CC BY
2
УДК 542.943:535.247:628.349.094.3
Дубровина В.Н., Кузнецов О.Ю., Иванцова Н.А., Кулебякина А.И.
ФОТОЛИЗ ТЕРЕФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ШИРОКОГО СПЕКТРА
1 Дубровина Валерия Николаевна - аспирант 1-го года обучения кафедры промышленной экологии; kaleria0510@gmail.com
Кузнецов Олег Юрьевич - доктор технических наук, профессор кафедры промышленной экологии; kuznetsovico@yandex.ru
Иванцова Наталья Андреевна - кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии; ivantsova.n.a@muctr.ru
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9;
2Кулебякина Анна Игоревна - заведующая сектором ФХТ ООО «НПП «Мелитта»; Россия, Москва, 117997, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10; annkulebiakina@gmail.com
В статье рассмотрен фотолиз терефталевой кислоты в водной среде под воздействием монохроматического источника ультрафиолетового излучения (ртутная лампа низкого давления) и источника ультрафиолетового излучения широкого спектра (импульсная ксеноновая лампа). Определено, что эффективность очистки повышается при использовании источника излучения с широким спектром. Доказано, что применение импульсной ксеноновой лампы дает возможность сократить время обработки раствора терефталевой кислоты в три раза, что позволит оптимизировать процесс очистки воды от терефталевой кислоты.
Ключевые слова: сточные воды, очистка, терефталевая кислота, ультрафиолетовое излучение, фотолиз, импульсная ксеноновая лампа
PHOTOLYSIS OF TEREPHTHALIC ACID UNDER THE INFLUENCE OF A CONTINUOUS SPECTRUM ULTRAVIOLET RADIATION
Dubrovina V.N.1, Kuznetsov O.Yu.1, Ivantsova N.A.1, Kulebyakina A.I.2
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2NPP Melitta LLC, Russia, Moscow, 117997, st. Moscow, st. Miklukho-Maclay, 16/10
The article considers the photolysis of terephthalic acid in an aqueous medium under the influence of a monochromatic source of ultraviolet radiation (a low-pressure mercury lamp) and a source of broad-spectrum ultraviolet radiation (a pulsed xenon lamp). It has been determined that the cleaning efficiency increases when using a radiation source with a wide spectrum. It has been proven that the use of a pulsed xenon lamp makes it possible to reduce the processing time of a terephthalic acid solution by three times, which will optimize the process of water purification from terephthalic acid.
Key words: waste water, purification, terephthalic acid, ultraviolet radiation, photolysis, xenon flash lamp.
Введение
С повсеместным ростом производственных масштабов, значительно увеличивается потребность в водопотреблении. Наряду с этим, сброс предприятиями сточных вод, содержащих в своем составе органические загрязнители, в том числе и ароматические углеводороды, довольно
распространен и ведет к значительному ухудшению состояния окружающей среды в целом. Многие углеводороды, в том числе и терефталевая кислота, плохо поддаются удалению обычными способами, особенно растворенные фракции органических загрязнителей, и представляют особую опасность ввиду своей токсичности. Следовательно, очистка стоков, содержащих органические загрязнители, на текущий момент является актуальной задачей. Терефталевая кислота является основным исходным продуктом для получения полиэтилентерефталата (ПЭТФ), гранулят которого в свою очередь используется для производства искусственного волокна, пластиковых бутылок, пленки, пластмассы [1].
