Adsorbent based on activated carbon and iron oxide for removing tetracycline from liquid media

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия железосодержащие наноматериалы вызывают большой интерес в связи потенциальными возможностями их применения для решения широкого круга актуальных междисциплинарных задач в области биотехнологии, медицины и экологии [1–3]. Среди широко изучаемых в настоящее время наночастиц можно выделить оксиды железа, такие как магнетит Fe₃O₄, маггемит γ-Fe₂O₃ и гематит α-Fe₂O₃, которые обладают низкой стоимостью, экологической безопасностью и способностью к биодеградации [4–6]. Благодаря своим химическим и физическим свойствам, а также наличию высокоразвитой активной поверхности, оксиды железа используются в качестве магнитных записывающих устройств, адсорбентов для удаления различных экотоксикантов, в качестве химических и биосенсоров, векторов для направленной доставки, а также в иммунодиагностике [6, 7].

Для получения железосодержащих наночастиц применяют физические и химические методы синтеза. К химическим методам можно отнести гидротермальный, термическое разложение металлосодержащих соединений, химическое соосаждение солей металлов, золь-гель синтез и др. [8–10]. Наиболее распространенным методом синтеза наночастиц оксидов железа является химическое соосаждение, это может быть связано с его простотой, высокой производительностью и возможностью проводить процесс при низких температурах [2, 11]. Однако при синтезе частицы магнетита легко окисляются, что может приводить к появлению маггемита, а также агломерируются вследствие большой удельной поверхности [12, 13].

Направленное модифицирование железосодержащих наночастиц различными соединениями позволяет повысить их агрегативную устойчивость и придать им определенные функциональные свойства, в том числе сорбционные по отношению к ионам металлов и органическим токсикантам. В качестве стабилизаторов железосодержащих частиц могут быть использованы глинистые минералы, мезопористый кремнезем, углеродные материалы и т.д. Углеродные материалы, такие как активированный уголь, биоуголь, углеродные нанотрубки, графен, широко применяются в сорбционных технологиях для удаления загрязняющих веществ из газовых и жидких сред [14, 15]. Согласно литературным данным, наиболее эффективными адсорбентами являются недорогие, произведенные из возобновляемого сырья активированные угли [16, 17].

Березовый активированный уголь (БАУ), полученный из экологически чистого сырья, обладает высокой удельной поверхностью (большой внутренней поверхностью и относительно небольшой внешней поверхностью). Поглощающая способность БАУ частично зависит от соответствия размера пор размеру адсорбированных молекул. Поэтому при адсорбции существенную роль играют диффузионные явления внутри пор [18]. Активированный уголь может применяться для очистки сточных вод, содержащих различные виды загрязняющих веществ, в том числе антибиотиков [19]. Однако одним из недостатков использования такого адсорбента является сложность удаления материала после его использования в процессе очистки жидких сред.

В литературе представлены публикации, посвященные получению магнитных железосодержащих композитов на основе активированных углей, которые являются эффективными адсорбентами органических соединений, в частности фармацевтических препаратов [20, 21]. Применение магнетизированных композиционных материалов позволяет не только расширить диапазон извлекаемых фармацевтических экотоксикантов из растворов, но и легко восстанавливать адсорбенты с помощью магнитной сепарации.

Тетрациклины относятся к классу антибиотиков, которые применяются не только в медицине, но и в ветеринарии для профилактики и лечения многих заболеваний, а также в качестве стимуляторов роста животных. Тетрациклины обладают широким спектром действия, активны в отношении грамотрицательных и грамположительных бактерий [22]. Однако присутствие тетрациклинов в продуктах питания, водах и почвах (даже в очень низких концентрациях) представляет значительный риск для экосистем и здоровья человека, вызывая аллергические реакции и рост микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам [23]. Поэтому необходимы исследования по поиску новых сорбционных материалов, позволяющих концентрировать тетрациклины из различных объектов. В этом плане представляют интерес сорбенты с микро- и мезопористой структурой, различным зарядовым типом.

