CC BY
37
УДК 544:628
ТА. ПОПОВИЧ, Л.В. ВИШНЕВСЬКА, С.М. 1ВАНИЩУК
Херсонський державний ушверситет
1.Г. ЧЕЧИНА
Херсонський кооперативний економжо-правовий коледж
ДОСЛ1ДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТ1 ОЧИСТКИ СТ1ЧНИХ ВОД В1Д СИНТЕТИЧНИХ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН АДСОРБЦ1ЙНИМ МЕТОДОМ
У дант роботi розглянуто адсорбцтний метод очистки стгчних вод eid синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАР) з використанням природних сорбентiв - вiдходiв агропромислового комплексу (шкарлупа соняшникового та гарбузового наання). У ходi роботи встановлен оптимальт умови проведення адсорбцшного процесу вилучення СПАР i3 водного розчину: розрахована доза адсорбенту, межi водневого показника та час контакту фаз. Доведено, що серед обраних природних сорбентiв бшьшою адсорбцшною емтстю володie шкарлупа гарбузового настня. У порiвняннi з традицшним адсорбентом - активованим вугшлям - даний показник у 2 рази менший для шкарлупи гарбузового настня, але переваги останнього обумовлеш вiдсутнiстю витрат на його регенерацiю. Використання рослинних адсорбентiв також зменшуе надходження у навколишне середовище вiдходiв агропромислового комплексу.
Ключовi слова: стiчнi води, методи очистки, синтетичнi поверхнево-активн речовини, адсорбент, адсорбцiя.
T.A. POPOVYCH, L.V. VISHNEVSKAYA, S.M. IVANYSHCHUK
Kherson State University
I.G. CHECHYNA
Kherson Cooperative Economics And Low College
THE RESEARCH ON POSSIBILITIES OF TREATMENT OF WASTEWATER CONTAMINATED
WITH SYNTHETIC SURFACTANTS USING THE ADSORPTION METHOD
Abstract
This paper reviews the adsorption method of treatment of wastewater contaminated with synthetic surface-active agents (surfactants) using natural sorbents - residues from agriculture (shell of sunflower seed and pumpkin seed). The research allowed to determine the optimal conditions of adsorption process that extracts surfactants from aqueous solutions: the adsorbent dose, pH limits and contact time phases were calculated. It was proved that a shell of pumpkin seed has the highest adsorption capacity among selected natural sorbents. This figure is two times smaller compared with the traditional adsorbent - activated carbon, but a shell of pumpkin seed has advantages due to the lack of expenditures on its recovery. The use of vegetable adsorbents reduces the emissions of agricultural waste into the environment.
Keywords: wastewater, wastewater treatment methods, synthetic surfactants, adsorbent, adsorption.
Постановка проблеми
Актуальним на сьогодшшнш день е питання збереження водних ресурав, як останшм часом невпинно забруднюються недоочищуваними спчними водами. Одними i3 найнебезпечшших серед забруднювач1в виступають синтетичш речовини - так зваш «ксенобютики» (чужi життю), зокрема, синтетичш поверхнево-активш речовини (СПАР), яш мютяться у складi синтетичних миючих засобiв (детергенпв), зокрема в засобах для миття посуду та пральних порошках, яш широко використовують у побуп, на шдприемствах харчово! промисловосп, в сферi побутового обслуговування, на великих станщях техобслуговування тощо.
Саме синтетичш поверхнево-активш речовини в сучасних умовах глобалiзацil забруднення довшлля викликають особливе занепокоення через !х пов№ний i неповний розклад, нездатшсть брати участь в обмшних процесах i накопичуватися у водних об'ектах на Землi [1]. У мюцях скупчення небезпечно! речовини на поверхш води спостертаеться «цвтння» синьо-зелених водоростей, яш при розкладаннi отруюють воду i рибу. Потрапляючи з водою до живих органiзмiв, СПАР призводять до порушення обмiнних процесiв, викликають зниження iмунiтету, алергiю, вражають мозок, печшку, нирки та легенi [2, 3, 4].
