CC BY
23
УДК 544.723
И. Г. Шайхиев, Нгуен Ким Тхи Тхоа, К. И. Шайхиева ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ДЕРЕВЬЕВ РОДА ACACIA ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ ИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД. 2. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Ключевые слова: компоненты деревьев рода Acacia, красители, сорбция, таннинсодержащие экстракты, коагулянты.
Обобщены сведения об использовании компонентов деревьев рода Acacia для удаления органических соединений из водных растворов. Показано, что листва, опилки и шелуха стручков акациевых деревьев эффективно сорбируют красители и фенол из модельных растворов. Более эффективно для удаления красителей, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и для обесцвечивания природных вод от взвешенных веществ использовать экстракты из коры акации черноствольной (Acacia mearnsii de Wild). Показано, что коагулянты, полученные сополимеризацией экстрактов с формальдегидом и азотсодержащими соединениями (NHjCl, диэтаноламин, глицидилтриметилам-моний хлорид) в низких дозировках способствуют удалению различных красителей и ПаАВ.
Key words: Acacia trees components, colorants, sorption, tannin-containing extracts, coagulants.
Literature findings about use of Acacia trees components for removal of organic compounds from water solutions were reported. Was showed, that foliage, sawdust, and pod's shells of Acacia trees sorb colorants and phenol from model solutions efficiently. More effective use of Acacia mearnsii de Wild bark for removal of colorants, surfactants and for discoloration of nature water from suspended substances. Also was showed that coagulants, which was obtained by copolymerization of phenol-containing extracts with formaldehyde and nitrogen-containing compounds (NH4Cl, di-ethanolamine, glitsidiltrimetilammonium chloride) in low dosages promote removal of different dyes and surfactants.
Ранее [1] было показано, что компоненты деревьев рода Acacia являются хорошими сорбционны-ми материалами для удаления ионов тяжелых металлов из водных объектов и сточных вод. В настоящем обзоре обобщены сведения по использованию компонентов акаций для удаления органических соединений из водных сред. Более всего публикаций посвящено сорбции красителей. Так, например, сообщается об извлечении красителей марок «Qystal violet» и «Rhodamine B» листьями Акации нильской (Acacia nilotica) [2]. Проведенными экспериментами определено, что наибольшая эффективность удаления названных красителей достигается при рН = 6 и времени контактирования 120 мин. Определено, что изотермы сорбции лучше всего описываются уравнением Ленгмюра, Максимальная сорбционная емкость, вычисленная из уравнения Ленгмюра, составила 33 и 37 мг/г для кристаллического фиолетового и родамина B, соответственно. Кинетика сорбции подчиняется модели псевдо-второго порядка.
Обработанные микроволновым излучением и химическим реагентом (концентрированная H2SO4) листья акации нильской частично карбонизировались и исследовались для удаления красителя «Rhodamine B» из модельных растворов. Проведенными экспериментами определено, что с увеличением рН среды от рН = 1 до рН = 8, сорбционная емкость несколько повышается. Максимальная сорб-ционная емкость листьев Acacia nilotica, обработанных серной кислотой и СВЧ излучением составили 20,22 и 22,13 мг/г, соответственно, при начальной концентрации красителя 200 мг/дм3 [3]. Изотермы сорбции более адекватно описываются уравнением Ленгмюра для обоих образцов сорбционного материала, а кинетика сорбции соответствует модели псевдо-второго порядка.
Также карбонизированные листья нильской акации с помощью СВЧ излучения или обработки концентрированной H2SO4 использовались для сорбции
красителя «Qystal violet». Максимальная сорбционная емкость достигается при рН = 5-6. Максимальная сорбционная емкость листьев Acacia nilotica, обработанных серной кислотой и СВЧ излучением составили 19,97 и 22,56 мг/г, соответственно, при начальной концентрации красителя 200 мг/дм3 [4]. Как и в предыдущем случае [3], для обоих образцов сорбционного материала изотермы сорбции более полно описываются уравнением Ленгмюра, а кинетика сорбции описывается моделью псевдо-второго порядка.
