научная статья по теме ДИНАМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА ТЕРМОРАСШИРЕННОМ ГРАФИТЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА ТЕРМОРАСШИРЕННОМ ГРАФИТЕ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 1, с. 44-48

УДК 502.51:504.5;544.723.2;546.26-162

ДИНАМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА ТЕРМОРАСШИРЕННОМ ГРАФИТЕ © 2015 г. М. Д. Веденяпина*,**, А. А. Веденяпин***

* Федеральное бюджетное учреждение науки Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН, Москва ** НОУВПО Московский технологический институт "ВТУ", Москва E-mail: mvedenyapina@yandex.ru Поступила в редакцию 15.05.2014 г.

Изучено удаление из водных растворов тетрациклина, карбамазепина и натрий диклофенака пропусканием их через колонку с терморасширенным графитом, синтезированным из природного графита. Методом численного моделирования для каждого субстрата определены величины максимально возможных объемов поглощения их ТРГ "до проскока", определяемого чувствительностью метода анализа и принимаемого в данной работе равным 1.5% от начальной концентрации субстрата. Экспериментально найдены условия проведения адсорбции указанных веществ, максимально приближенные к оптимальным, определенным расчетным путем.

DOI: 10.7868/S0023117715010132

Введение

Исследования последних лет показывают, что лекарственные препараты присутствуют не только в сточных водах, но и в грунтовых и в питьевой водах ряда стран. Это свидетельствует о существенных недостатках используемых систем очистки. Ситуация осложняется тем, что даже следовые количества препаратов могут вызывать токсический эффект [1—3]. Тетрациклин (ТЦ), карбамазепин (КМЗ) и натриевая соль диклофенака (НДФ) (рис. 1) относятся к широко используемым лекарственным препаратам.

Метод адсорбции широко применяется для очистки воды от различного рода загрязнителей. Эффективность данного метода в значительной степени зависит от природы адсорбента. Использованный в данной работе терморасширенный графит (ТРГ) был описан в работах [4, 5].

Экспериментальная часть

В работе применяли субстанции ТЦ, КМЗ и НДФ производства Sigma-Aldrich Chemie. Адсорбент был получен по ТУ-2166-002-56281967. Адсорбцию лекарственных соединений на ТРГ из водных растворов с заданной концентрацией (с0 = 18 мг/л) проводили в стеклянной колонке длиной 8 см и площадью сечения 1 см2. Концентрацию веществ после адсорбции определяли методом УФ-спектроскопии [4, 5] на спектрофотометре Hitachi U-1900.

ТРГ представляет собой порошок светло-серого цвета c насыпным весом 5 г/дм3, после пропитки водой вес ТРГ увеличивается до 12 г/дм3.

Обсуждение результатов

Максимально возможную динамическую активность ТРГ по каждому из исследуемых лекар-

XOONa

Cl 1

,OH

"V

OH NH

2

oh

OH O OH O O

H2N O 3

Рис. 1. Структурные формулы диклофенака (1), тетрациклина (2) и карбамазепина (3).

2

ДИНАМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

45

с, мг/л 20

15

10

5 -

с, мг/л 20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

1.0

АсД'о

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рис. 2. Численный расчет динамической адсорбции натрий диклофенака на ТРГ.

Рис. 3. Численный расчет динамической адсорбции тетрациклина на ТРГ.

0

ственных соединений рассчитывали численным методом. Расчеты, проведенные в настоящей работе, проводились в предположении, что условия адсорбции в протоке идентичны условиям адсорбции в статическом режиме и величина адсорбции определяется только термодинамическими факторами. Это позволило использовать в настоящих расчетах результаты предыдущего изучения кинетики адсорбции и нахождения изотерм адсорбции ТЦ, НДФ и КМЗ на ТРГ в статических условиях [4, 5]. При проведении этих расчетов вся длина адсорбционной колонки (Х0) разделялась на п одинаковых параллельных слоев, длиной Ь0/п, содержащих т мг ТРГ. Принималось, что величина адсорбции в /-том слое (д) достигала равновесного значения, соответствующего изотерме адсорбции. Считалось, что адсорбция в каждом слое протекает независимо друг от друга. Изменение величин с по длине колонки определяли путем расчета адсорбции субстратов из небольших объемов раствора (и), вводимых в колонку последовательно. Адсорбция в первом слое адсорбента определялась из уравнения материального баланса:

и (с0 — с1) = тсхЪ/(\ + Ъсх). (1)

Правая часть уравнения (1) представляет собой уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра, в котором адсорбционные коэффициенты Ъ для исследуемых лекарственных соединений приведе-

ны в работах [4, 5]. Величина с0 соответствует концентрации субстрата в исходном обрабатываемом растворе. Искомая в уравнении (1) величина с1 рассчитывалась при помощи программы т¡петт, встроенной в пакет Маткад. Равновесная концентрация субстрата в растворе во второй ячейке с2 рассчитывалась также по уравнению (1), заменяя в нем с0 на сх и сх на с2. В общем виде уравнение (1) можно записать как

и (с -1 - с) = тЪс ¡/(1 + Ъс ¡), (2)

где индекс изменяется от 1 до п. Путем последовательного решения уравнения (2) для всех п слоев адсорбента находили распределение субстрата по длине колонки. После этого проводился новый расчет распределения субстрата по длине колонки путем расчета адсорбции из новой порции раствора, равной и, с учетом того, что часть адсорбента занята уже субстратом, адсорбированным из первой порции раствора. Для этого по уравнению (3) проводили расчет массы ТРГ в -том слое, остающейся доступной для адсорбции субстрата из второй порции раствора:

т/ = т (О -д)/О, (3)

где О — равновесная адсорбция субстрата, определяемая по изотерме Ленгмюра для исходной концентрации субстрата с0, а д1 — равновесная адсорбция субстрата, рассчитанная для -того слоя при пропускании первой порции раствора. Расчет адсорбции из последующих порций раствора

46

ВЕДЕНЯПИНА, ВЕДЕНЯПИН

показывающие с какого момента наблюдается появление в растворе, выходящем из колонки, лекарственного соединения. С учетом точности УФ-спектроскопического метода принимаем пороговое значение концентрации исследуемых веществ равным 0.015 с0. На рис. 3 приведены также данные по экспериментальному определению выходных кривых. Видно, что во всех случаях экспериментальные данные оказываются очень близкими к расчетным. Близость расчетных и экспериментальных данных достигнута уменьшением скорости пропускания раствора исследуемых лекарственных соединений через колонку начиная с и = 1.0 мл/мин до и = 0.56 мл/мин для ТЦ и КМЗ и до и = 0.30 мл/мин для ДФН.

Для значений и больше указанных выше экспериментально найденный объем до проскока был значительно меньшим по сравнению с расчетным.

В табл. 1 приведены объемы пропущенных через адсорбционную колонку растворов до проскока лекарств на выходе до уровня регистрации, равные 0.015с0 (Ж1), и до достижения концентраций на выходе, равные 0.95с0 (Ж>), что соответствует полному насыщению адсорбента. Из этих данных видно хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных для всех исследованных соединений. В табл. 1 приведены также значения адсорбции, рассчитанные численным методом и найденные экспериментально для обоих значений концентраций веществ на выходе, равных 0.015с0 и 0.95с0. Общую адсорбцию веществ на 1 г ТРГ до их проскока на выходе (01) рассчитывали по формуле

01 = Ж^/т. (4)

Таблица 1. Характеристики динамической адсорбции ТЦ, НДФ и КМЗ на ТРГ

Параметр Тетрациклин Натрий диклофенак Карбамазепин

эксперимент расчет эксперимент расчет эксперимент расчет

V, мл/мин 0.56 - 0.30 - 0.56 -

Щ, л 0.095 0.102 0.155 0.160 0.163 0.165

Ж2, л 0.215 0.220 0.275 0.280 0.235 0.238

01, мг/г 17.1 18.4 28.1 28.8 29.4 29.7

02, мг/г 8.0 8.1 9.2 9.3 4.0 4.0

бсум.^ мг/г 25.1 26.5 37.3 38.1 33.4 33.7

бравш мг/г 29 .1 39 .8 33 .7

(01 + 02)/0равн 86 .2 93 .0 99 .0

Рис. 4. Расчетные и экспериментальные выходные кривые для динамической адсорбции ТЦ (1), КМЗ (2) и НДФ (3).

проводили аналогичным образом, т.е. величины q¡, рассчитанные для всех предыдущих порций раствора, суммировались и подставлялись в уравнение (3).

Результаты расчетов, проведенных для с0 = = 18 мг/л, позволили построить изменение фронта адсорбции исследуемых ТЦ и НДФ по мере увеличения объема пропускания растворов (рис. 2, 3). Результаты аналогичных расчетов для КМЗ приведены в работе [5]. Видно, что, начиная с определенного момента, происходит параллельный перенос фронта адсорбции. По отрезкам, отсекаемым кривыми при значении Ь^/Ь^ = 1, были построены расчетные выходные кривые (рис. 4),

ДИНАМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

47

Таблица 2. Параметры уравнения Томаса для выходных кривых адсорбции лекарственных препаратов

Соединение и, мл/мин дть, мг/г кть, мл/(мин ■ г) Я2

Тетрациклин 0.56 31.1 3.1 0.9903

Диклофенак натрия 0.30 42.2 1.1 0.9994

Карбамазепин 0.56 38.4 3.2 0.9988

Адсорбцию вещества в интервале концентраций на выходе 0.015с0 — 0.95с0 (О2) рассчитывали по формуле

О2 = 1/(1000т) |(с0 -

(5)

В табл. 1 даны величины адсорбции, рассчитанные из равновесных изотерм адсорбции, описанных в работах [4, 5]. Сравнение суммарной адсорбции субстратов во время всего опыта Осум (Осум = О\ + О2) с равновесной адсорбцией их при концентрации 18 мг/л, определенной в работах [4-6] (Оравн), показывает, что расчетные и экспериментальные Оравн и Осум имеют близкие друг к другу значения. Это подтверждает справедливость сделанных предположений, положенных в основу приведенных расчетов. В связи с этим представляется закономерным, что для всех исследуемых веществ полная адсорбция на ТРГ в динамическом режиме очень близка к величинам адсорбции в условиях равновесной адсорбции.

Для описания полученных экспериментальных данных была использована также модель Томаса [6], предполагающая применимость к адсорбции изотермы Ленгмюра и отсутствие осевой диффузии. Этой модели соответствует уравнение (6), описывающее выходную кривую для динамической адсорбции

С/С = 1/(1 + ехр[(^тьдтьт/и) - к^С?], (6)

где кть (мл/мин • мг) - константа в модели Томаса, дть (мг/г) - максимальная адсорбция, рассчитываемая по модели Томаса и I (мин) - время адсорбции. Для уравнения (6) с использованием функции т ¡петт Маткад находились оптимальные значения кть и дть, для всех трех исследуемых соединений, приведенных в табл. 2. На рис. 5 приведены выходные кривые, рассчитанные по уравнению (6). Экспериментальные данные, полученные в н

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»