Целью настоящей работы является получение композита активированный уголь/оксид железа, изучение его гранулометрического состава, морфологии и кристаллической структуры. Впервые исследовано влияние соотношения компонентов композита на сорбционные свойства по отношению к лекарственному соединению тетрациклину.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектами исследования служили гранулированный активированный уголь марки БАУ-А (ГОСТ 6217-74), оксид железа и композиционные материалы, содержащие уголь и оксид железа в двух разных соотношениях. Адсорбционные свойства перечисленных порошков изучали по отношению к антибиотику широкого спектра действия – тетрациклину C₂₂H₂₄N₂O₈ (4-диметиламино-1,4,4α,5,5α,6,11,12α-октагидро-3,6,10,12,12α-пентаокси-6-метил-1,11-дикетонафтацен-2-карбоксамид).

Для уменьшения размеров частиц и увеличения площади поверхности перед приготовлением магнитных композитов уголь дополнительно механоактивировали в ролико-кольцевой вибромельнице VM-4 (Чехия) с частотой колебаний 930 мин^–1 и энергонапряженностью 5.4 кВт/кг. Время активации – 15 мин. Порошки уголь/оксид железа с различным соотношением компонентов (80/20 и 20/80 мас. %) были получены методом химического соосаждения солей железа на поверхности угля. Для этого навески механоактивированного угля (6.016 г и 0.376 г) диспергировали в 100 мл водного раствора гексагидрата хлорида железа FeCl₃ · 6H₂O (1.004 г) и тетрагидрата хлорида железа FeCl₂ · 4H₂O (0.5 г) в течение 1.5 ч в условиях интенсивного перемешивания и воздействия ультразвука. Для осаждения железосодержащих частиц по каплям добавляли водный раствор аммиака. Затем частицы магнетизированного угля отделяли с помощью внешнего поля, трижды промывали дистиллированной водой до нейтрального значения pH и высушивали в вакууме при 70°С до сухого остатка. Полученные композиты уголь/оксид железа представляли собой порошки черного цвета. Синтез оксида железа проводили аналогичным способом, но без использования угля. Образцы синтезированных композитов с массовыми соотношениями компонентов 20/80 и 80/20 обозначены в тексте как БАУ/Fe_xO_y-20/80 и БАУ/Fe_xO_y-80/20 соответственно.

Размер частиц активированного угля, оксида железа и композитов определяли методом лазерной дифракции на анализаторе размера частиц Analysette 22 Compact (Германия). С помощью растрового электронного микроскопа Quattro S (Thermo Fisher Scientific, Чехия) с приставкой для энергодисперсионного анализа были получены изображения поверхности БАУ и магнитных композитов.

Удельную поверхность и пористость БАУ и модифицированных оксидом железа образцов угля определяли методом низкотемпературной (77 K) адсорбции-десорбции азота на газовом сорбционном анализаторе NOVA 1200e (Quantachrome, США). Площадь поверхности, общий объем пор и распределение пор по размерам определяли с применением моделей BET (Brunauer–Emmett–Teller) и BJH (Barrett-Joyner-Halenda) [24, 25].

Структуру порошков активированного угля, оксида железа и композитов исследовали методом дифракции рентгеновских лучей в диапазоне углов 2q = 15°–70° на дифрактометре Powdix 600 (Беларусь, CuK_α-излучение, l = 0.154 нм), использование которого предусматривает монохроматизацию первичного пучка и обработку данных с линейного многоточечного детектора (640 точек). В результате этого осуществляется фильтрация вторичного излучения, флюоресценция образца не наблюдается. Межслоевое расстояние рассчитывали по формуле Брэгга [26].

ИК-спектры порошков БАУ, оксида железа и композитов уголь/оксид железа в виде таблеток с KBr регистрировали в диапазоне волновых чисел 4000–400 см^–1 на спектрометре Avatar 360 FT-IR ESP (Thermo Nicolet, США).