Исследована сорбция красителя «Basic Swiss blue» опилками нильской акации из модельных сточных вод. Образцы опилок обрабатывались формальдегидом или кипятились. При начальной концентрации красителя 50 мг/дм3, рН = 6 и дозировке опилок 4 г/дм3 после 120 минутного контактирования степень удаления составила 97,5 % и 95,9 % для опилок обработанных формальдегидом и кипячением, соответственно. Изотермы сорбции в обоих случаях адекватно (R2 = 0,9914 и 0,9955) описываются уравнением Ленгмюра, а кинетика сорбции соответствует модели псевдо-второго порядка [5].
Исследована сорбция красителей марок «Reactive Red 198» и «Reactive Blue 19» шелухой стручков акации крученой (Acacia tortilis). Проведенными исследованиями определено, что наибольшая степень удаления красителей при следующих условиях: рН = 4, t = 10-80 мин, доза сорбционного материала 2 г/дм3, начальная дозировка красителей 10-500 мг/дм3 [6]. Определено, что степень удаления красителей составляет 77,5 % и 77,0 при C0 = 50 мг/дм3. Найдено, что изотермы сорбции хорошо описываются уравнением Фрейнлиха.
Компоненты деревьев рода Acacia также исследовались для удаления фенола из водных сред. Например, тзмельченные оболочки стручков Acacia tortilis применялись для сорбции фенола из модельных растворов [7]. Проведенными экспериментами найдено, что степень извлечения фенола зависит от
концентрации последнего в растворе (С0 = 0,5-64 мг/дм3) и дозировки сорбционного материала (Ссм = 0,1-1,6 г/дм3). Определено, что степень удаления фенола составляет более 95 %. Определены параметры, при которых достигается наибольшее извлечение поллютанта: рН = 2, t = 10 мин, Ссм = 0,2 г/дм3 и размер частиц сорбционного материала - 60-100 меш. Изотермы сорбции более адекаватно описываются уравнением Фрейндлиха.
Измельченная камедь сенегальской акации (Acacia Senegal) исследовалась для изучения сорбции воды и масла. Определены энергия сорбции воды и масла, которые составили 21,98 и 39,57 кДж/моль, соответственно. Указывается, что сорбция подчиняется кинетической модели второго порядка [8].
Очевидно, что количество публикаций по сорбции органических компонентами деревьев рода Acacia весьма ограничено. Гораздо больше информации в литературных источниках по удалению органических поллютантов, в основном красителей, экстрактами из древесины акациевых деревьев. Как говорилось ранее [1, 9], в компонентах деревьев рода Acacia, особенно в коре, содержится большое количество таннидов, что придает водным растворам последних свойства коагулянтов, флокулянтов и ком-плексообразователей [10]. Таннинсодержащие экстракты из природного сырья в настоящее время все больше применяются для очистки сточных и при-
родных вод от различных поллютантов [11-16] и дисперсной фазы, придающей воде мутность.
В частности, проведены исследования по удалению мелкодисперсной фазы из речной воды с использованием в качестве коагулянта экстракта из коры акации Катеху (Acacia catechu) [17]. Определено, что добавление 3 см3 таннинсодержащего экстракта к 1 дм3 приводит к снижению мутности с 200 NTU до 18 NTU.
Выделенные из коры деревьев рода Acacia экстракты охарактеризованы с использованием методов ИК- спектроскопии [18, 19], УФ-спектроскопии [20], масс-спектрометрии и ЯМР С13-спектроскопии [21]. В экстрактах из Acacia mearnsii de Wild методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и хрома-то-масс-спектрометрии идентифицированы следующие соединения [22, 23]: лейкоробинетинидин и его димеры с катехином или галокатехином, фисетинидол и другие дубильные вещества, образованные триме-рами, тетрамерами и пентамерами дубильных веществ с молекулярной массой от 289 до 1473.
Экстракт из коры акации черноствольной (Acacia mearnsii de Wild) получил коммерческое наименование «Tanfloc» и применяется для водоподготовки [24]. Tanfloc получают взаимодействием экстракта из коры Acacia mearnsii de Wild с NH4Cl и формальдегидом [25]. Структура органического коагулянта, выделенного из коры черноствольной акации, приведена на рисунке 1.