Традицшно очищення слчних вод здiйснюеться на мiських очисних спорудах з використанням бюлопчних методiв очищення за участю «активного мулу», але, на жаль, даний споаб не може
забезпечити бажану i наить стандартизовану у нас в Укрш'ш глибину очищення стiчних вод вiд таких забруднювачiв, як органiчнi сполуки, до концентрацп 3-4 мг/дм3. Потрапляння до спчних вод токсичних синтетичних речовин, яких ранiше просто не було в природi (СПАР, штучнi барвники, йони важких металiв тощо), призводить до загибелi активного мулу, ^ як наслiдок - бiологiчна очисна споруда перетворюеться на звичайний транзитний канал стiчних вод. Тому, у зв'язку з необхвдшстю приведення якосп очищених стiчних вод до нормативних вимог, постае питання пошуку ефективних способiв i методiв доочистки спчних вод ввд СПАР, як1 можуть бути використаннi локально на тдприемствах (особливо харчових, побутового господарства, на великих станщях техобслуговування) або делокалiзовано на мiсъких очисних спорудах.
Аналiз останнiх дослiджень i публiкацiй
Аналiз лiтературних джерел [5, 6] та класифжацшний пiдхiд до процесiв вилучення домiшок з води вiдповiдно до !х фазово-дисперсного стану, запропонований академжом Л.А. Кульським [7, 8], сввдчить про доцiлънiстъ застосування адсорбцiйних методiв для очищення стiчних вод ввд синтетичних поверхнево-активних речовин. Порiвняно з шшими способами очищення, перевагою адсорбцшних процесiв вилучення полюантiв е використання сорбентiв з високою поглинаючою здатшстю, простими засобами регенерацп i можливютю !х багаторазового використання. Однак, бшьшють адсорбентiв мають високу вартiстъ i використовуються у великих к1лькостях. На сьогодшшнш час перспективним напрямком для здешевлення процесу адсорбцшно1 очистки е використання у якосп адсорбентiв, з одного боку, дешевих, з шшого - доступних природних матерiалiв, до яких належать вщходи промислового або агропромислового комплексiв [4]. Так, наприклад, в масложировiй промисловостi, при переробщ на маслозаводах соняшникового насiння накопичуеться значна бiомаса шкарлупи насiння, яка лише частково застосовуеться у тваринницга, в гiдролiзнiй промисловостi та в якосп палива. Тому, в деяких дослщних роботах з адсорбцшно1 очистки спчних вод ввд йонiв важких металiв та катiонних барвник1в [9, 10] у якосп природних адсорбенпв запропонованi ввдходи промислового комплексу (похвдш целюлози).
Формулювання мети досл1дження
Метою дано! роботи було дослвдження можливосп очищення стiчних вод ввд синтетичних поверхнево-активних речовин адсорбцшним методом з використанням природних адсорбентiв -похвдних целюлози (вiдходи соняшникового та гарбузового насшня (шкарлупа)) у порiвняннi з традицшним - активованим вугiллям.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Експериментальна частина роботи полягала у визначенш залишково! концентрацп СПАР до та тсля адсорбцп у пробах з модельною спчною водою. Адсорбцш проводили об'емним методом на магштнш мiшалцi.
Об'ектом дослвдження слугували моделънi стiчнi води з концентращею СПАР=10^150 мг/дм3. У якосп стандартного зразка використовували розчин натрш тетрадодецилсульфонату, який застосовуеться у фотометричному визначеннi вмiсту СПАР у спчних водах [11]. Даний метод довготривалий в час з використанням канцерогенно1 речовини - хлороформу, тому вмют СПАР у водi контролювали сталагмометричним методом за змiною поверхневого натягу розчинiв до та тсля адсорбцп [12]. Похибку експерименту, яка лежала в межах 2-5%, у порiвняннi з нормативним методом (фотометричним), враховували при визначенш експериментальних данних.
У якосп адсорбенпв використовували шкарлупу соняшникового та гарбузового насшня, а зразком порiвняння слугувало активоване вугшля, яке традицiйно використовуеться в адсорбцшних способах очищення.
Даш адсорбенти висушували за к1мнатно1 температури та подрiбнювали на електричному приладi. У ходi дослiдженъ було розраховано дозу адсорбенту з урахуванням насипно1 маси на адсорбцiйних промислових установках близько 500 кг/м3 (середня насипна маса багатьох зразк1в активованого вугiлля i природних полiмерних матерiалiв), що забезпечуе практично повне вилучення речовини з розчину, де економiчно доцiлъним вважаеться спiввiдношення [7]:
^води : ^адсорбенту ^50.
