CC BY
0
УДК 658.567.1, 628.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДА ПРОИЗВОДСТВА ГОФРОТАРЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ КРАСИТЕЛЯ "МЕТИЛЕНОВЫЙ ГОЛУБОЙ"
Ж. А. Сапронова, С.В. Свергузова, А.В. Святченко, Е.С. Иевлева
В мире ежегодно производится более 100 тыс. т красителей, и около 10 % красителей попадает в окружающую среду, нанося вред природным экосистемам и здоровью человека. В последние годы были проведены обширные исследования по использованию новых потенциально недорогих адсорбирующих материалов, которые можно использовать для очистки стоков от таких веществ, как красители. Следуя концепции экономики замкнутого цикла, любой побочный продукт должен быть преобразован в новый ресурс для следующего производственного цикла. Такой подход принесет пользу как экономике, так и обществу. Целлюлозно-бумажная промышленность играет важную роль в мировой экономике. Из-за объемов производства бумажной и целлюлозной промышленности количество образующихся отходов также имеет огромные масштабы. В работе приведены исследования по оценке возможности применения отхода производства гофротары для очистки сточных вод от красителя «метиленовый голубой». Установлено, что отход производства гофротары может сорбировать краситель из водного раствора. Для увеличения эффективности очистки была проведена температурная модификация отхода. Термообработанный материал показал более высокие значения эффективности очистки, установлено, что оптимальной температурой модификации является 250 °С.
Ключевые слова: гофротара, отход, метиленовый голубой, термообработка, очистка.
Введение
Чистая вода имеет решающее значение для человека. Токсичные тяжелые металлы и органические красители являются опасными загрязнителями сточных вод, и представляют серьезную угрозу [1].
В последние годы образование красильных сточных вод быстро увеличивается. Подсчитано, что ежегодно производится более 100 000 т красителей, и около 10 % красителей выбрасывается в окружающую среду с отходами, нанося тем самым серьезный вред водным организмам и здоровью человека. В процессе производства красителей бензол, нафталин, анилин, антрахинон и другие соединения используются в качестве сырья и обычно хелатируются с металлами или солями в сточных водах, содержащих кислоты, щелочи, соли, галогены, углеводороды, соответствующие промежуточные продукты и другие вещества.
Кроме того, некоторые красители могут разлагаться с образованием канцерогенных и/или токсичных ароматических аминов или соединений, содержащих пиридин, цианид, фенол и тяжелые металлы, такие как ртуть, кадмий и хром [2].
Красители устойчивы к свету, воде, окислителям и другим химическим веществам из-за их сложной структуры. Был предложен ряд методов очистки для удаления текстильных красителей из сточных вод, включая фотокаталитическую, химическую и электрохимическую деградацию, ультрафильтрацию, катионообменные мембраны, биологическую очистку Фентона и адсорбцию на активированном угле [3].
В большинстве ситуаций использование комбинации различных методов очистки необходимо для удаления всех загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах. Поэтому адсорбция стала одним из наиболее эффективных методов обесцвечивания текстильных сточных вод
[3, 4].
Несмотря на частое использование адсорбции в системах очистки сточных вод, коммерчески доступный активированный уголь остается дорогим материалом.
Стоимость является важным фактором для сравнения применимости адсорбентов при очистке сточных вод красильных цехов.
В последние годы были проведены обширные исследования по использованию новых потенциально недорогих адсорбирующих материалов, которые могли бы стать альтернативой активированному углю. Существует необходимость в разработке и эксплуатации большого количества экономичных и доступных на местном уровне адсорбентов, которые позволили бы снизить капитальные затраты на очистку сточных вод от красителей.
Как правило, адсорбент считается недорогим, если он требует небольшой обработки, широко распространен в природе или промышленности с высокой адсорбционной способностью [4].
В отчете под названием «Что такое отходы 2.0: глобальный обзор управления твердыми отходами до 2050 года» прогнозируется, что глобальное годовое образование отходов увеличится с 2,01 млрд т в 2016 году до 3,5 млрд т в 2050 году по мере экономического развития стран, а также урбанизации и увеличить их популяцию. К 2025 году темпы образования отходов оцениваются в 1 кг в день на душу населения.
Отходы - это не только экологическая проблема. Данный вопрос рассматривается и на политическом уровне. Организации, занимающиеся утилизацией отходов, не всегда справляются с задачей обращения с отходами и защиты окружающей среды. Решения возможны, но они требуют политических решений на законодательном уровне и значительных инвестиций [5].
