Научная статья на тему 'Исследование перспектив использования гидрофобных волокнистых сорбентов для очистки вод от ионов металлов'

Исследование перспектив использования гидрофобных волокнистых сорбентов для очистки вод от ионов металлов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
502
112
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Петрова Е. В., Асташкина А. П., Филоненко Д. А., Отмахов В. И., Изаак Т. И.

Исследована сорбционная способность гидрофобных волокнистых сорбентов на основе полипропилена и полиэтилентерефталата, полученных из отходов термопластичных полимеров, к ряду ионов металлов в водных средах. На основании экспериментально полученных данных зависимостей степени извлечения от плотности укладки волокон, дисперсности, наличия воздуха в сорбенте, объема пропускного раствора предложен механизм сорбции ионов металлов из водных сред гидрофобными волокнистыми материалами.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Петрова Е. В., Асташкина А. П., Филоненко Д. А., Отмахов В. И., Изаак Т. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование перспектив использования гидрофобных волокнистых сорбентов для очистки вод от ионов металлов»

содержащих смесей газов изменение температуры может быть достаточно велико, чтобы привести к спеканию частиц, особенно порошков легкоплавких металлов (алюминия, цинка), и снижению качества порошков: увеличению степени агломерации частиц, укрупнению их размеров.

2. Присутствие паров воды в кислородосодержа-щей смеси газов интенсифицирует процесс окисления ЭВП А1 и увеличивает его длительность и глубину, что связывается с более высокой, чем у О2, диффузионной способностью молекул воды и повышенной диффузионной проницаемостью оксогидроксидных плёнок.

3. Количество оставшегося после пассивации свободного металла в порошке определяется как концентрацией окислителя (кислород, пары воды) в аргоне, так и скоростью потока газа через образец. Это связано с повышением температуры и, соответственно, диффузионной проницаемости образующейся оксогидроксидной плёнки.

4. При принудительной пассивации нанопорошков смесями газов время процесса может быть уменьшено в десятки раз по сравнению с самопроизвольной пассивацией. Для предотвращения саморазогрева необходимо использовать обеднённые кислородом (до 2,5 %) смеси с аргоном.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лернер М.И., Савельев Г.Г., Сваровская Н.В., Галанов А. И. Низкотемпературное спекание электровзрывных нанопорошков // Известия Томского политехнического университета. -2006. - Т. 309. - № 4. - С. 69-72.

2. Андриевский Р.А., Зеер С.Э. Изменение свойств ультрадисперсных порошков никеля и меди при хранении // Порошковая металлургия. - 1985. - № 10. - С. 74-78.

3. Яворовский Н.А. Электрический взрыв проводников - метод получения ультрадисперсных порошков: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 1982. - 24 с.

4. Ильин А.П., Проскуровская Л.Т. Окисление алюминия в ультрадисперсном состоянии на воздухе // Порошковая металлургия. - 1990. - № 9. - С. 32-35.

5. Каламазов Р.У., Цветков Ю.В., Кальков А.А. Высокодисперсные порошки вольфрама и молибдена. - М.: Металлургия, 1988. - 192 с.

6. Физико-химия и технология высокодисперсных порошков // В сб. науч. трудов Института прикладной механики АН УССР.

- Киев: Ин-т прикл. механики, 1984. - 190 с.

7. Рябин В.А., Островский М.А., Свит Т.Ф. Термодинамические свойства веществ. Справочник. - Л.: Химия, 1977. - 392 с.

8. Шаманский В.В. Химические реакции в продуктах электровзрыва Al и Cu в активных газах и свойства получаемых наноди-сперсных порошков. - Дис. ... канд. хим. наук. - Томск, 2004.

- 153 с.

Поступила 03.11.2006 г.

