CC BY
6CHEMICAL SCIENCES
ADSORBENT FOR PHOSPHATE REMOVAL
Obushenko T.,
Senior Lecturer National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» Tolstopalova N., PhD, Associate Professor National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» Tereshchenko M. Student National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
АДСОРБЕНТ ДЛЯ ВИДАЛЕННЯ ФОСФАТ1В
Обушенко Т.1.
старший викладач Нацюнальний технгчний утверситет Украши «Кшвський полгтехтчний утверситет 1мет1горя Сжорського»
Толстопалова Н.М. Кандидат технгчних наук, доцент Нацюнальний технгчний утверситет Украши «Кшвський полтехнгчний утверситет 1мет 1горя Сжорського»
Терещенко М. студентка
Нацюнальний технгчний утверситет Украти «Кшвський полтехнгчний утверситет 1мет 1горя Сжорського»
https://doi.org/10.5281/zenodo.7436972
Abstract
The sorption of iron-containing sorbent, which is a waste of iron removal stations with respect to phosphate ions, has been studied. It has been established that this sorbent is effective for extracting phosphate ions from water The use of the proposed sorbent will allow solving two environmental issues: replenishment of the list of cheap effective sorbents for removing phosphates and utilization of sludge from iron removal stations.
Анотащя
Дослвджено сорбщю залiзовмiсного сорбенту, який е ввдходом станцш знезалiзнення по ввдношенню до фосфат-ioHiB. Встановлено, що даний сорбент е ефективним щодо вилучення фосфат--ютв. Викорис-тання запропонованого сорбенту дозволить виршити два еколопчних питання: поповнення перел^ де-шевих ефективних сорбенпв для видалення фосфапв та утилiзацiя шламiв станцiй знезалiзнення.
Keywords: phosphates, wastewater treatment, surface water, eutrophication, sorbent, iron removal station sludge.
Ключовi слова: фосфати, очищення стiчних вод, noBepxHeBi води, евтрофжащя, сорбент, шлам станцш знезалiзнення.
5]. До антропогенного забруднення - надходження побутових та промислових стiчних вод, змив фос-форних добрив та пестицидiв i3 сшьськогосподар-ських угiдь, стоки тваринницьких ферм та шше [68]. Все це викликае стурбованiсть свiтовоï стль-ноти и вимагае встановлення досить жорстких ви-мог до вмюту фосфатiв у стiчнiй та питнш водах. Так, в захiдних кранах вмiст фосфатiв у стiчних водах не повинен перевищувати 1 мг/дм3, а в питнiй водi - 0,03 мг/дм3 [9], натомють в Укрш'ш цi значения становлять вщповщно 8 i 3,5 мг/дм3 [10]. Тому обмеження надходження фосфапв у водойми залишаеться актуальним питанням.
Хоча фосфор важлива поживна речовина, тд-вищена концентрацiя фосфатiв у водоймах може бути шквдливою для водного життя, здоров'я лю-дини та довшлля. Надлишок фосфору призводить до бурхливого росту певних видiв мiкроводоростей i порушуе рiвновагу водних екосистем [1-2]. Таш процеси називаються евтрофiкацiею. Внаслщок евтрофiкацiï, знижуеться вмiст кисню, гине риба та попршуеться якiсть водойм як джерел водопоста-чання. Фосфор потрапляе у водойми як природним шляхом так i в результат антропогенно1 дiяльностi. До природних вщносять процеси життедiяльностi i розкладу решток гiдробiонтiв, ерозiю, вивггрю-вання i розчинення гiрських порiд та мiнералiв [3 -
Фосфор знаходиться у природних i спчних водах переважно у формi фосфат-iонiв, як1 класифжу-ють на ортофосфати, конденсоваш фосфати (про-, мета- та iншi полiфосфати), а також органiчно зв'язанi фосфати [9]. На сьогодт для вилучення з води фосфапв застосовують реагентнi, юнооб-мiннi, бiологiчнi та баромембраннi методи очи-щення води. Але жоден з методiв не дае змоги пов-нiстю вилучити фосфати iз спчно! води [11]. З точки зору технологи та ресурсозбереження рацюнальним е очищення вiд фосфапв за допомо-гою сорбентiв, адже адсорбцiйнi технологи дозво-ляють вилучати навiть слiдовi концентрацп забруд-нень. У сучасному водоочищеннi знаходить засто-сування безлiч рiзноманiтних сорбцiйних матерiалiв. Одним з основних недолiкiв багатьох сорбентiв е 1х недостатня доступнють i висока вар-тiсть. Тому пошук та створення нових, б№ш деше-вих, але ефективних сорбцшних матерiалiв е актуа-льним завданням.