Для выполнения требований по охране окружающей среды применяются различные подходы к устойчивому производству. В настоящее время одной из наиболее применяемых моделей являются «экономика замкнутого цикла» и «биоэкономика», которые, имея некоторые отличия, в то же время сходятся в нескольких точках, особенно в использовании вторичных ресурсов [6].
Концепция экономики замкнутого цикла основывается на трех пунктах: сокращение, повторное использование, переработка. Следуя этой схеме, любой побочный продукт должен быть преобразован в новый ресурс для следующего производственного цикла. Сохранение окружающей среды приносит пользу как экономике, так и обществу. Концепции циркулярной экономики и зеленой экономики имеют один и тот же принцип: «адаптировать или трансформировать текущую экономику в сторону более устойчивой» [7].
В РФ отходы промышленности не могут быть захоронены. Такие отходы требуют особых мер по утилизации. Хранение являются дорогостоящим мероприятием для любого промышленного предприятия, включая значительные эксплуатационные затраты и выплат штрафов в соответствии с классом токсичности отходов.
Поднимая вопрос утилизации отходов все чаще взамен понятия «отходы производства» употребляется понятие «вторичное сырье». Актуальность этого понятия заключается в том, что для организации производства продукции на их основе требуется до 3 раз меньше затрат, чем для производств на основе специально добываемого природного сырья. При комплексном подходе промышленные отходы одних производств являются исходным сырьем для других производств [8, 9].
Постановка проблемы
Целлюлозно-бумажная промышленность играет важную роль в европейской экономике и обеспечивает около 8 % добавленной стоимости в обрабатывающей промышленности ЕС [10]. Из-за объемов производства бумажной и целлюлозной промышленности количество образующихся отходов также имеет огромные масштабы.
Это приводит к увеличению потребления энергии и выбросов С02. Отходы, образующиеся в бумажной промышленности, зависят от исходного материала, используемого для производства, и типа производимой бумаги. Утилизация этих отходов представляет собой большую проблему из-за их большого количества. Поэтому использование этих отходов для получения новых материалов для хозяйственной деятельности является большим шагом на пути к зеленой энергетике и экологической устойчивости [11-14].
В работе приведены исследования по оценке возможности использования отхода производства гофротары для очистки сточных вод от красителей. Сырьем для выпуска продукции на предприятии являются различные виды использованной бумаги и картона.
В ходе производства на стадии фильтрования измельченной бумажно-картонной пульпы образуется шлам, который состоит из измельчённых частиц, нитей, волокон целлюлозосодержащего материала. В настоящее время шлам является невостребованным в качестве вторичного сырья.
Материалы и методы
Объектами исследований являлись:
Отход производства гофротары (ОГ), содержащий в качестве основных компонентов лигнин и остатки целлюлозы.
Модельные воды, содержащие краситель «метиленовый синий».
Метиленовый синий - основной краситель, химическая формула C16H18QN3S, молярная масса 319,9 г/моль, темно-зеленые кристаллы или кристаллический порошок с бронзовым блеском (рис. 1). Непахуч, стабилен на воздухе. Растворим в воде и хлороформе; немного растворим в спирте. В воде или спирте образует темно-синий раствор [15-17].
СН3 СН3
Рис. 1. Метиленовый синий, структурная формула
Проба ОГ, была предварительно высушенная до постоянной массы в сушильном шкафу «Loip LF-7/13-G2» (Россия) при t = 110 °С. Проба была исследована по следующим показателям: pH водной вытяжки, размер частиц, насыпной вес, потери при прокаливании, pH водной вытяжки определяли c помощью pH-метра I-500 «Akvilon».
Микроскопическое строение частиц ОГ оценивали с помощью микроскопа TESCAN MIRA LMU. Концентрацию красителя измеряли фо-токолориметрически (прибор spectrophotometer "KFK-3", Russia).
Очистку модельных растворов проводили статическим способом путем смешивания образцов сорбента с водной системой с последующей фильтрацией отработанного сорбционного материала. Эффективность очистки определяли по изменению концентрации в пробах после очистки.
Результаты
Структуру микрорельефа поверхности материала изучали с помощью электронной микроскопии. Полученные микрофотографии представлены на рис. 2.
На фотографиях видно, что ОГ имеет волокнистую структуру и развитый микрорельеф.