Дане сшвввдношення вiдповiдае дозi 10 кг/м3, i тому розрахована маса адсорбенту склала 1г.
На рис. 1 наведеш кривi поверхневого натягу розчинiв рiзноl концентрацil СПАР у пробах води тсля адсорбци на рiзних адсорбентах. Як видно з рис. 1, найменшi значення поверхневого натягу розчишв i, вiдповiдно, залишково1 концентрацil СПАР вщповщають тим адсорбцiйним процесам, яш в1дбуваються на активованому вугiллi (крива 1), приблизно в 2 рази меншi значення для гарбузового насшня (крива 2) i тiлъки близько на 10 % забруднена вода зв№няеться ввд СПАР за рахунок адсорбцil на соняшниковому насiннi (крива 3).
У ходi роботи було дослщжено залежнiстъ процесу адсорбцil вщ часу контакту фаз (10, 20, 30 i 40 хв.). Шсля адсорбцil розчини вiддiляли вiд адсорбенту, ф№трували i визначали вмiст несорбованого
СПАР за змшою поверхневого натягу, а шльшсть адсорбованих поверхнево-активних речовин на 1 г адсорбенту визначили за формулою:
А = (Со Ср)-1000, т
де Со - початкова концентрацiя СПАР в модельнш стiчнiй водi, мг/дм3; Ср - рiвноважна концентрацiя СПАР, мг/дм3; V - об'ем спчно1 води, см3; т - маса наважки адсорбенту, г.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150
Концентращя ПАР, мг/дм3
Рис. 1. Вплив залишковоТ концентрацп СПАР на поверхневий натяг розчишв пiсля адсорбцп:
1 - активованим вугшлям;
2 - шкарлупою гарбузового насiння;
3 - шкарлупою соняшникового насiння
За отриманими результатами дослщження побудованi кiнетичнi кривi процесу адсорбцп СПАР i встановлено, що час досягнення адсорбцшно1 рiвноваги для концентрацш СПАР менше 40 мг/дм3 настае за 20 хв., а для бшьш високих концентрацiй час зростае до 30 хв. Тому для подальших дослвджень процесiв адсорбцп нами був обраний оптимальний час - 30 хв.
Крiм того, на процеси адсорбцп суттево впливае реак^ середовища, тому в робот адсорбцiйнi процеси дослiджували в нейтральному, кислому та в лужному середовища Встановлено, що найкраще вилучення анюнних СПАР на дослвджуваних адсорбентах досягаеться в iнтервалi рН ввд 6 до 8. При проведет адсорбцп в умовах кислого середовища (рН=4) зменшення адсорбцп молекул СПАР на поверхт адсорбенту може бути пов'язано з гальмуванням процесу дисощацп поверхнево-активних речовин. У свою чергу, створення сильно лужного середовища може блокувати (нейтрал1зувати) позитивно заряджеш функцiональнi групи природних адсорбенпв, як1 i вiдiграють роль адсорбцшних центрiв.
Як вiдомо, первинним джерелом шформацп про перебiг адсорбцiйного процесу е iзотерми адсорбцп, за формою яких можна спрогнозувати природу адсорбцшних сил [13]. Проведет експериментальт дослвдження адсорбцп при пiдвищеннi температури розчишв вказують на зменшення кшькосп адсорбованих молекул СПАР на трьох обраних адсорбентах, що свiдчить про фiзичну природу адсорбцiйних сил i про екзотермiчнiсть процесу.
Побудованi iзотерми адсорбцп, як видно з рис. 2, мають в цiлому вид параболи i на них окреслюються двi майже прямолiнiйнi дiлянки i одна криволшшна.