Великий практичний iнтерес представляе залу-чення як сировини для виробництва сорбентiв тих вiдходiв, як1 у великому обсязi утворюються при очищеннi природних вод ввд залiза. Щороку на спо-рудах по обробцi промивних вод ввд станцiй знеза-лiзнення накопичуеться бiля 4 тисяч тон шламу ок-сидiв залiза, як1 потребують утилiзацil [12]. Близько третини маси в цих ввдходах складають залiзовмi-снi мiнерали, що включають оксиди, пдроксиди, солi дво- та тривалентного залiза. Вiдомо, що спо-луки залiза, особливо в нанорозмiрному сташ, ви-користовуються в сiльському господарста, меди-цинi та при виробнищга сорбцiйних матерiалiв [13]. Тому проведения дослщжень з використання залiзовмiсних вiдходiв станцiй знезалiзнення тдзе-мних вод як сорбцшних матерiалiв мають перспективу. Утилiзацiю такого осаду шляхом депону-вання не можна вважати рацiональним рiшенням, оск1льки це створюе вторинну екологiчну проблему. Осаду утворюеться багато, i потрiбнi новi i новi площi, як1 необхвдно рекультивувати. Осад у сухому виглядi характеризуеться щдвищеним пи-лiнням i при недотриманнi технологи утилiзацil (пересушування) е небезпека забруднення повггря-ного басейну та засмiчення порошком великих площ. Тобто застосування залiзних шламiв для ви-далення фосфатiв зi стiчних вод допоможе вирь
шити два екологiчних питання: поповнення пере-лiку дешевих сорбентiв та утилiзацiя шламiв стан-цiй знезалiзнення.
Метою дослщження е пошук ефективного та дешевого сорбенту для очищення спчних вод ввд фосфатiв. Для досягнення мети поставленi так1 задача
1. Теоретично обгрунтувати доцiльнiсть застосування адсорбцшного методу для дефосфатування стiчних вод.
2. Експериментально дослщити можливiсть використання сорбенту на основi шламу станцiй знезалiзнення.
При проведенш адсорбцiйних дослiджень ви-користовували модельш розчини однозамiщеного фосфату калiю (КH2PO4) у дистильованiй водi, як1 готували розчиненням розраховано! наважки твердо! солi квалiфiкацil «ч.д.а.». Осад знезалiзнення пiдземних вод представляе собою густу водонаси-чену масу коричневого кольору. Осад шдсушували в сушильнiй шафi при температурi 50 °С впродовж 12 годин до отримання тонкодисперсного порошку. Склад сухого шламу, %: Fe - 26,56; CaO - 21,3; AЪOз - 0,51; SiO2 - 10,25.
Сорбцiю фосфат-iонiв вивчали в статичних умовах за шмнатно! температури. Наважки сорбен-тiв зважували, додавали до конiчних колб розчини з вмютом РО43- i сорбент, та ставили колби у шей-кер з частотою обертання 150 об/хв. тсля досягнення рiвноваги сорбент вiдокремлювали на фшь-трi «синя с^чка» та визначали вмют фосфатiв за загальновiдомою методикою на спектрофотометрi по забарвленню молiбденовоl сиш з вiдновленням аскорбiновою кислотою [14].
Маса сорбованих юшв РО43- розраховувалась за формулою:
а =
(Со — С) -V
т„
де Со - початкова концентращя РО43- мг/дм3; С - концентращя РО43- в момент вiдбору проби
т, мг/дм3;
V - об'ем розчину, дм3; Шнае - маса наважки сорбенту, г. 1зотерму сорбцИ побудоеано е координатах А-Сзал> де А - шльшсть поглинуто! сорбентом речо-вини, ммоль/г; Сзал - юльюсть речоеини, що зали-шилась у розчинi пкля сорбцИ, ммоль РО43-/дм3.1зо-терма сорбцИ наведена на рис. 1.
0,12
y = -3771x2 + 37,146x + 0,0093 R2 = 0,9843
0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 Сзал, моль РО4 3- /дм3
0,006 0,007
Рис. 1.1зотерма сорбцИ фосфатiв на поверхт сорбенту
Для аналiзу iзотерми сорбщ! було використано моделi Ленгмюра та Фрейндлiха.