Рис. 1 - Структура коагулянта Tanfloc [24]
Tanfloc применялся для удаления различных кра- зывается, что Tanfloc в дозировках 50-200 мг/дм3
сителей, в частности, марок «Alizarin Violet 3R», эффективно удаляет красители из модельных рас-
«Eriochrome Cyanine R», «Carmine Indigo», «Chicago Sky Blue 6B», «Palatine Fast Black WAN», «Acid Red 88» и других из модельных растворов [26-29]. Ука-
творов. Найдено, что соотношение Тапйос : краситель для эффективного извлечения последних составляет 1 : 0,5-1,5 мг/мг.
Для полимеризации взамен хлорида аммония предлагается использовать глицидилтриметиламмо-ний хлорид [30]. Полученный коагулянт эффективно удалял из модельных растворов краситель марки «Acid Blue 9». При дозировке коагулянта 50 мг/дм3 соотношение краситель : коагулянт составляло 0,7:1.
Также для полимеризации танинов вместо вышеназванных оснований исследовался диэтанола-мин. Полученный в результате сополимеризации органический коагулянт получил название CDF и также исследовался для удаления красителей из модельных растворов. В частности, CDF использовался для извлечения красителя марки «Palatine Fast Black WAN» [31]. При начальной дозировке красителя 100 мг/дм3 из водного раствора удаляется 85 % последнего при приливании 100 мл коагулянта к 1 дм3 раствора [32]. Определено, что температура мало влияет на степень удаления красителя, гораздо больше влияет рН раствора. Максимальное удаление красителя происходит при рН = 5.
Вышеназванные органические коагулянты также исследовались для удаления поверхностно-активных веществ (ПАВ) из модельных растворов индивидуально или в смеси с красителями [29, 31, 33]. В качестве ПАВ использовался додецилбензо-илсульфат натрия. Найдено, что при добавлении 150 мг коагулянта к 1 дм3 водного раствора, в котором содержалось 50 мг ПАВ, концентрация последнего уменьшилась до 7,5 мг/дм3 [31].
Также экстракт из коры Acacia mearnsii de Wild, обработанный формальдегидом, также использовался для удаления из водных растворов медицинского препарата «Trimethoprim». Найдено, что 1 г сорбционного материала сорбирует более 300 мг препарата [34].
Таким образом, выявлено, что компоненты деревьев рода Acacia возможно использовать для удаления органических красителей из водных растворов. Однако, большее распространение получила очистка от взвешенных веществ, красителей и ПАВ с использованием экстрактов из коры Acacia mearnsii de Wild, подвергнутых обработке формальдегидом и некоторыми азотсодержащими соединениями.
Литература
1. И.Г. Шайхиев, Нгуен Ким Тхи Тхоа, К.И. Шайхиева, Вестник технол. ун-та, 20, 3, 171-179 (2017).
2. A.L. Prasad, T. Santhi, Sustainable Environmental Research, 22, 2, 113-122 (2012).
3. T. Santhi, A.L. Prasad, S. Manonmani, Arabian Journal of Chemistry, 7, 4, 494-503 (2014).
4. A.L. Prasad, T. Santhi, S. Manonmani, Arabian Journal of Chemistry, 8, 3, 343-354 (2015).
5. M. Jain, A. Mudhoo, V.K. Garg, International Journal of Environmental Technology and Management, 14, 1-4 (2011); http://www.inderscienceonline.com/ doi/abs/10.1504/IJETM.2011.039271.
6. H.J. Mansoorian, A.J. Jafari, A.R. Yari, A.H. Mahvi, M. Alizadeh, H. Sahebian, Archives of Hygiene Sciences, 3, 1, 165-175 (2014).
7. H.J. Mansoorian, A.H. Mahvi, A.J. Jafari, M. Malakoo-tian, Water and Wastewater, 26, 2, 124-132 (2015).
8. C.I. Beristain, E. Azuara, H.S. Garcia, E.J. Vernon-Carter, International Journal of Food Science and Technology, 31, 5, 379-386 (1996).
