CC BY
143
УДК 628.345.1
Т. А. Прокопенко, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УДАЛЕНИЯ ИОНОВ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ СРЕД ОТХОДАМИ ОТ ПЕРЕРАБОТКИ БОБОВЫХ КУЛЬТУР
Ключевые слова: оболочка семян гороха, водные экстракты, комплексы.
В данной работе изучена возможность очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов экстрактами, приготовленными из отходов переработки бобовых культур - оболочек семян гороха. Наблюдалось образование сложных нерастворимых в воде комплексов ионов тяжелых металлов с органическими компонентами экстрактов с последующим их выделением. Эффективность очистки от ионов меди достигла 90,9%, от ионов никеля - 91,0%, от ионов кобальта - 76,5%.
Keywords: pea seeds with the shell, aqueous extracts, complexes.
In this work the possibility of sewege water cleaning from heavy metal ions by exracts made form legume waste - pea seed coats is studied. The formation of water insolubale heavy metal plus extraxt's organic compounds complexes is observed, later complexes separate from the solution. The effectivenes of such treatmant of the cuprum ions reached 90,9% of nickel ions - 91,0% of the cobalt ions - 76,5%.
Проблема загрязнения водных ресурсов является актуальной в связи с продолжающимся ростом антропогенной нагрузки на природную среду. В списках приоритетных загрязняющих веществ одно из первых мест занимают ионы тяжелых металлов (ИТМ), соединения которых не подвергаются деструкции в водоеме, а лишь изменяют формы миграции и поэтому относятся к консервативным веществам, токсичным для гидробионтов и человека.
Как известно, металлосодержащие сточные воды образуются на промышленных предприятиях в результате технологической обработки различного сырья, материалов и изделий из них.
В Татарстане на сегодняшний день действует 38 гальванических производств, в ходе деятельности которых образуются сточные воды, содержащие, как правило, ИТМ. Среди них выделяют ОАО Чистопольский часовой завод «Восток», ФГУП «КАПО им. С. П. Горбунова», ОАО «Казанское мотостроительное производственное объединение» и др. Поэтому проблема очистки сточных вод актуальна для Татарстана, и, в частности, для г. Казани. На территории города, кроме вышеперечисленных, расположены ОАО «Электроприбор», ОАО «Сантехприбор», ОАО «Казанский завод точного машиностроения», ОАО «Казанский оптикомеханический завод» и др.
Научно-технические мероприятия охраны гидросферы в машиностроении и металлопереработке должны быть реализованы путем создания, во-первых, процессов очистки сточных вод с извлечением из них всех ценных компонентов, во-вторых - эффективной локальной очисткой сточных вод в местах их возникновения. Существующие в настоящее время методы, обеспечивающие эффективную очистку гальванических стоков с дальнейшим извлечением из шлама ценных компонентов, требуют сложного аппаратурного оформления и являются дорогостоящими.
Однако финансовое состояние предприятий особенно в кризисное и посткризисное время ограничивает ресурсные возможности по реализации эффективной природоохранной деятельности. В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется внедрению высокоэффективных методов очистки, не требующих больших вложений финансов и не оказывающих негативного влияния на окружающую природную среду. Особый интерес представляет использование в качестве реагентов вторичных материальных ресурсов. В этом плане весьма перспективным материалом являются вещества, полученные из отходов
промышленного производства, проблема с утилизацией которых до сих пор полностью не решена [1-3].
Определенный интерес в качестве реагентов для удаления ИТМ из водных объектов представляют отходы переработки сельскохозяйственного сырья, и в том бобовых культур. Особенностью последних является наличие в их составе белковых соединений, состоящих из различных аминокислот.
Из литературных источников известно [4], что для аминокислот особенно характерно образование солей с металлами, обладающих специфической окраской, например, синей в случае солей с ионами Си(11). Эти соединения являются внутренними комплексными солями; в них атом меди связан не только с атомами кислорода, но и с атомами азота аминогрупп:
ИС Н - 3-Н N--N Н2—ИС Н
I X / |
СО—О — Си— О—СО
Связь между атомом меди и азота осуществляется дополнительными валентностями (за счет не поделенной пары электронов азота аминогруппы и свободных Ь-орбиталей меди). Как видно, при этом возникают кольчатые структуры, состоящие из пятичленных циклов. Медь (и другие металлы) в таких внутрикомплексных соединениях не имеют ионного характера и такие комплексы характеризуются устойчивостью, и, как правило, нерастворимы в водных средах.
Интерес к экстрактам вызван возможностью образования сложных нерастворимых в воде комплексов ИТМ с белковыми органическими компонентами экстрактов с последующим их выделением. Рассматривая химический состав изучаемых отходов, следует отметить, что содержание крахмала в оболочке семян гороха достигает 2 %, а белка - до 28 % от общей массы. Данные компоненты могут быть эффективно применены для удаления из сточных вод ИТМ.
Известны аналогичные работы, проведенные зарубежными учеными. В частности, сообщалось об использовании отходов от переработки бобовых культур для сорбции тяжелых металлов из грунтовых вод промышленных регионов [5]. В частности, установлено, что при времени контакта 30 мин эффективность удаления ионов кадмия достигала 99,99 %.
В данной работе изучалась возможность очистки модельных стоков от ионов Си2+, Ы12+ и Со2+ при помощи экстрактов, приготовленных из отходов переработки бобовых культур -оболочек гороховых семян (ЭОГ).
