CC BY
2
УДК 544.526.2
Каратаева П.Р., Иванцова Н.А.
ФОТООКИСЛЕНИЕ ПИРОКАТЕХИНА В ПРИСУТСТВИИ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА И ПЕРОКСОДИСУЛЬФАТА КАЛИЯ
Каратаева Полина Руслановна - магистр 1-го года обучения кафедры промышленной экологии; pkarataeva@gmail.com.
Иванцова Наталья Андреевна - кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО «Российский химико -технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрено влияние усовершенствованных окислительных методов (Advanced Oxidation Processes) на очистку фенолсодержащих вод. Применялась технология УФ-излучения, а также комбинация излучения с пероксидом водорода (Н2О2) и пероксодисульфатом калия (К2S2О8). Была выявлена экспоненциальная зависимость степени очистки модельных растворов от времени воздействия УФ-излучения, а также от концентрации окислителей - пероксида водорода и пероксодисульфата калия. Наиболее эффективным оказался комбинированный метод УФ-излучения и окислителей (степень очистки более 99,9 %). При увеличении концентрации пероксодисульфата калия в модельном растворе можно достигнуть аналогичной степени деструкции фенола более 99,9 %.
Ключевые слова: УФ-излучение, фотоокисление, двухатомные фенолы, пирокатехин, пероксид водорода, пероксодисульфат калия.
PHOTOOXIDATION OF PYROCATECHOL IN THE PRESENCE OF HYDROGEN PEROXIDE AND POTASSIUM PEROXODISULFATE
Karataeva P.R., Ivantsova N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the influence of advanced oxidation methods (Advanced Oxidation Processes) on the purification of phenol-containing waters. UV radiation technology was used, as well as a combination of radiation with hydrogen peroxide (H2O2) and potassium peroxodisulfate (K2S2O8). An exponential dependence of the degree of purification of model solutions on the time of exposure to UV radiation, as well as on the concentration of oxidants -hydrogen peroxide and potassium peroxodisulfate, was revealed. The combined method of UV radiation and oxidizing agents proved to be the most effective (the degree of purification was more than 99.9 %). A similar degree of phenol destruction of more than 99.9 % can be achieved with an increase in the concentration ofpotassium persulfate in the model solution.
Key words: UV radiation, photooxidation, benzenediols, catechol, hydrogen peroxide, potassium peroxodisulphate.
Введение
Активное распространение органических соединений, в частности, фенолов в окружающей среде является крайне серьезной проблемой последних десятилетий. Фенольные соединения имеют тенденцию оставаться устойчивыми в окружающей среде в течение длительного периода времени, биоаккумулироваться и оказывать токсическое воздействие на людей и животных. Появление фенольных соединений в природных водах является следствием антропогенной деятельности, а также образованием в природных условиях (разложение мертвых растений и животных, а также синтез микроорганизмами и растениями в водной среде). Антропогенным источником загрязнения воды фенольными соединениями является промышленная, бытовая, сельскохозяйственная и другие виды деятельности [1].
Сброс недостаточно очищенных фенольных сточных вод может привести к серьезному риску для здоровья населения и водных экосистем. Из-за присутствия токсичных фенольных соединений эффективная очистка фенольных сточных вод с помощью обычных биологических процессов является довольно сложной задачей.
Среди многих методов очистки, доступных для обработки токсичных и устойчивых к биодеградации органических загрязняющих веществ, весьма перспективным методом является
усовершенствованные окислительные процессы (Advanced Oxidation Processes - AOPs), разрушение соединений происходит за счет образующихся гидроксильных радикалов (OH) [2].
За последнее десятилетие комбинированные окислительные процессы на основе сульфатных анион-радикалов SO4- (SR-AOPs - sulfate radical advanced oxidation processes) получили интенсивное развитие и рассматриваются как одни из наиболее эффективных для очистки природных и сточных вод. Как известно, в этих процессах в качестве окислителей используются
пероксосульфосоединения, в основном это пероксомоносульфаты (HSO5-) и персульфаты (S2O82-). При их активации различными методами (ультрафиолетовым (УФ) излучением, ультразвуком, ионами переходных металлов или термически) в водном растворе генерируются SO4 - и гидроксильные (OH) радикалы (1-3) [3].
Ну
82О82- ^ 2804" (1) 804" + Н2О ^ ОН- + 8О42" + Н+ (2) 804 " + ОН" ^ ОН- + 8О42" (3)
По сравнению с другими методами, использование усовершенствованных и
фотоактивированных окислительных процессов в очистке сточных вод от органических загрязнителей в настоящее время признано одним из наиболее инновационных и перспективных методов защиты окружающей среды. А активные свободные радикалы, образующиеся в результате фотокаталитической реакции, могут разлагать органические загрязнители на СО2 и Н2О, которые не вызывают вторичного загрязнения.
Целью данной работы оценка эффективности усовершенствованных окислительных процессов на очистку модельных растворов от двухатомного фенола (пирокатехина), нахождение оптимальной концентрации окислителей - пероксида водорода и пероксодисульфата калия, а также времени воздействия УФ-излучения, требуемое на полную деструкцию пирокатехина.