УДК 543.42

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРОФОБНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ СОРБЕНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОД ОТ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

Е.В. Петрова, А.П. Асташкина, Д.А. Филоненко*, В.И. Отмахов, Т.И. Изаак, Г.Г. Волокитин*

Томский государственный университет *Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: otmahov2004@mail.ru

Исследована сорбционная способность гидрофобных волокнистых сорбентов на основе полипропилена и полиэтилентерефта-лата, полученных из отходов термопластичных полимеров, к ряду ионов металлов в водных средах. На основании экспериментально полученных данных зависимостей степени извлечения от плотности укладки волокон, дисперсности, наличия воздуха в сорбенте, объема пропускного раствора предложен механизм сорбции ионов металлов из водных сред гидрофобными волокнистыми материалами.

Введение

В настоящее время существенно ухудшилось качество воды в природных источниках. Особую группу загрязнителей гидросферы составляют металлы, многие из которых весьма токсичны. Загрязнение ими питьевой воды происходит как в результате отстаивания в природных резервуарах, так и при транспортировке по коммуникациям. Поэтому возникает потребность в недорогих портативных установках. Входящие в их состав фильтрующие ма-

териалы должны обладать не только хорошей сорб-ционной способностью, но и экономичностью.

В архитектурно-строительном университете разработана технология по производству нетканых волокнистых материалов из отходов термопластичных полимеров нетрадиционным безфильерным способом [1]. Эта технология позволяет комплексно решать задачи по очистке воды, воздуха и утилизации полимерных отходов. Новые волокнистые сорбенты, являясь дешевыми и доступными, в то

же время обладают хорошими фильтрующими свойствами, высокой химической стойкостью, прочностью, устойчивостью к истиранию, низкой плотностью. Полипропиленовое волокно, полученное из отходов термопластов, хорошо зарекомендовало себя для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, ионов железа (III) из сточных вод, а также в качестве фильтрационных материалов для очистки газовых смесей [2-5]. При этом водопроводная вода, прошедшая через них, соответствует требованиям СанПиН по гигиеническим и бактериологическим показателям. Очевидно, что исследование перспектив использования новых волокнистых материалов в практике хозяйственно-бытового водоснабжения весьма актуально.

Ранее была исследована сорбционная способность полипропиленового волокна по отношению к ряду ионов металлов [6]. Показано, что наиболее эффективно из воды извлекаются элементы, образующие в средах, близких к нейтральным, прочные гидроксокомплексы.

В данной работе расширен круг исследуемых волокнистых материалов, отличающихся природой полимера, дисперсностью волокон, степенью их гидрофобности.

Методы исследования

Для исследования использовали синтетические волокнистые материалы, полученные из отходов полипропилена - ПП (дробленые одноразовые шприцы, пленки, катушки) и полиэтилентерефта-лата - ПЭТФ (упаковки, емкости для напитков и т. д.). По структуре цепи первый сорбент относится к карбоцепным, а второй - к гетероцепным полимерам. Но оба они имеют гидрофобную поверхность. Кроме того, ПП волокно было представлено образцами различной дисперсности: с толщиной волокон 10...50 и 1...10 мкм. Основная масса первого образца имела толщину волокна 30 мкм, но встречалось небольшое количество более крупных волокон с размером до 50 мкм. Волокна второго образца имели преимущественно толщину 3 мкм.

Степень извлечения ионов металлов из водных сред исследовали методом «введено-найдено» на модельных растворах, которые готовили упариванием аликвоты государственных стандартных образцов растворов металлов во фторопластовых стаканах под ИК-лампой при 60...80 °С досуха с последующим растворением сухого остатка в 10 мл биди-стиллированной воды. Их кислотность контролировали рН-метром и регулировали добавлением 1 М КН4ОН. Сорбцию проводили в динамических условиях: волокнистый полимер помещали в колонку и пропускали через него модельный раствор с постоянной скоростью посредством перистальтического насоса. Содержание примесей металлов контролировали во входящем и выходящем растворах атомно-эмиссионным методом. Для этого по 1 мл растворов до сорбции и после прохождения через сорбент упаривали на графитовом коллекто-

ре массой 0,1 г, содержащем 3 % натрия в виде хлорида. Количественный анализ проводили на спектрографе ИСП-30 с растрово-конденсорной системой освещения методом градуировочного графика.