Такий вид iзотерм характерний для мономолекулярно! адсорбцil, а криволшшний нахил дiлянки (С=20-50 мг/дм3) показуе, що адсорбщя при незначному вмюту СПАР пропорцiйна концентрацil. Це вщповщае в значному ступенi вiльнiй поверхт адсорбенту. Прямолшшна, майже горизонтальна дшянка, яка спостерiгаеться за концентрацiй бшьше 100 мг/дм3, в1дпов1дае поверхнi адсорбенту, який повнiстю насичений адсорбтивом. Перехвдна криволiнiйна дiлянка (С=20-50 мг/дм3) характеризуе пром1жш ступенi заповнення поверхнi.
Також з рис. 2 видно, що початковi дмнки iзотерм адсорбцil СПАР (С=10-30 мг/дм3) увiгнутi по вщношенню до осi абсцис, тому !х можна в1днести до 8 - типу [10]. Даний факт вказуе на значну взаемодш м1ж адсорбованими молекулами СПАР у поверхневому шарi.
50 -|
и
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Концентращя ПАР, г/дм3
Рис. 2. 1зотерми адсорбци на рiзних адсорбентах: 1- активоване вугшля; 2- шкарлупа гарбузового насшня; 3- шкарлупа соняшникового насшня
1зотерми под1бн! форми спостер1гаються, головним чином, при вертикальнш ор1ентаци молекул адсорбата (рис. 3).
Н2О
■«_ _ - - _ - _ - _ - СПАР ОООООООООО ОО
I I I I
//////////////////////////////////////////////////// адсорбент
Рис. 3. Орieнтащя молекул СПАР на поверхш адсорбенту
Кшьшсно охарактеризувати процес адсорбци, а також пор1вняти адсорбцшну актившсть р1зних адсорбенпв, можливо шляхом визначення константи в р1внянш Фрейнд1ха:
Г = х/т = р • С1/п, де Г - шльшсть адсорбовано! речовини до 1 г адсорбенту, г/г;
х - маса речовини адсорбату,г;
т - маса адсорбенту, г;
С - р1вноважна молярна концентращя адсорбату, мг/дм3;
в та 1/п - константи.
Константи р1вняння Фрейнл1ха - Бедекера у ход1 роботи були розраховаш граф1чним методом за 1зотермою, побудованою в логарифм1чних координатах:
¡Я х/т = ¡я в + 1/п ¡яС.
Зазначене р1вняння вщповщае р1внянню прямо! лши в координатах lg х/т - ^С. Вщр1зок, який вщакае пряма по в1с1 ординат, дор1внюе lg в, а тангенс кута нахилу лшп до в1с1 абсцис дор1внюе 1/п (табл. 1).
Константи р1вняння Фрейндл1ха в та 1/п корелюються з даними 1зотерм адсорбци 1 шдтверджують експериментальш даш про максимальну адсорбцшну емшсть для активованого вугшля 1 м1тмальну - для шкарлупи соняшникового насшня. Кр1м того, константа 1/п знаходиться в межах 0,1 -0,5, що ввдповвдае адсорбци 1з розчишв 1 описуеться р1внянням Фрейндл1ха для мономолекулярно! адсорбци [13].
Таблиця 1
Константи рiвняння Фрейндiха_
№ з/п Адсорбент Константи р1вняння Фрейнд1ха
в 1/п
1 Активоване вугшля -0,05 0,384
2 Шкарлупа гарбузового насшня -0,19 0,325
3 Шкарлупа соняшникового насшня -0,35 0,180
Таким чином, у ход1 роботи встановлено, що активоване вугшля, адсорбуючи на сво!й поверхш молекули СПАР, очищуе воду ввд забруднювач1в на 71 % (рис. 4). Але даний сорбент дороговартюний та потребуе додатково! регенераци. Тому серед дослщжуваних адсорбенпв оргашчно! природи слш видшити адсорбцшну можлив1сть шкарлупи гарбузового насшня. I хоча показник адсорбцшно! емносп для шкарлупи гарбузового насшня майже у 2 рази менший, шж для активованого вугшля, перевагами даного адсорбенту е його доступшсть 1 дешевизна як продукту вшход1в агропромислового комплексу, який не потребуе дорого! за вартютю регенераци.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
123
Рис. 4. Поршняння адсорбцшних властивостей адсорбентiв неоргашчноТ та оргашчноТ природи
1-активоване вугiлля;
2-шкарлупа гарбузового насшня;
3- шкарлупа соняшникового насшня
Слш вшзначити, що вшпрацьовану шкарлупу можна рекомендувати у якост1 наповнювача при
виготовлеш тепло1золюючих матер1ал1в 1 бетошв у виробництв1.