Энергодисперсионный анализ ОГ показал, что в материале преобладают следующие вещества, %: углерод (C) - 51,4; кислород(О) - 44,3; кремний (Si) - 1,5; алюминий (Al) - 1,5. Такие вещества, как магний, кальций, натрий, сера, титан, железо, хлор, фосфор, калий содержатся в нем в количестве 0,1... 0,2 %.
Рис. 2. Микрорельеф материала ОГ
Насыпная плотность материала ОГ рнас равна 0,21 г/см3; истинная плотность рист равна 0,97 г/см3; потери при прокаливании (п.п.п.) - 93,6 %; pH водной вытяжки - 5,6.
Возможность применения ОГ для водоочистки окрашенных водных сред определяли экспериментально. Содержание красителя МГ в модельном растворе - 0,035 г/дм3. Результаты исследования даны в таблице.
Эффективность очистки модельных вод
Дисперсность частиц ОГ, мм Извлечение МГ, %
Доза ОГ 0,1 г/100 см3
0 < 2 64
2 < 0 <5 41
Доза ОГ 0,5 г/100 см3
0 < 2 76
2 < 0 <5 53
Учитывая, что эффективность очистки, достигнутая на данном этапе исследований, довольно невысокая, для повышения сорбционных свойств ОГ проводилось температурное воздействие на материал ОГ, которое осуществляли в соответствии с методикой, описанной выше.
Исходный отход - светло-серого цвета, с повышением температуры он стал приобретать более интенсивную окраску, сначала коричневую, затем черную. Наиболее интенсивная черная окраска была у материала, полученного при температуре 250 С. С дальнейшим повышением температуры ОГ постепенно осветлялся, при температурах свыше 500 С материал имел практически белый цвет.
В экспериментах использовали раствор МГ с концентрацией красителя 30 мг/дм3. К модельному раствору в количестве 100 см3 добавляли по 0,1 г ОГ. После 30-минутного перемешивания раствора с добавленным ОГ смесь фильтровали и в фильтрате определяли концентрацию МГ после очистки методом фотоколориметрии. Полученные результаты представлены на рис. 3.
^ 500
450 400
350 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
о го
200
с
Ц нативный ь
0 20 40 60 80 100
Эффективность, %
Рис. 3. Изменение эффективности очистки в зависимости от температуры обработки ОГ
Анализ результатов исследований эффективности очистки показывает, что наиболее эффективным является материал, обожженный при температуре 250 С. Повышение температуры обжига до 250 С приводит к активации поверхности сорбционного материала при удалении связанной воды. Дальнейший рост температуры активизирует разложение основных компонентов ОГ - целлюлозы и лигнина.
Заключение
При помощи электронного микроскопа была исследована структура поверхности ОГ. Предварительные исследования позволили установить, что ОГ может сорбировать краситель из водного раствора. При помощи температурной обработки ОГ в муфельной печи были получены образцы сорбционных материалов. Установлено, что оптимальной температурой модификации является 250 С.
Использование ОГ в качестве сорбционного материала для очистки сточных вод от красителей позволит снизить антропогенную нагрузку сразу в нескольких аспектах - утилизации промышленных отходов и предотвращение загрязнения водных экосистем.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
Список литературы
1. Removal of chromium from aqueous solution by porous Bi2MoO6@BiOCl nanostructure / A.H. Shah, W. Gu, Z.U. Abideen, F. Teng // J. of Solid-State Chemistry. 2020. No. 292. P. 121719.
2. Gao Y., Yang B., Wang Q. Biodegradation and decolorization of dye wastewater: a review // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2018. V. 178. P. 012013.
3. Gunturu B., Palukuri N.R., Sahadevan R. Decolorisation of Basic Textile Dye from Aqueous Solutions using a Biosorbent derived from Thespesia populnea used Biomass // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering.
2018. V. 330. P. 012036.
4. Sivamani S., Leena G.B. Removal of dyes from wastewater using adsorption - a review // International J. of BioSciences and Technology. 2009. No. 2(4). P. 47-51.
5. Fedotkina O., Gorbashko E., Vatolkina N. Circular economy in Russia: drivers and barriers for waste management development // Sustainability.
2019. V. 11. P. 5837
6. Aquaculture as a circular bio-economy model with Galicia as a study case: How to transform waste into revalorized by-products / M. Fraga-Corral [et al.] // Trends in Food Science & Technology. 2022. V. 119. P. 23-35.