Влияние различных факторов на сорбционную способность волокнистых материалов изучали на примере ионов железа. Выбор этого элемента обусловлен его значительным содержанием в природных и питьевых водах. Определение Fe(III) проводили во входящем и выходящем растворах спектро-фотометрическим методом с сульфосалициловой (2-окси-5-сульфобензойной) кислотой в виде ди-сульфосалицилата железа [7].

Степень извлечения элементов рассчитывали по формуле:

X = (1-С/С„)-100, где: С0 и С - концентрация металла в растворе до и после сорбции, мас. %; X - степень извлечения, %.

Для определения полной обменной емкости воздушно-сухие сорбенты массой 5 г помещали в химические стаканы объемом 100 мл, заливали 50 мл 0,1 М водно-спиртового (1:1) раствора №ОН (для определения емкости катионообменника) или таким же количеством водно-спиртового раствора НС1 (для определения емкости анионообменника). Полученные системы оставляли на сутки для установления равновесия. После отделения сорбента от раствора, последний титровали 0,1 М раствором НС1 или 0,1 М раствором №ОН в присутствии индикаторов метилового оранжевого или фенолфталеина, соответственно.

Исследование структуры волокнистых материалов проводили методом ИК-спектроскопии после их измельчения и растирания в ступке с последующим прессованием в таблетки с КВг. Спектры регистрировали с помощью прибора ИК-Фурье спектрофотометра марки «№со1е1; 5700 FT-LR» и приставки «ТКА8МВ8ЮШ».

Результаты и обсуждение

Исследование степени извлечения ионов металлов из водных сред ПП и ПЭТФ сорбентами показало (табл. 1), что оба волокнистых материала обладают примерно одинаковой сорбционной способностью, которая не зависит от природы полимера, а определяется индивидуальными свойствами элементов. Видно, что более полно извлекаются из раствора А1, Сг, Fe, РЬ, Ве, т. е. те элементы, которые способны к образованию прочных ги-дроксокомплексов или малорастворимых гидрок-сидов. Они, как правило, многозарядны, и обладают большей поляризуемостью. Степень извлечения ионов металлов зависит от констант устойчивости гидроксокомплексов (рис. 1).

В соответствии с типом взаимодействия адсор-бата с адсорбентом различают физическую адсорбцию, хемосорбцию и ионный обмен. В данном случае не исключен ионообменный механизм сорбции ионов металлов благодаря наличию в полимерах

карбонилсодержащих групп разного типа, в том числе и карбоксильных, образующихся в процессе их термоокислительной деструкции. Но в этом случае материалы должны обладать некоторой обменной емкостью. Определение полной обменной емкости сорбентов показало, что они обладают незначительной емкостью как катионообменники (для ПП -0,010 ммоль-экв/г, для ПЭТФ - 0,025 ммоль-экв/г), которая явно не достаточна, чтобы приводить к такой высокой сорбционной способности полимеров.

Таблица 1. Степень извлечения ионов металлов из водных сред волокнистыми сорбентами (Сввед =1■ 10-3 мас. %; п=3; Р=0,95)

о Сорбент

X (V ^ та О и с^ ^ с^ (V ПЭТФ ПП с поперечным диаметром волокон, мкм

ш т ¡Е ЁЁ т 2 10...50 1.10

го О 1— ^ и О и Найдено 104, мас. % X, % Найдено 104, мас. % X, % Найдено 104, мас. % X, %