Адсорбционные свойства синтезированных материалов исследовали по отношению к тетрациклину C₂₂H₂₄N₂O₈ в статических условиях при комнатной температуре и pH 7 раствора. Для этих целей навески сорбента (m = 0.05 г) помещали в колбы с водным раствором антибиотика (V = 5 мл) с заданными начальными концентрациями 0.403 × 10^–4 и 1.025 × 10^–4 моль/л. Фазы выдерживали в контакте определенные промежутки времени (t, мин). Затем их разделяли фильтрованием и магнитом и в водной фазе определяли остаточную концентрацию тетрациклина методом спектрофотометрии с использованием UV-Vis спектрофотометра U-2001 (Hitachi, Япония). Величина коэффициента экстинкции была определена по угловому коэффициенту экспериментальной зависимости величины поглощения от концентрации антибиотика и составила 4.38 × 10^–4 л/(моль см).

Количество адсорбированного тетрациклина (А) рассчитывали по формуле:

$A=\frac{{(C}_0-C_t)V}{m}$, (1)

где C₀ и C_t – начальная и остаточная концентрация антибиотика в растворе, моль/л.

Степень извлечения (α) определяли после достижения адсорбционного равновесия из соотношения:

$\alpha =(1-C_{eq}/C_0)\times 100\%$, (2)

где C_eq – равновесная концентрация тетрациклина, моль/л.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлено распределение частиц по размерам для активированного угля, оксида железа и композитов на их основе. Обнаружено, что уголь после измельчения в вибромельнице в течение 15 мин содержит частицы размером от 0.3 до 25 мкм с максимумом распределения при 5 мкм, у оксида железа размер частиц колеблется от 0.3 до 90 мкм с максимумом при 25 мкм. Композит БАУ/Fe_xO_y-20/80 имеет размеры частиц от 0.3 до 60 мкм с максимумом при 20 мкм. Для композита БАУ/Fe_xO_y-80/20 характерно наличие более мелких частиц с размером от 0.3 до 40 мкм и максимумом при 10 мкм. С учетом упомянутых во Введении работ [12, 13] необходимо уточнить, что полученные данные описывают распределение агломератов железосодержащих частиц.

 

Рис. 1. Распределение частиц по размерам для образцов исследуемых материалов: 1 – БАУ; 2 – Fe_xO_y; 3 – БАУ/Fe_xO_y-20/80; 4 – БАУ/Fe_xO_y-80/20.

 

На рис. 2 приведены электронные изображения поверхности БАУ, оксида железа и магнетизированного угля, полученные методом РЭМ. На рассмотренном участке поверхности образец угля содержит атомы С и О; наблюдаются кристаллоподобные частицы различных размеров неправильной формы (рис. 2а). Представленные данные согласуются с результатами гранулометрии (рис. 1, кривая 1). Из рис. 2б видно, что полученные частицы оксида железа имеют склонность к агломерации. Композиты уголь/оксид железа представляют собой агрегаты частиц различной морфологии с включениями Fe_xO_y (рис. 2в, 2г). Проведенный анализ продемонстрировал изменение количества железа при изменении соотношения компонентов композита. Так, если для порошка БАУ/Fe_xO_y-80/20 концентрация атомов Fe составляла 5.2%, то для БАУ/Fe_xO_y-20/80 – 20.5% от общего состава материала. Эти различия наглядно иллюстрируют и РЭМ-карты. По-видимому, частицы Fe_xO_y осаждаются на поверхности активированного угля (рис. 2в, 2г). Кроме того, на картированных РЭМ-снимках можно видеть локализацию атомов других химических элементов, входящих в состав угля, оксида железа и композитов уголь/оксид железа. Отметим, что наличие Cl в случае порошков, содержащих оксид железа (рис. 2б–2г), обусловлено особенностями синтеза этих материалов.

 

Рис. 2. Электронные микрофотографии образцов: а – БАУ; б – Fe_xO_y; в – БАУ/Fe_xO_y-80/20; г – БАУ/Fe_xO_y-20/80.

 

Как известно из литературы [27, 28], активированный уголь и оксид железа сильно различаются по количественным характеристикам пористой структуры: для угля удельная поверхность пор многократно превосходит таковую для Fe_xO_y. Поэтому определенный интерес представляют данные о значениях текстурных параметров бинарных композитов уголь/оксид железа в зависимости от соотношения компонентов.