В последнее время развиваются передовые окислительные технологии, основанные на разложении органических загрязнителей, в том числе и ароматических, под действием радикалов. Это сравнительно новые методы очистки сточных вод, которые набирают все большую популярность для очистки стоков, содержащих органику [2,3]. В настоящее время наибольшее распространение и промышленную реализацию получили методы, основанные на использовании ртутных ламп низкого давления. Данный тип источника имеет одну длину волны излучения (254 нм), требует времени на разогрев и специальных мер по утилизации. Несмотря на достаточно высокую эффективность преобразования электрической энергии
монохроматичность, а, следовательно, селективность воздействия, низкая интенсивность излучения, отвечающая за скорость фотохимичекой реакции, и невысокие значения удельных мощностных характеристик ограничивают возможные сферы применения. Спектр поглощения терефталевой кислоты в ультрафиолетовой области имеет два
максимума поглощения - на длине волны 240 нм и на длине волны 290 нм [4]. Соответственно, для терефталевой кислоты излучательные
характеристики ртутной лампы низкого давления с пиком излучения на 254 нм подходят, но не в полной мере. Гораздо более перспективным представляется использование ультрафиолетового источника со сплошным спектром излучения. Таким источником сплошного спектра для активации
фотоокислительных процессов импульсной ксеноновой лампы (ИКЛ) [5]. Этот источник характеризуется высокой пиковой интенсивностью и непрерывным спектром излучения в широком диапазоне длин волн (200-700 нм). Импульсная ксеноновая лампа работает в импульсно-периодическом режиме с заданной частотой и, в отличие от ртутных ламп, не требует времени на прогрев [6].
Основной задачей данной работы являлось сравнение эффективности фотолиза терефталевой кислоты под воздействием импульсной ксеноновой лампы и ртутной лампы низкого давления.
Методика эксперимента
Проточный стенд для исследований фотохимической деструкции (рис. 1) представляет собой бак Б1, в который заливался исходный раствор. Насосом Н1 вода подавалась в фотохимический реактор Р1 и возвращалась в бак Б1. Таким образом, создаётся замкнутый цикл, позволяющий облучать раствор с маркерным веществом необходимое количество времени. Для определения объемного расхода воды в системе предусмотрен ротаметр РТМ1. Для контроля давления на линии нагнетания насоса Н1 установлен манометр М1.
1
Б1
~$к 3
слиЬ
а
Н1
М1
Ц5
К2 чх-
Р1
РТМ1
Рис. 1. Принципиальная схема проточного стенда.
Б1 - бак накопительный, 50 л; РТМ1 -ротаметр; Н1 - насос; Р1 - фотохимический реактор; М1 - манометр.
Для экспериментов с терефталевой кислотой в бак Б1 наливали 26 литров дистиллированной воды, добавляли 0,4 г порошка терефталевой кислоты (Ч) и перемешивали насосом Н1 через байпасную линию в течении 15 минут. Расчётная концентрация фенола в объёме - 15 мг/л. Далее раствор объёмом 26 л разделяли на две части по 13 литров, одна из которых подверглась облучению в фотохимическом
реакторе импульсной ксеноновой лампой (ИКЛ), другая - ртутной лампой низкого давления (РЛНД).
Технические характеристики используемых ламп представлены в таблице 1.
Табл. 1. Характеристики изученных
ламп
Характеристики/лампа ИКЛ РЛНД
Характер работы импульсный непрерывный
Частота, Гц 3,3 -
Спектр, нм Сплошной 254
Энергия в диапазоне 200-300 нм, Дж 4,4 4,15
Средняя потребляемая мощность, Вт 200 30
Средняя мощность излучения, Вт 14,52 4,15
Анализ проб с терефталевой кислотой проводили по методике ФР.1.31.2008.01736 (модификация). Определение массовой
концентрации проводили методом
высокоэффективной жидкостной хроматографии с использованием спектрофотометрического
детектирования. Для каждой лампы рассчитывали время, которое необходимо для достижения выбранной дозы облучения.
Экспериментальная часть
Графическая зависимость концентраций терефталевой кислоты от времени облучения с импульсной ксеноновой (ИКЛ) и ртутной лампой низкого давления (РЛНД) представлены на рисунке 2.
ж
0.8
■
*
V - _ *
1 \ 1 1 1 ♦
1 1 1 1 н-1 1—1 . —1 I 1
1 1 1
-ен о
В-**
ч 3
I §,:'4
а к
Я"
я
о
И
О 50 100 150 2'."":' 250 300 350 4'."":' 450 500 Время, мин
Рис. 2. Зависимость концентраций терефталевой
кислоты от времени облучения с ИКЛ и РНЛД
Полулогарифмические анаморфозы
кинетических кривых разложения терефталевой кислоты под действием импульсной ксеноновой лампы (ИКЛ) и ртутной лампы низкого давления (РЛНД), выражающие зависимость от времени облучения представлены на рисунке 3.
