешнего массообмена и адсорбции из растворов / И. М. Федоткин [и др.] // Физическая химия. 1994. Т. 48. № 2. С. 473–475. Fedotkin IM, Koganovskiy AM, Roda IG, Marutovskiy RM. Determining the coefficient of external mass transfer and adsorption from solutions. Physical Chemistry. 1994;48(2):473–475. (In Russ.).