Ве [ВеОН]+ 7,5 2,0±0,2 80 3,2±0,5 68 0,80±0,09 92

Са [СаОН]+ 1,5 8,0±1,6 20 7,0±1,4 30 7,0±1,4 31

Мд [МдОН]+ 2,6 7,6±1,2 24 7,5±1,4 25 7,0±2,0 30

Си [СиОН]+ 6,0 2,0±0,2 80 1,3±0,2 87 0 100

Zn ^пОН]+ 6,3 3,2±0,5 68 3,0±0,5 70 2,5±0,4 75

Сг [СгОН]2+ 10,1 0 100 0 100 0 100

Со [СоОН]+ 4,4 5,1±0,6 49 7,0±0,9 30 6,0±0,7 40

Fe [РеОН]2+ 11,9 0,20±0,02 98 0 100 0 100

N1 [МОН]+ 5,0 3,2±0,5 68 2,5±0,5 75 1,5±0,3 85

А! [ДЮН]2+ 9,0 1,5±0,3 85 1,0±0,2 90 0,50±0,06 95

РЬ [РЬОН]+ 7,5 2,7±0,4 73 2,5±0,5 75 2,0±0,3 80

V ^0(0Н)]+ 9,2 0,20±0,02 98 0,20±0,02 98 0 100

п - число параллельных измерений; !дК-логарифм константыI устойчивости гидроксокомплексов, Р - доверительная вероятность

Рис. 1. Зависимость степени извлечения металлов волокнисты/ми сорбентами от логарифма константы/ устойчивости их гидроксокомплексов

С целью придания им гидрофильных свойств и увеличения сорбционной способности в работе проведена термохимическая модификация Пп волокна. Термохимическое окисление проводили насыщенным раствором перманганата калия в кислой среде. Модифицированное таким образом волокно

стало более гидрофильным. Из анализа ИК-спек-тров следует, что существенных изменений в структуре полипропиленового волокна после его химической обработки не произошло. Преобладающими по-прежнему являются кетонные группировки (1720 см-1), немного увеличилось поглощение в области валентных колебаний кислородсодержащих групп (1707 см-1). Однако сорбционная способность модифицированного сорбента (табл. 2) уменьшилась. Это позволяет предположить, что именно наличие гидрофобной поверхности играет определяющую роль в процессе сорбции.

Таблица 2. Влияние химического модифицирования ПП волокна на степень извлечения ионов металлов из водных сред (Сввед = 110-3 мас. %; п=3; Р=0,95)

Элемент Полипропиленовое волокно

Не модифицированное Модифицированное

Найдено,104 мас. % X, % Найдено,104 мас. % X, %

Си 1,3±0,2 87 2,5+0,5 75

7п 3,0±0,3 70 4,2+0,7 58

Сг 0 100 2,2+0,3 78

Со 7,0±0,8 30 8,0+0,9 20

Ре 0 100 1,3+0,2 87

N1 2,5±0,5 75 4,2+0,7 58

А! 1,0±0,2 90 1,4+0,3 86

РЬ 2,5±0,5 75 3,0+0,5 70

V 0,20+0,02 98 1,0+0,1 90

Следует отметить, что после пропускания раствора, содержащего ионы металлов, через колонку, заполненную сорбентом, на поверхности полимерных волокон наблюдается грубодисперсный осадок малорастворимых солей. Очевидно, что в процессе сорбции имеет место осаждение, несмотря на то, что исходные растворы достаточно разбавлены. В процессе фильтрования раствора через гидрофобный волокнистый материал реализуется сложная система, состоящая из трех фаз: гидрофобного полимера, воздуха, адсорбированного на его поверхности, и раствора. Вероятно, внутри пористой системы сорбента вследствие отрицательной адсорбции концентрация гидратированных ионов металлов уменьшается вблизи поверхностей раздела фаз «раствор-гидрофобный полимер» и «раствор-газ». Поэтому в объеме раствора наступает пересыщение, и начинается формирование зародышей их малорастворимых соединений. Сформировавшиеся частицы новой фазы, сталкиваясь со стенками пор, адсорбируются на поверхности полимера. При этом концентрация ионов в растворе, прошедшем через сорбент, уменьшается. Подтверждением предложенного механизма является уменьшение степени извлечения ионов металлов модифицированным сорбентом. Усиление гидрофильных свойств в результате модифицирования приводит к обеднению волокнистого материала пузырьками воздуха, уменьшению градиента концентраций на границе «раствор-газ». В связи с этим, вероятность образования и последующего роста частиц твердой фазы уменьшается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2117719 РФ. МКИ D01D 5/08, D04Н 3/16. Способ получения волокнистого материала из термопластов и установка для его осуществления / В.В. Бордунов, Г.Г. Волокитин. Заявлено 1996; Получено 26.06.97, Бюл. № 23. 1998.