Модель Ленгмюра.
Теорiя адсорбцп Ленгмюра грунтуеться на припущеннi, що адсорбцiя ввдбуваеться на окремих адсорбцiйних центрах. При цьому вважаеться, що один адсорбцшний центр може утримувати на собi одну молекулу.
Рiвняння Ленгмюра для опису адсорбци з рщ-
ко! фази мае вигляд [15]:
_ КС
а = а~г+кс
де a - к1льк1сть поглинуто! сорбентом речо-вини, ммоль/г;
Яш- гранична адсорбцiя за повного насичення моношару, ммоль/г;
К - константа адсорбцшно! рiвноваги;
С - концентращя адсорбату, ммоль/дм3 .
Для знаходження константи адсорбцшно! рiв-новаги та значения гранично! адсорбци графiчним методом використовують лiнеаризовану форму рiв-няння Ленгмюра:
1 _ 1 1 а аетКС
Графiк, побудований в координатах 1/а=Д1/С), наведено на рис. 2.
180
160
140
ь 120
л
о м 100
80
(В
60
40
20
0
y = 9,8546x + 0,4202 R2 = 0,9998
0 5 10 15
1/С, дм3/ммоль РО4 3
Рис. 2.1зотерма в лгтйних координатахргвняння Ленгмюра
20
Оскшьки коефщент кореляцп мае значения 0,9998, можна зробити висновок, що рiвняння Ленгмюра добре описуе адсорбцш фосфатiв на з^зо-вмiсному сорбентi. Отже, вщомо, що екстраполяцiя залежностi до ос ординат дае вiдрiзок, рiвний зна-ченню 1/амК, а тангенс куту нахилу прямо! дорiв-нюе 1/a«. Тодi, оск1льки 1
tga = — = 9,8546;
1
= 0,4202;
аетК
Значення коефiцiентiв приймають вигляд: ммоль
ам = 0,1015-;
г
К = 23,45.
Шсля тдстановки розрахованих коефiцiентiв рiвняння Ленгмюра для опису адсорбцi! фосфапв з водного розчину на залiзовмiсному сорбентi прий-мае вигляд:
0
a = 0,1015-
23,45C
1 + 23,45C Модель Фрейндлiха.
Модель Фрейндлiха допускае, що адсорбцiя bí-дбуваеться з утворенням б№шо! шлькосл шарiв адсорбату на гегерогеннiй поверхш, а теплота адсо-рбцй' розподшяеться нерiвномiрно. Значения констант Фрейндлiха та iнгенсивнiсгь адсорбцй' виво-дять з експериментальних даних. Рiвияния Фрейн-длiха мае вигляд [15]:
i
a = КСП,
де К - значення адсорбцй' при рiвноважиiй кон-центрацй' адсорбату, ммоль/г;
n - сгепiнь вiдхиления iзогерми ввд прямо! ль
нп.
Лiнiйиу форму рiвняння Фрейидлiха отриму-ють тсля логарифмування рiвияния Фрейидлiха:
1
Iga = 1дК + — 1дС. п
Для знаходження констант рiвняння графiч-ним методом будують графiк в координатах lga=f(lgC). Графiк рiвияния Фрейидлiха в логариф-мiчних координатах, побудований за експеримен-тальними даними, наведено на рис. 3.
2,5
1,5
0,5
-y = 1,0022x - 1,0026 r2 = 0,9999
0,5
1,5
2,5
3 3,5
lg(C)
Рис. 3.1зотерма в логарифмгчних координатахргвняння Фрейндл1ха
Оскшьки коефщент кореляцп мае значення 0,9999, то можна зробити висновок, що рiвняння Фрейндлiха добре описуе адсорбцш фосфатiв на зал1зовмюному сорбентi.
Ввдомо, що екстраполящя залежностi до осi ординат дае вiдрiзок, рiвний значению lgK, а тангенс куту нахилу прямо! дорiвнюе 1/n. Тодi, оск1-льки
1
tga = -= 1,0022; п
lgK = —1,0026;
То значення коефщенпв приймають вигляд: п = 0,9978;
1 пл,с ммоль
К = Ю-1*0026 = 0,09 9 4-.
