CC BY
9
УДК 661.183.2; 66.087.4 Солодухина С.В., Гайдукова А.М.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ПАВ СОРБЦИЕЙ НА УГЛЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО МЕТОДА
Солодухина Светлана Витальевна - студентка 1 курса магистратуры факультета неорганических веществ и электрохимических процессов; lana.solodukhina.98@mail.ru.
Гайдукова Анастасия Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, дом 20.
В работе исследован процесс очистки водных растворов от органических примесей (на примере ПАВ) сорбционным методом в статическом режиме с последующим извлечением отработанных углеродных сорбентов в процессе электрофлотационной обработки раствора. Представлены данные зависимости равновесной концентрации ПАВ в растворе от продолжительности сорбции и от массы углеродного сорбента марки «МеКС-О». Получена зависимость степени электрофлотационного извлечения угля от рН среды и показано влияние ПАВ и ионов железа (III) на эффективность процесса.
Ключевые слова: активный уголь, сорбция, сточные воды, поверхностно-активные вещества, электрофлотация.
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF WATER PURIFICATION FROM SURFACTANTS BY SORPTION ON COAL USING THE ELECTROFLOTATION METHOD
Solodukhina S.V., Gaydukova A.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this work, the process ofpurification of aqueous solutions from organic impurities (using the example of SAS) by the sorption method in a static mode with the subsequent extraction of spent carbon sorbents in the process of electroflotation treatment of the solution has been investigated. The data on the dependence of the equilibrium concentration of SAS in the solution on the duration of sorption and on the mass of the carbon sorbent of the "MeKS-O" brand are presented. The dependence of the degree of electroflotation extraction of coal on the pH of the medium is obtained, and the effect of SAS and iron (III) ions on the efficiency of the process is shown. Key words: activated carbon, sorption, wastewater, surfactants, electroflotation.
Введение
На сегодняшний день одним из наиболее сложных вопросов промышленной экологии является очистка сточных вод, которые образуются во многих отраслях промышленности: химической, авиационной, производство электронной техники, машиностроение и др. Особенностью состава таких сточных вод является многообразие загрязняющих веществ как органической, так и неорганической природы, в том числе ионы тяжелых и цветных металлов и поверхностно-активные вещества (ПАВ) различной природы, которые встречаются в сточных водах практически всех промышленных предприятий. Они широко применяются в качестве моющих средств, эмульгаторов, стабилизаторов эмульсий и суспензий и т.п. [1, 2].
На сегодняшний день известно множество способов очистки водных объектов от органических примесей. Особый интерес представляет сорбционное извлечение вредных компонентов из вод различного состава, ввиду его доступности и отсутствия вторичных загрязнений. Активированные угли (АУ), как углеродные сорбенты, широко используются в различных отраслях науки, в том числе в технологических процессах адсорбционной
очистки, разделения, выделения и концентрирования различных веществ в жидких средах [3, 4]. Анализ литературных источников показал, что реализация процесса сорбции в статическом режиме позволяет очищать сточные воды промышленных предприятий до норм ПДК при использовании углей различных типов (гранулы, порошок, волокна и др.) [5]. В то же время извлечение отработанного углеродного сорбента из водных растворов является сложной технологической задачей. Для ее решения в данной работе был применен электрофлотационный метод, одним из преимуществ которого является возможность одновременного извлечения как взвешенных веществ, так и органических примесей и металлов в виде их малорастворимых соединений, что увеличивает экономическую эффективность метода [6].
Методика исследования
В качестве объекта исследования был выбран уголь марки «МеКС-О» (производство АО «ЭНПО «Неорганика», г. Электросталь) с суммарным объемом пор 0,9 см3/г, в том числе объем микропор 0,45 см3/г, с насыпной плотностью не более 550 г/дм3.
Модельные растворы, имитирующие сточные воды, содержали ПАВ и ионы Бе3+. Исходная
концентрация ионов металла составляла 25 мг/л. В качестве ПАВ использовали додецилсульфат натрия Сl2Н250S0зNa (NaDDS). Для приближения модельных растворов к реальным сточным водам после основных технологических стадий очистки (реагентной, флотационной, фильтрационной и др.), которые характеризуются повышенным
солесодержанием, вводили №С1 с концентрацией до 1 г/л.
Сорбционные испытания проводили в статическом режиме при постоянном перемешивании раствора с сорбентом в течении определенного времени при соотношении Т : Ж =1 : 125. Далее сорбент отделяли отстаиванием и фильтрованием, а также в процессе электрофлотационной обработки раствора.
Извлечение частиц активированного угля из водного раствора, моделирующего сточные воды, осуществлялось в непроточной электрофлотационной установке с нерастворимыми металл-оксидными анодами.