2. Сироткина Е.Е., Новоселова Л.Ю. Материалы для сорбцион-ной очистки воды от нефти и нефтепродуктов // Химия в интересах устойчивого развития. - 2005. - Т. 13. - № 3. -С. 359-377.

3. Арефьева Р.А., Бордунов В.В., Бордунов В.Г., Соболев И.А. Полимерные волокнистые сорбенты для очистки сточных вод // Качество-стратегия XXI века: Матер. V Междунар. научно-практ. конф. - Томск, 2000. - С. 91-96.

4. Бордунов В.В., Бордунов С.В., Соболев И.А. Перспективный материал для сбора нефтепродуктов с поверхности воды // Качество-стратегия XXI века: Матер. VI Междунар. научно-практ. конф. - Томск, 2001. - С. 73-74.

5. Арефьева Р.А., Бордунов В.В., Бордунов С.В., Пилипенко В.Г., Соболев И.А. Применение волокнистых полимерных материалов для питьевого водоснабжения // Качество-стратегия XXI века: Матер. VI Междунар. научно-практ. конф. - Томск, 2001. - C. 62-64.

6. Петрова Е.В., Отмахов В.И., Гапеев В.А., Волокитин Г.Г., От-махова З.И. Изучение сорбционной способности волокнистого сорбента, полученного из отходов полипропилена, с целью использования его для очистки воды // Аналитика и контроль. - 2004. - Т. 8. - № 2. - С. 112-117.

7. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. - Л.: Химия, 1986. - 432 с.

Поступила 31.08.2006 г.

УДК 628.387

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ ОЧИЩЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Г.В. Ушаков, Г.А. Солодов

Кузбасский государственный технический университет E-mail: ekosys@kuzbass.net

По санитарно-токсикологическим показателям биологически очищенные сточные воды химического предприятия относятся к малотоксичным веществам, не являются аллергеном, не обладают раздражающим действием на слизистые оболочки и кожу и пригодны к использованию для подпитки систем оборотного водоснабжения. Определяющим фактором повторного использования этих вод являются их коррозионная активность, склонность к отложению минеральных солей и биообрастанию.

Системы промышленного водоснабжения и во-доотведения промышленных предприятий оказывают как прямое, так и косвенное негативное воздействие на окружающую среду. Это касается как забора воды из природных водных источников, так и их загрязнения сточными водами. Поэтому эксплуатация таких систем должна осуществляться в соответствии с требованиями в области охраны окружающей среды [1]. Должны предусматриваться мероприятия по охране окружающей среды, рациональному использованию водных ресурсов [2] и обеспечению экологической безопасности. Водоснабжение промышленных предприятий должно предусматривать максимальный оборот производственных сточных вод для восполнения потерь воды [3]. На химических и коксохимических предприятиях одним из источников восполнения воды в системах промышленного водоснабжения являются производственные биологически очищенные сточные воды (БОСВ) [4, 5]. Возможность использования БОСВ основывается на принципе соответствия качества используемой воды условиям ее дальнейшего применения. Этот принцип требует выбора системы промышленного водоснабжения,

где будут использоваться БОСВ, и учета ряда факторов как технологического, так и санитарно-гигиенического характера.

По виду использования воды различают прямоточные и оборотные системы технического водоснабжения. Прямоточные системы предполагают однократное использование воды с последующей очисткой загрязненных сточных вод перед сбросом в городскую канализацию или поверхностные водоемы. Такая технология использования воды, нередко высококачественной питьевой, является не только расточительной, но и потенциально опасной для больших контингентов населения. Прямоточное использование воды для технического водоснабжения допускается только при обосновании нецелесообразности систем оборотного водоснабжения или невозможности их создания.

Оборотные системы разделяются на локальные, централизованные и смешанные. В локальных системах вода используется после восстановления (регенерации) в одном или нескольких технологических процессах. При централизованном водоснабжении после использования для различных целей вода проходит очистку единым потоком и воз-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.