Для этих целей на образцах БАУ, оксида железа и композитов уголь/оксид железа были проведены исследования низкотемпературной (77 K) адсорбции-десорбции азота (рис. 3). Из рисунка видно, для всех синтезированных материалов на изотермах наблюдаются петли гистерезиса в области больших относительных давлений (P/P₀ > 0.5), что свидетельствует о капиллярной конденсации азота в мезопорах. При малых давлениях (P/P₀ < 0.5) изотермы обратимы либо почти обратимы (для оксида железа). Такой вид изотерм соответствует IV типу по классификации IUPAC и характерен для образцов, имеющих мезопористую структуру.

 

Рис. 3. Изотермы сорбции-десорбции азота и распределение пор по размерам (на вставках) для образцов БАУ (а), Fe_xO_y (б), композитов БАУ/Fe_xO_y-80/20 (в) и БАУ/Fe_xO_y-20/80 (г).

 

Распределение пор по размерам для БАУ, Fe_xO_y, БАУ/Fe_xO_y-20/80 и БАУ/Fe_xO_y-80/20, рассчитанное по экспериментальным данным с использованием модели BJH, показано на вставках к рис. 3а–3г. Эти данные подтверждают, что синтезированные порошки представляют собой мезопористые материалы.

Образцы БАУ и композитов имеют узкое распределение с максимумом около 4 нм. Для оксида железа наблюдается более широкий диапазон размеров пор с максимумом около 9 нм.

В табл. 1 приведена площадь удельной поверхности S_BET, полный объем пор V_T, средний диаметр пор D_av, а также наиболее вероятный диаметр пор D_prob, соответствующий максимуму распределения по размерам. Из данных табл. 1 видно, при переходе от БАУ к композиту, содержащему 20% БАУ, удельная поверхность уменьшается более чем в 2 раза (от 869 до 401 м²/г). Однако для композита с 80% угля наблюдается увеличение удельной поверхности пор (до 1009 м²/г), при этом суммарный объем порового пространства практически совпадает с таковым для образца БАУ.

 

Таблица 1. Количественные характеристики пористости синтезированных материалов

Образец	SBET, м2/г	Dprob, нм	Dav, нм	VT, см3/г
БАУ	869	4	3	0.21
Fe3O4	55	9	11	0.15
БАУ/FexOy-20/80	401	4	4	018
БАУ/FexOy-80/20	1009	4	3	0.22

 

На рис. 4 представлены дифрактограммы БАУ, оксида железа и синтезированных композитов уголь/оксид железа. На рентгенограмме БАУ (кривая 1) присутствуют два широких гало, что свидетельствует об аморфной структуре этого материала. Пик, наблюдаемый при 2θ = 24.5°, соответствует плоскости (002) в кристаллах графита, рефлекс при 2θ = 43° характерен для плоскостей (101), составляющих структуру угля [27]. Отметим, что в работе [29] получен аналогичный спектр.

 

Рис. 4. Дифрактограммы образцов: 1 – БАУ; 2 – Fe_xO_y; 3 – БАУ/Fe_xO_y-80/20; 4 – БАУ/Fe_xO_y-20/80.

 

Дифрактограмма оксида железа (рис. 4, кривая 2) содержит пики при 2θ = 30.27°, 35.5°, 43.4°, 57.3° и 62.9°, отвечающие плоскостям (220), (311), (400), (511) и (440) соответственно (JCPDS 19-0629). При этом наиболее интенсивный рефлекс наблюдается при 2θ = 35.5°, что соответствует положению основной линии фазы оксида железа [28].

Рентгенограмма композита БАУ/Fe_xO_y-80/20 (рис. 4, кривая 3) содержит широкие рефлексы при 2θ = 25.1° и 43.42°, отвечающие аморфной структуре угля, и небольшой пик в области 2θ = 35.6°, характерный для оксида железа. На дифрактограмме композита БАУ/Fe_xO_y-20/80 (рис. 4, кривая 4) присутствуют характеристические пики оксида железа, соответствующие упомянутым плоскостям с индексами Миллера (220), (311), (440), (511) и (440). Отметим, что межплоскостное расстояние, рассчитанное по рефлексу (311), составляет 0.251 нм для Fe_xO_y и 0.253 нм для композитов. Кроме того, сохраняется аморфное гало в интервале углов 15°–30° (2θ).