7. Santeramo F.G. Circular and green economy: the state-of-the-art // Heliyon. 2022. No. 8. P. 09297.
8. Исхакова Р.Я. Очистка сточных вод предприятий химической промышленности карбонатным шламом (на примере ОАО «Казанский завод синтетического каучука»): дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2014. 136 с.
9. Свергузова С.В., Сапронова Ж.А., Святченко А.В. Технология получения железосодержащего коагулянта из отходов сталеплавильного производства для очистки ливневых вод // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 12. С. 160-164.
10. Ek M., Gellerstedt G., Henriksson G. Pulp and paper chemistry and technology wood chemistry and wood biotechnology // Walter de Gruyter GmbH & Co. 2009. No. 1. P. 320.
11. Mandeep, Gupta G.K., Shukla P. Insights into the resources generation from pulp and paper industry wastes: challenges, perspectives and innovations // Bioresource Technology. 2020. V. 297. P. 122496.
12. Martyushev N., Pashkov E. Bronze Sealing Rings Defects and Ways of its Elimination // Applied Mechanics and Materials. 2013. V. 379. P. 82-86. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.379.82.
13. Review of Methods for Improving the Energy Efficiency of Electrified Ground Transport by Optimizing Battery Consumption / N.V. Martyushev [et al.] // Energies. 2023. V. 16. P. 729. https://doi.org/10.3390/en16020729.
14. Ardashkin I.B., Yakovlev A.N., Martyushev N.V. Evaluation of the Resource Efficiency of Foundry Technologies: Methodological Aspect // Advanced Materials Research. 2014. No. 1040. P. 912-916. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1040.912.
15. Tailings Utilization and Zinc Extraction Based on Mechanochemical Activation / V.I. Golik [et al.] // Materials. 2023. V. 16. P. 726. https://doi.org/10.3390/ma160 20726.
16. Environmental Behavior of Youth and Sustainable Development / A. Shutaleva [et al.] // Sustainability. 2022. V. 14. P. 250. https://doi.org/10.3390/su14010250.
17. Kuang Yu., Zhang X., Zhou Sh. Adsorption of methylene blue in water onto activated carbon by surfactant modification // Water. 2020. V. 12(587). P. 19.
Сапронова Жанна Ануаровна, д-р техн. наук, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Свергузова Светлана Васильевна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Святченко Анастасия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Иевлева Елена Сергеевна, аспирантка, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
THE USE OF WASTE FROM THE PRODUCTION OF CORRUGATED PACKAGING
FOR WASTEWATER TREATMENT FROM THE DYE METHYLENE BLUE
Zh.A. Sapronova, S.V. Sverguzova, A.V. Svyatchenko, E.S. Ievleva
More than 100,000 tons of dyes are produced annually in the world, and about 10% of dyes enter the environment, harming natural ecosystems and human health. In recent years, extensive research has been conducted on the use of new potentially inexpensive adsorbing materials that can be used to clean wastewater from substances such as dyes. Following the concept of a closed-loop economy, any by-product must be converted into a new resource for the next production cycle. This approach will benefit both the economy and society. The pulp and paper industry plays an important role in the global economy. Due to the volume of production of the paper and pulp industries, the amount of waste generated is also huge. The paper presents studies to assess the possibility of using waste from the production of corrugated packaging for wastewater treatment from the dye "methylene blue". It has been established that the waste from the production of corrugated packaging can sorb the dye from an aqueous solution. To increase the cleaning efficiency, a temperature modification of the waste was carried out. The heat-treated material showed higher values of cleaning efficiency, it was found that the optimal modification temperature is 250 °C.
Key words: corrugated packaging, waste, methylene blue, burning, wastewater treatment.
Sapronova Zhanna Anuarovna, doctor of technical sciences, head of chair, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Sverguzova Svetlana Vasilevna, doctor of technical sciences, professor, pe@,intbel.ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Sviatchenko Anastasia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, sv. anastasiaaamail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Ievleva Elena Sergeevna, postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
Reference
1. Removal of chromium from an aqueous solution using a porous nanostructure Bi2MoO6@BiOCl / AH. Shah, U. Gu, Z.U. Abidin, F. Teng // Journal of Solid State Chemistry. 2020. No. 292. p. 121719.
2. Gao Yu., Yang B., Wang K. Biodegradation and discoloration of wastewater containing dyes: a review // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 178. p. 012013.
3. Gunturu B., Palukuri N.R., Sahadevan R. Discoloration of the main textile dye from aqueous solutions using a biosorbent obtained from the used biomass of thespesia populnea // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. No. 330. p. 012036.