, у = $Е-0Бх *РЛНД
/ щ R2 = г____ J4/07 • икд
t ■
А ; -■"-••' ,.у = 2Е-05х
t * £_ F'" =Û.;'?54
•
в / ---*
?.....
О 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Время, с
Рис. 3. Анаморфозы кинетических кривых разложения терефталевой кислоты в процессе фотолиза
По экспериментальным данным эффективная константа скорости реакции для импульсной
г _
ксеноновой лампы ¿71^ = 6*10 -1 в 3 раза превышает эффективную константу скорости для ртутной лампы низкого давления = 2 * Ю-3 ■
Сравнение результатов облучения двумя различными лампами по удельной дозе представлены на рисунке 4.
Как видно из графика (рис. 4), различие в степени деструкции терефталевой кислоты от удельной дозы для двух ламп различается, но не существенно. Для снижения концентрации терефталевой кислоты на 30%, при облучении импульсной ксеноновой лампой, удельная доза составляет около 4400 Дж/л, тогда как для ртутной лампы низкого давления, удельная доза находится в районе 6500 Дж/л. Соответственно, при облучении одинаковой дозой раствора, деструкция терефталевой кислоты под действием импульсной ксеноновой лампой будет проходить примерно в 1,4 раз лучше, чем при облучении ртутной лампой низкого давления.
*-----
пкл г ♦
■
0123456789 1'."' 11 Уд&пшая доза, кДж/л
Рис. 4. Зависимость концентраций терефталевой
кислоты от удельной дозы при облучении импульсной ксеноновой (ИКЛ) и ртутной лампой низкого давления (РЛНД)
Заключение
На базе проточного лабораторного стенда проведены сравнительные исследования деструкции терефталевой кислоты в процессе фотолиза в фотохимическом реакторе с различными источниками излучения. Полученные результаты показывают, что при одинаковой удельной дозе скорость деструкции под воздействием импульсной ксеноновой лампы и ртутной лампы низкого давления различаются. Однако, для терефталевой кислоты тенденция роста скорости деструкции при облучении импульсной ксеноновой лампой более характерна, чем при облучении ртутной лампой низкого давления. Это может быть связано с поглотительной способностью молекулы
терефталевой кислоты, которая для 254 нм (спектр излучения ртутной лампы низкого давления) не максимальна. Широкий спектр излучения импульсной ксеноновой лампы позволяет перекрыть максимум поглощения терефталевой кислоты, что приводит к ускорению процесса ее разложения.
Помимо этого, различается время для достижения одинаковой удельной дозы при использовании импульсной ксеноновой лампы и ртутной лампы низкого давления. Применение импульсной ксеноновой лампы дает возможность сократить время облучения терефталевой кислоты в три раза.
Список литературы
1. Химия и технология производства полиэтилентерефталата: уч. пособие/ У. Р. Урманцев, Грудников И.Б., Табаев Б.В., Лакеев С.Н., Давыдова О.В. 2015. - 130 с.
2. Maria Klavarioti, Dionissios Mantzavinos, Despo Kassinos. Removal of residual pharmaceuticals from aqueous systems by advanced oxidation processes // Environment International. Vol 35. № 2. 2009. pp. 4G2-417.
3. Masroor Mohajerani, Mehrab Mehrvar, Farhad Ein-Mozaffari. An Overview of the Integration of Advanced Oxidation Technologies and Other Processes for Water and Wastewater Treatment // International Journal of Engineering. 2009. Vol. 3. №2. pp. 12G-146.
4. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.nist.gov/ (дата обращения: 22.05.22)
5. Камруков А.С., Кулебякина А.И.. Сборник научных трудов «VIII международный симпозиум по радиационной плазмодинамике» // Энергетические и спектрально-яркостные характеристики дуговой ксеноновой лампы ДКСШ-3000 в мощных импульсных режимах. Москва. 2009.
6. Камруков А.С., Киреев С.Г., Кулебякина А.И., Козлов Н.П., Шашковский С.Г., Яловик М.С. Энергетические и спектрально-яркостные характеристики трехэлектродной импульсной ксеноновой лампы высокого давления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. С. 135-154.