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследования был выбран модельный раствор пирокатехина с концентрацией 10 мг/л. Для количественного определения содержания его в пробе использовали фотометрический метод с образованием окрашенного соединения с 4-аминоантипирином в присутствии персульфата аммония при рН = 10,0 ± 0,2 [4]. Концентрация пероксида водорода варьировалась в диапазоне от 0,0012 до 0,006 моль/л. Время (т, с) УФ-излучения -от 47 до 118 с.
Исследования по окислительной деструкции пирокатехина проводили на УФ-излучателе проточного типа с горизонтальным змеевиковым реактором, представленным на рисунке 1. Схема установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки со змеевиковым горизонтальным реактором: 1 - исходная емкость, 2 - насос, 3 - корпус, 4 - кварцевый змеевик, 5 -эксимерная лампа ДРБ-8, 6 - приемник
Экспериментальные данные
Исходя из полученных экспериментальных данных, показанных на рисунке 2, было определено, что окислительная деструкция фенольного соединения в модельном растворе в процессе воздействия УФ-излучения экспоненциально возрастает с увеличением времени экспозиции. Максимальная степень очистки от пирокатехина около 32 %.
Рис. 2. Зависимость эффективности окислительной деструкции от времени воздействия УФ-излучения
Уравнения реакций, протекающие при воздействии окислителей на модельные растворы, содержащие пирокатехин (1,2):
СбНбО2 + 1ЗН2О2 ^ 6СО2 + 16Н2О (1) СбНбО2 + 13К282О8 + ЮН2О ^ 26КН8О4 + 6СО2 (2)
Использование комбинации УФ-излучения и окислителя (пероксида водорода) значительно повышает эффективность процесса деструкции пирокатехина даже при наименьшем времени воздействия (рис. 3). Оптимальная концентрация пероксида водорода, при которой степень деструкции пирокатехина достигает больше 99 %, равна 0,006 моль/л. Благодаря введению окислителя количество гидроксильных радикалов увеличивается, что дает более эффективную очистку модельного раствора в сравнении с использованием только технологии ультрафиолетового излучения (в 3 раза эффективнее).
■ С = 0,0012 моль/л [: С = 0,0024 моль/л ПС = 0,006 моль/л
118 113 82 61
т,с
Рис. 3. Зависимость эффективности окислительной деструкции от времени воздействия УФ-излучения при концентрации пероксида водорода от 0,0012 до 0,006 моль/л
Экспериментальные данные (Таблица 1) были получены при сравнении двух окислителей с варьированием концентрации, но при одинаковой производительности насоса (время воздействия УФ-излучения 82 с). Согласно данным, фотоокисление водных растворов двухатомного фенола достигает наибольшей эффективности в комбинации УФ-излучения и окислителей при стехиометрическом соотношении 1:5 (99,99%).
Табл. 1. Экспериментальные данные фотоокисления пирокатехина
УФ- излучение Н2О2 Н2О2 Н2О2 K2S2O8 K2S2O8 K2S2O8
Концентрация окислителей (ммоль/л) - 1,2 2,4 6,0 1,2 2,1 4,4
Стехиометрическое соотношение - 1:1 1:2 1:5 1:1 1:2 1:5
Эффективность фотоокисления (%) 13,66 75,59 97,45 99,99 73,77 85,16 99,99
Заключение
Установлено влияние УФ-излучение на деструкцию двухатомного фенола (пирокатехина), однако использование только данной технологии не является крайне эффективной (не более 32% при максимальном времени воздействия), требуется введение окислителей, способствующий
образованию дополнительных гидроксильных радикалов. Использование комбинации УФ-излучения и окислителей позволяет достигнуть степени очистки выше 99,99 %. Оптимальное время воздействия УФ-излучения 113-118 с. Использование пероксодисульфата калия в сравнении с пероксидом водорода также способствует достижению высоких показателей, что позволяет считать данный окислитель более безопасным, экономически выгодным и альтернативным пероксиду водорода.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о перспективности применения усовершенствованных окислительных процессов для очистки фенолсодержащих вод.
Список литературы
1. Anku W. W. Phenolic Compounds in Water: Sources, Reactivity, Toxicity and Treatment Methods / W.W. Anku, M. Mamo, P. Govender. - UK: INTECH, 2017. - 443 p.
2. Mao, X. Enhanced electrochemical oxidation of phenol by introducing ferric ions and UV radiation / X. Mao, L. Wei, S. Hong, H. Zhu, A. Lin, F. Gan // Journal of environmental sciences. - 2008. - № 20(11). - 13861391 p.
3. Попова С. А., Матафонова Г. Г., Батоев В. Б. Сонофотохимическое окисление органических поллютантов в водных растворах с применением персульфата. / С. А. Попова, Г. Г. Матафонова, В. Б. Батоев // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2020. - Т. 63 (10). - 105-109 с.
4. Лурье, Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод / Ю. Ю. Лурье. -Москва: Химия, 1984. - 448 с.