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/акацнfl
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/TaHHHLi
11. C. Banchón, R. Baquerizo, D. Muñoz, L. Zambrano, Enfoque UTE, 7, 4, 111 - 126 (2016).
12. H.A.M. Bacelo, S.C.R. Santos, C.M.S. Botelho, Chemical Engineering Journal, 303, 575-587 (2016).
13. H.R. Arcila, J.J. Peralta, Revista Facultad de Ciencias, 11, 2, 136-153 (2015).
14. C-Y. Yin, Process Biochemistry, 45, 9, 1437-1444 (2010).
15. S. Kuppusamy, P. Thavamani, M. Megharaj, R. Naidu, Environmental Technology & Innovation, 4, 17-28 (2015).
16. L. Guzmán, Á. Villabona, C. Tejada, R. García, Actualidad & Divulgación Científica, 16, 1, 253-262 (2013).
17. S.S. Thakur, S. Choubey, International Journal of Chemical Technology Research, 6, 7, 3628-3634 (2014).
18. F. dos S. Grasel, M.F. Ferrao, C.R. Wolf, R.A. Ligabue, XXXIIIIULTCS Congress, Novo Hamburgo, Brazil, 2015. p. 1-10.
19. T. Canals, J.M. Morera, F. Combalia, E. Bartoli, E. Borras, The ALCA Journal - Search Results, 106, 9, 264-271 (2011).
20. F. dos S. Grasel, M.F. Ferrao, C.R. Wolf, Industrial Crops and Products, 91, 279-285 (2016).
21. Y.B. Hoong, A. Pizzi, P.M. Tahir, H. Pasch, European Polymer Journal, 46, 6, 1268-1277 (2010).
22. M. Kardel, F. Taube, H. Schulz, W. Schütze, M. Gierus, Journal of Applied Botany and Food Quality, 86, 154-166 (2013).
23. A.S. Mangrich, M.E. Doumer, A.S. Mallmann, C.R. Wolf, Revista Virtual de Quimica, 6, 1, 2-15 (2014).
24. E. Skoronski, B. Niero, M. Fernandes, M.V. Alves, V. Trevisan, Review Ambiente and Agua, 9, 4, 679-687 (2014).
25. J. Beltrán-Heredia, J. Sánchez-Martín, M.A. Dávila-Acedo, Journal of Hazardous Materials, 186, 2-3, 17041712 (2011).
26. J. Beltrán-Heredia, J. Sánchez-Martín, C. Martín-Sánchez, Industrial & Engineering Chemistry Research, 50, 2, 686693 (2011).
27. J. Beltran-Heredia, J. Sanchez-Martin, M.T. Rodriguez-Sanchez, Applied Water Science, 1, 25-33 (2011).
28. J. Beltrán-Heredia, J. Sánchez-Martín, M. Jiménez-Giles, Water, Air & Soil Pollution, 222, 1, 53-64 (2011).
29. J. Beltrán-Heredia, J. Sánchez-Martín, M.A. Dávila-Acedo, Chemical Engineering & Technology, 34, 12, 20692076 (2011).
30. J. Beltran-Heredia, J. Sanchez-Martin, M.T. Rodriguez-Sanchez, Coloration Technology, 128, 1, 15-20 (2012).
31. J. Beltran-Heredia, J. Sanchez-Martin, C. Gomez-Munoz, Applied Water Science, 2, 199-208 (2012).
32. J. Beltran-Heredia, J. Sanchez-Martin, C. Gomez-Munoz, Chemical Engineering Journal, 162, 3, 1019-1025 (2010).
33. J. Beltrán-Heredia, J. Sánchez-Martín, C. Solera-Hernández, Industrial & Engineering Chemistry Research, 48, 10, 5085-5092 (2009).
34. J. Beltrán-Heredia, P. Palo, J. Sánchez-Martín, J.R. Domínguez, T. González, Industrial & Engineering Chemistry Research, 51, 1, 50-57 (2012).
© И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, [email protected]; Нгуен Ким Тхи Тхоа - аспирант той же кафедры; К. И. Шайхиева - студентка той же кафедры.
© 1 G. Shaikhiev - Ph.D, head of engineering ecology cathedra of KNRTU, [email protected]; Nguyen Kim Thi Thoa - postgraduate student of engineering ecology cathedra of the same university; K. 1 Shaikhieva - student of engineering ecology cathedra of the same university.