Эффективность процесса извлечения угля марки «МеКС-О» из раствора оценивали по степени извлечения а (%). Степень извлечения рассчитывали как отношение разности исходной (сЖх, мг/л) и конечной (скон, мг/л) концентрации угля в растворе к исходной концентрации (сЖх, мг/л):
а =
иисх икон
100% (1)
Массовую концентрацию угля измеряли турбидиметрическим методом при помощи мутномера марки HI 98703 - прибора, используемого для анализа непрозрачных жидкостей и измерения содержания в растворе взвешенных частиц путем рассеяния света. Остаточную концентрацию ионов железа (III) в растворе определяли фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой.
Содержание органических компонентов ПАВ определяли бихроматным методом по Лейте и оценивали в единицах химического потребления кислорода (ХПК). Далее, по линейной зависимости с(ПАВ) мг/л - ХПК осуществляли перевод концентрации органических веществ в мг/л.
Экспериментальная часть
Были проведены экспериментальные исследования по определению закономерности сорбции анионного ПАВ (NaDDS) в статическом режиме на гранулированном углеродном материале (рис. 1). На основании полученных кинетических кривых дальнейшие исследования сорбционного процесса очистки водных растворов от ПАВ проводили в течении 60 минут.
н 300 1
1—1
250 -
и
200 -
150 -
100 -
50 -
0 -
О
50
100
150 200
т, мин
Рис. 1 Зависимость равновесной концентрации ПАВ в растворе от продолжительности сорбции; со(ПАВ) = 260мг/л
Расход сорбента определяет экономичность применения сорбционной технологии. Поэтому были проведены исследования по влиянию массы сорбента на эффективность процесса сорбции ПАВ (рис. 2).
Рис. 2 Зависимость равновесной (конечной) концентрации (ср) в воде и степени извлечения (а)
ПАВ от массы сорбента; со(ПАВ) = 400 мг/л
Из полученных данных видно, что с увеличением массы сорбента остаточная концентрация ПАВ в воде снижается и, соответственно, возрастает степень очистки.
Применение сорбции в статическом режиме в технологических схемах водоочистки предполагает использование методов отделения отработанного сорбента от очищенной воды. В работе проведены исследования электрофлотационного процесса очистки водных растворов от взвешенных веществ. Установлено, что наличие в растворе ПАВ различной природы подавляет процесс извлечения угля во всем исследуемом диапазоне значений рН. Однако, присутствие в растворе ионов Бе3+ способствует росту степени извлечения углеродного материала (рис. 3).
рн
Рис. 3 Зависимость степени извлечения угля марки «МеКС-О» от рН раствора, а также Бе3+ и ПАВ: 1 -без добавок; 2 - в присутствии Бе3+; 3 - совместное присутствие в растворе композиции Бе3+ - ПАВ; с(ШС1) = 1 г/л, с(АУ) = 200 мг/л, i = 0.4 А/л, с^е3+) = 25 мг/л, с(ПАВ) = 5 мг/л, т = 10 мин
Установлено, что совместное присутствие в растворе FeQ3 и органической добавки анионного типа NaDDS значительно повышает степень извлечения угля из раствора. При этом остаточная концентрация ионов железа (III) в растворе снижается (окон(Ре3+) = 2 - 0,1 мг/л).
Заключение
Таким образом, в ходе проведенных исследований были получены новые данные по сорбционным характеристикам мелкозернистого угля марки «МеКС-О» из водных растворов с последующим их извлечением методом электрофлотации. Определены добавки, наличие в растворе которых способствует эффективному извлечению углеродного материала в диапазоне значений рН раствора от 4 до 7 ед. Применение электрофлотации в процессах извлечения углеродных
материалов из водных растворов сократит продолжительность процесса с часа до нескольких минут, а также обеспечит высокую степень очистки воды не только от углеродных материалов с сорбированными загрязнениями, но и других примесей, находящихся в растворе
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева (проект 3-2020-003).
Список литературы
1. Laurier L. Schramm, Elaine N. Stasiukb and D. Gerrard Marangoni Surfactants and their applications. Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. C, 2003. Vol. 99, p 3-48.
2. Reyhaneh Azarmi and Ali Ashjaran. Type and application of some common surfactants J. Chem. Pharm. Research, 2015. Vol. 7 (2), p. 632-640.
3. Moreno_Castilla C. Adsorption of Organic Molecules from Aqueous Solutions on Carbon Materials. Carbon, 2004.Vol 42, p. 83-94
4. Gupta, V.K., Saleh, T.A. Sorption of pollutants by porous carbon, carbon nanotubes and fullerene - An overview. Environ Sci Pollut Res, 2013.Vol. 20, p. 2828 - 2843.
5. Ivanec M. G., Grishpan D. D., Cygankova N. G., Nevar T. N., Makarevich S.E. Ochistka stochnyh vod razlichnogo sostava modificirovannymi ugol'nymi sorbentami. Vesci naciyanal'naj akademii navuk Belarusi. Seryya «Himichnyh navuk», 2011. № 3. С. 70-75. (in Belarus).
6. Gaydukova A., Kolesnikov V., Stoyanova A., Kolesnikov A. Separation of highly dispersed carbon material of OU-B grade from aqueous solutions using electroflotation technique. Separation and Purification Technology. 2020. 245. 116861.