Висновки
1. У ход1 роботи встановлен1 оптимальш умови проведення адсорбц1йного процесу вилучення СПАР 1з водного розчину: розрахована доза адсорбенту (1г), меж1 водневого показника (рН = 6 - 8) та час контакту фаз (т = 30 хв.). За 1зотермами адсорбци визначена ф1зична природа адсорбцшних сил на поверхш «адсорбент - поверхнево-активна речовина», мономолекулярний характер адсорбци та можливий механ1зм ор1ентаци молекул СПАР на поверхн1 адсорбенту.
2. У ход1 роботи з використанням р1вняння Фрейндл1ха з'ясована адсорбцшна активн1сть обраних адсорбент1в 1 показано, що найбшьш ефективним сорбентом рослинного походження виступае шкарлупа гарбузового насшня, яка, адсорбуючи на сво!й поверхш молекули СПАР, очищуе воду вш забруднювач1в на 35 %.
3. Показано, що хоч даний показник у 2 рази менший за активоване вугшля, переваги дослщжуваного рослинного адсорбенту обумовлеш вшсутшстю витрат на його регенеращю, що зменшуе надходження у навколишне середовище в1дход1в агропромислового комплексу. Вшпрацьований адсорбент може бути рекомендований у якост1 наповнювача при виготовлеш тепло1золюючих матер1ал1в 1 бетошв у виробництвг
Список використаноТ лггератури
1. Бойчук Ю. Еколопя i охорона навколишнього середовища: навч. посiб. / Ю. Бойчук. - Суми: Унiверситетська книга, 2002. - 283 с.
2. Буравська Т. Забруднення води та його вплив на оргашзм / Т. Буравська // Хiмiя. Бюлопя, 2001. -№ 22. - С. 7-10.
3. Коткова Т. Синтетичн ПАР та полiфосфати у рiчцi Жерев та И основних приток / Т. Коткова // Ольськогосподарсьш науки. - 2012. - №2. - С.30-36.
4. Паршикова Т.В. Вплив поверхнево-активних речовин на життедiяльнiсть планктонних водоростей // Вкник Кшвського унiверситету iменi Тараса Шевченка. Серiя «Бюлопя». - 1999. -Вип. 29. - С. 39-40.
5. Когановский А. Физико-химические основы извлечения поверхностно-активных веществ из водных растворов и сточных вод / А. Когановский, Н. Клименко. - К.: Наук. думка, 1978. -176 с.
6. Василшич Т. Дослвдження ефективносл очищения стоив шшряного виробництва природними адсорбентами / Т. Василшич // Техшчш науки. - 2011. - №4. - С.154-157.
7. Запольський А. Фiзико-хiмiчнi основи технологи очищення спчних вод / А. Запольський, М. Мiшкова-Клименко, I. Астрелш та iн. - К.: Лiбра, 2000. - 552 с.
8. Кульський Л. Технолопя очистки природних вод / Л. Кульський, П. Строкач. - К.: Вища школа, 1981. - 328 с.
9. Безденежних Л. Можливосп адсорбцшного очищення стiчних вод вiд юшв важких металiв / Л. Безденежних, Т. Алексеева // Еколопчна безпека. 2009. - № 6. - С. 54-57.
10. Солдаткина Л. Адсорбция катионных красителей из водных растворов на лузге подсолничника / Л. Солдаткина, Е. Сагайдак, В. Менчук. // Химия и технология воды. - 2009. - Т.31. - №4. - С. 417426.
11. Методика выполнения измерений анионных активных СПАВ в сточных водах // РНД. - 12-052002. - С.154-163.
12. Мщенко Г. Коло1дна хiмiя. Методичний поабник до виконання лабораторних робгг для студентiв хiмiко - тех^чних спецiальностей / Г. Мiщенко, Ю. Шипiлов. - Херсон: Херсонський державний техшчний унiверситет. - 2003. - 78 с.
13. Воюцкий С. Курс коллоидной химии / С. Воюцкий. - М.: Химия, 1975. - 512с.