г
Шсля постановки розрахованих коефiцiентiв рiвняння рiвноваги Фрейндлiха для опису адсорбцй фосфапв з водного розчину на зал1зовмюному сор-бентi приймае вигляд:
а = 0,0994с1'0022.
Перевiрено сорбцшш властивостi залiзовмiс-ного сорбенту, який е вщходом станцiй знезалiз-нення по в1дношенню до фосфат-iонiв. Встанов-лено, що даний сорбент е ефективним щодо вилу-чення фосфат-iонiв. Сорбцiя задовiльно описуеться рiвняннями Ленгмюра i Фрейндл1ха.
Список лггератури:
1. Smith V. H., Tilman G. D., Nekola J. C. Eutrophication: impacts of excess nutrient inputs on freshwater, marine, and terrestrial ecosystems //
Environmental pollution. 1999. Vol. 100. No. 1. P. 179-196. https://doi.org/10.1016/S0269-
7491(99)00091-3
2. Rybicki, S. (1997). Advances wastewater treatment: phosphorus removal from wastewater.
3. Buda, A.R., Koopmans, G.F., Bryant, R.B. and Chardon, W.J. (2012), Emerging Technologies for Removing Nonpoint Phosphorus from Surface Water and Groundwater: Introduction. J. Environ. Qual., 41: 621-627. https://doi.org/10.2134/jeq2012.0080
4. Chardon, W. J., & Schoumans, O. F. (2007). Soil texture effects on the transport of phosphorus from agricultural land in river deltas of Northern Belgium, The Netherlands and North-West Germany. Soil Use and Management, 23, 16-24. https://doi.org/10.1111/j.1475-2743.2007.00108.x
5. Lee F. G. Detergent Phosphate Bans and Eutrophicationm / F. G. Lee, A. R. Jones // Environ. Sci. Technol.- 1986. - Vol. 20, N 4. - P. 330-331. https://doi.org/10.1021/es00146a003
6. Murphy, C. B. (1973). Effect of Restricted Use of Phosphate-Based Detergents on Onondaga Lake. Science, 182(4110), 379-381. http://www.jstor.org/stable/1737290
7. Jarvie, H. P., Neal, C., & Withers, P. J. (2006). Sewage-effluent phosphorus: a greater risk to river eutrophication than agricultural phosphorus? The Science of the total environment, 360(1-3), 246-253. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.08.038
8. Reynolds C.S. Sources and bioavailability of phosphorus fractions in freshwaters: a British
2
1
0
0
1
2
perspective / C.S. Reynolds, P.S. Davies // Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. - 2001. - Vol. 76, N 1. - P. 27-64.
9. Савлучинська М. О. Фосфор у водних еко-системах / М. О. Савлучинська, Л. О. Горбатюк // Науковi записки Тернопшьського нацюнального педагопчного ушверситету iменi Володимира Гна-тюка. Серiя : Бюлопя. - 2014. - № 4. - С. 153-162. -Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/NZTNPU_2014_4_27.
10. Прокопчук О. I. Фосфати у водних екосис-темах / О. I. Прокопчук, В. В. Грубшко // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Бюл., 2013. №3 (56). С.78-85.
11. Гомеля М.Д., Петриченко A.I., Трохименко Г.Г., Мартинюк Я.П. Дослвдженя вилучення фосфапв на анюнггах та створення безвiдходноï переро-бки регенерацiйних розчишв// Вода i водоочиснi технологи. Науково-технiчнi вiстi, №1(21), 2017. С.12-23.
12. Знезалiзнення пiдземних вод для питних цшей: [Монографiя пiд заг. ред. В.О.Орлова] /В.О.Орлов, О.М. Квартенко, С.Ю.Мартинов, Ю.1. Гордiенко]. - Рiвне: Видавничий центр УДУВГП, 2004. - 154с.
13. Critical Reviews in Environmental Science and Technology (2013): Removal and recovery of phosphate from water using sorption, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, DOI: 10.1080/10643389.2012.741311
14. Аналггачна хiмiя поверхневих вод / Наби-ванець Б.Й., Осадчий В.1., Осадча Н.М., Набива-нець Ю.Б. К.: Наукова думка, 2007. 455 с.
15. Azizian S. Kinetic models of sorption: a theoretical analysis. J Colloid Interface Sci. 2004 Aug 1;276(1):47-52. doi: 10.1016/j.jcis.2004.03.048. PMID: 15219428.