На рис. 5 приведены ИК-спектры порошков активированного угля, оксида железа и композитов уголь/оксид железа с массовыми соотношениями компонентов 80 : 20 и 20 : 80. В спектре БАУ (спектр 1) наблюдается широкая полоса поглощения с максимумом при 3430 см^–1, отвечающая валентным колебаниям гидроксильных групп. Две узкие полосы при 2925 и 2856 см^–1 соответствуют валентным колебаниям групп –СН₂ и –СН₃ соответственно. Полоса при 1641 см^–1 относится к деформационным колебаниям адсорбированных молекул Н₂О. Полоса поглощения при 1402 см^–1 может быть связана с симметричными колебаниями групп СОО^–, полоса при 1092 см^–1 – с колебаниями связи C–O [20].

 

Рис. 5. ИК-спектры образцов: 1 – БАУ; 2 – Fe_xO_y; 3 – БАУ/Fe_xO_y-80/20; 4 – БАУ/Fe_xO_y-20/80.

 

В ИК-спектре оксида железа (рис. 5, спектр 2) присутствует характеристическая полоса поглощения при 534 см^–1, обусловленная валентными колебаниями связей Fe–O–Fe [30–32]. Полосы поглощения с пиками при 3700, 3620 и 1638 см^–1 отвечают валентным колебаниям функциональных групп ОН и деформационному колебанию молекул воды [33].

В ИК-спектрах полученных композитов уголь/оксид железа (рис. 5, спектры 3 и 4) наблюдаются широкие полосы в области 3300–3500 см^–1, соответствующие валентным колебаниям –OH-групп, а также появляются полосы, связанные с деформационными колебаниями –СОО-групп (1360 см^–1) [20]. В спектре композита БАУ/Fe_xO_y-80/20 присутствует слабая полоса при 501 см^–1, которая, по-видимому, также обусловлена колебаниями связей Fe–O. Характеристическая полоса поглощения в спектре композита БАУ/Fe_xO_y-20/80 при 570 см^–1 соответствует деформационным колебаниям Fe–O и свидетельствует о присутствии оксида железа в структуре композита [34].

На рис. 6–8 представлены кинетические кривые извлечения тетрациклина полученными материалами на основе БАУ и оксида железа из растворов с различной начальной концентрацией антибиотика. Эти кривые характеризуют накопление лекарственного препарата в фазе адсорбента во времени. Видно, что независимо от значения C₀ эффективность сорбции увеличивается в ряду Fe_xO_y < БАУ < БАУ/Fe_xO_y-20/80 < < БАУ/Fe_xO_y-80/20, т.е. двухкомпонентный композиционный материал является более эффективным адсорбентом, чем индивидуальные БАУ и оксид железа. Наибольшая степень извлечения тетрациклина (>96%) достигается при использовании композита БАУ/Fe_xO_y-80/20 (табл. 2 и 3).

 

Рис. 6. Кинетические кривые сорбции тетрациклина (С₀ = 0.403 × 10^–6 моль/л) на образцах: 1 – Fe_xO_y; 2 – БАУ; 3 – БАУ/Fe_xO_y-20/80; 4 – БАУ/Fe_xO_y-80/20.

 

Рис. 7. Кинетические кривые сорбции тетрациклина (С₀ = 1.025 × 10^–6 моль/л) на образцах: 1 – Fe_xO_y; 2 – БАУ; 3 – БАУ/Fe_xO_y-20/80; 4 – БАУ/Fe_xO_y-80/20.

 

Рис. 8. Кинетика адсорбции тетрациклина на композите БАУ/Fe_xO_y-80/20 при С₀ = 1.025 × 10^–6 моль/л. Представлены экспериментальные данные (■) и различные фитирующие кривые: 1 – кинетическая модель псевдопервого порядка; 2 – кинетическая модель псевдовторого порядка; 3 – диффузионная модель.