4. Sivamani S., Lina G.B. Removal of dyes from wastewater by adsorption - review // International Journal of Biological Sciences and Technologies. 2009. No. 2(4). pp. 47-51.
5. Fedotkina O., Gorbashko E., Vatolkina N. Closed-loop economics in Russia: factors and barriers for the development of waste management // Sustainability. 2019. Vol. 11. p. 5837
6. Aquaculture as a closed-cycle bioeconomy model on the example of Galicia: how to turn waste into secondary products with an overestimated value / M. Fraga-Corral [et al.] // Trends in food science and technology. 2022. Vol. 119. pp. 23-35.
7. Santeramo F.G. Circular and green economy: current state // Helion. 2022. No. 8. p.
09297.
8. Iskhakova R.Ya. Wastewater treatment of chemical industry enterprises with carbonate sludge (on the example of JSC Kazan Synthetic Rubber Plant): dis. ... candidate of Technical Sciences. Kazan, 2014. 136 p.
9. Sverguzova S.V., Sapronova Zh.A., Svyatchenko A.V. Technology for obtaining iron-containing coagulant from steelmaking waste for storm water treatment // Bulletin of the BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No. 12. pp. 160-164.
10. Ek M., Gellerstedt G., Henriksson G. Chemistry and technology of the pulp and paper industry, wood chemistry and wood biotechnology // Walter de Gruyter GmbH & Co. 2009. No. 1. p. 320.
11. Mandip, Gupta G.K., Shukla P. A look at obtaining resources from waste from the pulp and paper industry: problems, prospects and innovations // Bioresource technologies. 2020. Vol. 297. p. 122496.
12. Martyushev N., Pashkov E. Defects of bronze sealing rings and ways to eliminate them // Applied mechanics and materials science. 2013. vol. 379. pp. 82-86.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.379.82 13. Review of methods for improving the energy efficiency of ground-based electric transport by optimizing the consumption of batteries / N.V. Martyushev [et al.] // Energy. 2023. Vol. 16. p. 729. https://doi.org/10.3390/en16020729.
14. Ardashkin I.B., Yakovlev A.N., Martyushev N.V. Assessment of the resource efficiency of foundry technologies: methodological aspect // Modern materials research. 2014. No. 1040. pp. 912-916.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1040.912 15. Utilization of enrichment tailings and zinc extraction based on mechanochemical activation / V.I. Golik [et al.] // Materials. 2023. Vol. 16. p. 726. https://doi.org/10.3390/ma160 20726.
16. Ecological behavior of youth and sustainable development / A. Shutaleva [et al.] // Sustainable development. 2022. Vol. 14. p. 250. https://doi.org/10.3390/su14010250.
17. Kuang Yu., Zhang H., Zhou Sh. Adsorption of methylene blue in water on activated carbon by modification with a surfactant // Water. 2020. Vol. 12(587). p. 19.
УДК 330.15
ПУТИ ДЕКАРБОНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДА ОТБЕЛЬНОЙ ГЛИНЫ
Ж. А. Сапронова, С.В. Свергузова, Р.Р. Гафаров, Н.С. Лупандина
Изменение климата является наиболее серьезной экологической проблемой, с которой сталкивается человечество в настоящее время. Выбросы парниковых газов, связанные с сектором транспорта, постоянно возрастают в большинстве стран. Переход промышленного сектора к снижению выбросов углерода вносит изменения в существующие цепочки производства и потребления, поэтому взаимодействие различных отраслей играет ключевую роль в уменьшении выбросов парниковых газов.
Проблема накопления промышленных отходов традиционно остается одной из наиболее серьезных, влияющих на различные аспекты жизни людей и окружающую среду. При использовании адсорбционного отбеливания масел используются специальные порошки, способные абсорбировать растворенные вещества, придающие маслам окраску. После фильтрации эти сорбционные материалы складируются на полигонах отходов и служат источником загрязнения окружающей среды, выделяют при разложении токсичные и парниковые газы. В работе была исследована возможность применения термообработанного отхода рафинации подсолнечного масла (отбельной глины) для очистки сточных вод от красителей. Получены и проанализированы ИК-спектры исходного и термообработанного материалов. Установлено, что лучшие результаты очистки модельных вод от красителя метиленовый голубой достигаются при использовании отхода отбельной глины, обожженной при температуре 300... 350 оС.
Ключевые слова: обжиг, отход отбельной глины, промышленные отходы, адсорбция, эффективность очистки.