 

Таблица 2. Количественные параметры кинетики сорбции тетрациклина на синтезированных материалах (С₀ = 0.403 × 10^–4 моль/л)

Параметр	БАУ	БАУ/FexOy-20/80	БАУ/FexOy-80/20	FexOy
teq, мин	1000	2000	2000	<300
α, %	67.25	84.86	98.26	51.36
Модель псевдопервого порядка
Aeq × 104, ммоль/г	24.471	32.703	37.349	20.233
k1, мин–1	0.052	0.020	0.025	0.049
R2	0.939	0.985	0.975	0.982
Модель псевдовторого порядка
Aeq × 104, ммоль/г	26.112	33.467	38.412	21.361
k2, г/(ммоль мин)	27.413	8.435	9.031	33.472
R2	0.971	0.990	0.961	0.971
Диффузионная модель
kd × 104, ммоль/(г мин0.5)	15.846	13.765	16.694	13.408
g × 104, ммоль/г	0.222	0.376	0.415	0.155
R2	0.483	0.790	0.628	0.316

 

Таблица 3. Количественные параметры кинетики сорбции тетрациклина на синтезированных материалах (С₀ = 1.025 × 10^–4 моль/л)

Параметр	БАУ	БАУ/FexOy-20/80	БАУ/FexOy-80/20	FexOy
teq, мин	3000	3000	3000	3000
α, %	68.0	86.44	96.18	57.17
Модель псевдопервого порядка
Aeq × 104, ммоль/г	62.482	84.194	93.243	53.775
k1, мин–1	0.005	0.004	0.005	0.005
R2	0.960	0.988	0.983	0.971
Модель псевдовторого порядка
Aeq × 104, ммоль/г	68.194	92.311	100.367	58.483
k2, г/(ммоль мин)	0.840	0.545	0.687	1.014
R2	0.977	0.995	0.995	0.987
Диффузионная модель
kd × 104, ммоль/(г мин0.5)	9.514	10.597	17.264	7.947
g × 104, ммоль/г	1.115	1.521	1.591	0.963
R2	0.927	0.913	0.894	0.913

 

Следует отметить, что время достижения адсорбционного равновесия практически для всех исследованных условий (природа адсорбента, начальная концентрация лекарства) достаточно велико. Минимальное значение (τ_eq < 300 мин) наблюдается для сорбции на оксид железа при С₀ = 0.403 × 10^–4 моль/л (табл. 2).

Начальная концентрация тетрациклина в растворе влияет на основные кинетические показатели адсорбционного процесса. Как следует из сопоставления данных, приведенных в табл. 2 и 3, чем больше величина С₀, тем продолжительнее время достижения адсорбционного равновесия и выше концентрация лекарства в твердой фазе.

Для количественного описания кинетики в гетерогенной системе нужно определить порядок реакции и уравнение, по которому можно рассчитать константу скорости сорбционного процесса. Для этих целей в настоящей работе экспериментальные данные по адсорбции тетрациклина были обработаны с помощью моделей реакций псевдопервого порядка, псевдовторого порядка и диффузионной модели [35–37], которым отвечают уравнения (3), (4) и (5) соответственно:

$A=A_{eq}\left[1-e^{-k_{1}t}\right]$, (3)

$A=\frac{k_2{A}_{eq}^{2}t}{1+k_2{A}_{eq}t}$, (4)

$A=k_d\sqrt{t}+g$, (5)

где A_eq – равновесная концентрация сорбированных ионов; k₁ и k₂ – кинетические константы для реакций псевдопервого и псевдовторого порядка соответственно; k_d – константа скорости диффузии; g – величина, зависящая от толщины пограничного слоя.

Величины A_eq, k₁, k₂, k_d и g, входящие в уравнения (3)–(5), а также значения коэффициента детерминации (R²) были рассчитаны с использованием программного пакета OriginPro 7.0. Пример использования фитирующих моделей для наглядности представлен на рис. 8. Полученные значения перечисленных параметров приведены в табл. 2 и 3.

Видно, что кинетические модели реакций псевдопервого и псевдовторого порядка хорошо описывают экспериментальные данные: R² > 0.95 почти во всех случаях, за исключением сорбции на БАУ при С₀ = 0.403 × 10^–4 моль/л, тогда как для диффузионной модели значения коэффициентов детерминации значительно ниже. Отметим, однако, что в случае растворов с более высокой начальной концентрацией тетрациклина (С₀ = 1.025 × 10^–4 моль/л) значения R² возрастают. Это может свидетельствовать об увеличении роли диффузионных ограничений для сорбционного процесса, что, по-видимому, проявляется в весьма продолжительном периоде установления адсорбционного равновесия (3000 мин).

Таким образом, проведенные исследования показали, что процесс извлечения тетрациклина из водных растворов изученными сорбентами контролируется скоростью собственно адсорбции. Согласно [38], можно предположить, что в исследованных условиях адсорбция вызвана электростатическим взаимодействием между отрицательно заряженной поверхностью магнитного сорбента и молекулами тетрациклина.

Однако использование кинетических моделей для математической обработки данных не позволило ответить на вопрос, какая из моделей является предпочтительной для математического описания сорбционного процесса.

В целом анализ экспериментальных данных в сочетании с математическим моделированием позволяет заключить, что среди исследованных материалов оптимальным является композит БАУ/Fe_xO_y-80/20.

В табл. 4 приведены литературные данные по адсорбции тетрациклина на биоуглях различного происхождения. Из таблицы видно, что результаты, полученные в настоящей работе, сопоставимы с представленными в публикациях. Кроме того, сделанный нами вывод о том, что модифицирование угля частицами оксида железа способствует увеличению адсорбции, согласуется с данными [39].

 

Таблица 4. Литературные данные о сорбционной способности различных биоуглей по отношению к тетрациклину

Сорбент	C0, мг/л	m/V, г/л	A, мг/г	Литература
Биоуголь на основе рисовой соломы	50	1.2	14	[39]
Биоуголь на основе магнетизированной рисовой соломы	50	1.2	28–35	[39]
Биоуголь на основе пищевых отходов	20	50	2.98	[40]
Зола рисовой шелухи	20	2	3.41	[41]
БАУ	17.9*	10	0.92*	Наст. работа
БАУ/ FexOy-80/20	17.9 *	10	1.76*	Наст. работа

*Начальная концентрация тетрациклина в растворе (С₀) и концентрация сорбированного лекарства в твердой фазе (A) для удобства сравнения пересчитаны на мг/л и мг/г соответственно.

 

Исследованный в работе березовый активированный уголь является дешевым и экологически чистым сырьем и производится многотоннажно. Поэтому композиционные материалы на его основе имеют широкие перспективы применения в качестве адсорбентов для извлечения лекарственных препаратов, таких как тетрациклин, из водных сред.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе методом химического соосаждения были получены порошковые композиционные материалы на основе активированного угля и оксида железа. Синтезированные порошки были охарактеризованы рядом физико-химических методов. На основании проведенных исследований сорбционных свойств изученных образцов установлено, что наибольшая степень извлечения тетрациклина (>96%) достигается при использовании композита БАУ/Fe_xO_y-80/20. Это свидетельствует о том, что при модификации БАУ оксидом железа получаются композиты с сорбционной емкостью, превышающей аналогичные значения для компонентов (синергетический эффект). Полученные данные могут быть полезны при разработке эффективных сорбентов для решения экологических проблем, в медицине, фармацевтике, при очистке сточных вод.

БЛАГОДАРНОСТь

Исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования “Верхне-Волжский региональный центр физико-химических исследований”.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках госзадания № 122040500044-4.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

O. V. Alekseeva

Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: avn@isc-ras.ru
Russian Federation, Ivanovo, 153045

D. N. Yashkova

Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: avn@isc-ras.ru
Russian Federation, Ivanovo, 153045

A. V. Noskov

Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: avn@isc-ras.ru
Russian Federation, Ivanovo, 153045

A. V. Agafonov

Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: avn@isc-ras.ru
Russian Federation, Ivanovo, 153045

N. N. Smirnov

Ivanovo State University of Chemistry and Technology

Email: avn@isc-ras.ru
Russian Federation, Ivanovo, 153000

References

Supplementary files