Для приготовления экстракта использовались измельченные ЭОГ с размером частиц от 0,5 до 1 мм. К 100 г сырья приливалось 1000 мл дистиллированной воды, нагретой до 90 °С. Смесь настаивалась в течение 3 часов для наиболее полного экстрагирования органических веществ в водную фазу. Физико-химические показатели экстракта приведены в таблице 1.
В пять колб, содержащих по 50 мл заранее приготовленных модельных растворов ИТМ концентрацией 1000 мг/л, добавлялся экстракт в объеме от 5 до 50 мл. Добавление последнего приводило к образованию дисперсной фазы, которая удалялась фильтрованием, сушилась и взвешивалась, а фильтрат анализировался на изменение физико-химических показателей. По полученным данным строились зависимости, демонстрирующие эффективность использования экстракта при очистке модельных вод от ИТМ.
Как видно из графика (рис. 1) остаточного содержания ИТМ в фильтратах от объёма добавляемого экстракта, наиболее резкое снижение исследуемого параметра (40-60 %) наблюдается при добавлении 5 мл ЭОГ к 50 мл модельных растворов. Дальнейшее увеличение прибавляемого экстракта не способствует значительному снижению остаточного содержания ИТМ. Определено, что, эффективность очистки от ионов меди достигает 90,9 %, от ионов никеля - 91,0 %, от ионов кобальта - 76,5 % при соотношении модельного раствора и экстракта 1:1.
Таблица 1 - Физико-химические показатели ЭОГ
Показатель Значение
рН Плотность, г/мл Химическое потребление кислорода (ХПК), мгО2/л Светопропускание (Т), % Оптическая плотность (й) Щелочность общая, мг-экв/л Кислотность общая, мг-экв/л Цвет 6,27 0,9987 4007 4 1.5 0,8 9.6 светло-жёлтый
V, мл
-'*— Со -1■— N1 —1Си
Рис. 1 - Зависимость изменения концентраций ИТМ в фильтратах от объема добавленного экстракта
Как видно из таблицы 2, добавление экстракта приводит к незначительному снижению значений рН среды и при дальнейшем увеличении объема добавляемого экстракта в модельные растворы, содержащие ИТМ, названный показатель существенно не изменяется.
Значения ХПК фильтратов, содержащие остаточные количества ИТМ, повышаются, что закономерно, так как увеличиваются объемы добавленных экстрактов, имеющих высокое значение ХПК (рис. 2-4). Приведенные выше зависимости так же наглядно демонстрируют и тот факт, что некоторое количество органических веществ, находящихся в ЭОГ, вступило в реакцию с ИТМ и выпало в осадок. И это подтверждается различием в значениях ХПК в случаях с модельным раствором и дистиллированной водой. Значения ХПК в эксперименте, когда ЭОГ приливался к дистиллированной воде выше, чем в эксперименте с модельным раствором. Разница между рассчитанным теоретическим значением ХПК и значением, полученным после выпадения осадка, показывает то количество органической составляющей экстракта, которое вступило в реакцию с ИТМ (табл. 3).
Таким образом, результаты экспериментов показали, что экстрактами из оболочек семян гороха можно эффективно удалять ионы тяжёлых металлов из водных объектов.
Таблица 2 - Изменения рН в фильтратах в зависимости от объема добавленного экстракта
Объём экстракта, мл рН
Си2+ Ы12+ С о КЗ +
0 5,75 5,58 5,37
5 4,95 5,25 5,11
10 4,74 5,01 5,17
20 4,64 4,92 5,26
30 4,57 4,87 5,29
40 4,52 4,82 5,32
50 4,48 4,78 5,36
—ХПКп —■— ХПКт V, мл
Рис. 2 - Зависимость изменения значений ХПК фильтратов, содержащих ионы Си2+, от объема добавленного экстракта
Таблица 3 - Соотношение ИТМ и органических соединений, выпавших в осадок в фильтратах в зависимости от объема добавленного экстракта
Объём экстракта, мл Масса осадка, г/л Си2+/органичес кие соединения Масса осадка, г/л 2+ N1 /органическ ие соединения Масса осадка, г/л Со2+/органичес-кие соединения
5 0,92 1,96:1 0,99 1:1,47 0,937 1,4:1
10 0,98 1,97:1 1,1 1:1 1,128 1,13:1
20 1,09 2,6:1 1,29 1,05:1 1,321 1,09:1
30 1,62 1,05:1 1,49 1,04:1 1,547 1:1,04
40 1,7 1,15:1 1,69 1,41:1 1,755 1:1,17
50 1,92 1:1,04 1,99 1,01:1 1,874 1:1,23
ХПКп
ХПКт
■2+
Рис. 3 - Зависимость изменения значений ХПК фильтратов, содержащих ионы N1 , от объема добавленного экстракта
ХПКп
ХПКт
V, мл
Рис. 4 - Зависимость изменения значений ХПК фильтратов, содержащих ионы Co2+, от объема добавленного экстракта
Литература
1. Киселева, Н. В. Реагентная очистка сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов с использованием экстракта из лузги гречихи: дисс. ...канд. техн. наук / Н. В. Киселева. - Казань, 1999. - 113 с.
2. Степанова, С. В. Исследование возможности использования отхода деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов / С. В. Степанова, А. И. Багаува, И. Г. Шайхиев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 10. - С. 64-71.
3. Степанова, С. В. 1. Исследование возможности использования отходов деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов. 2. Исследование экстрактов из отходов деревопереработки (коры дуба) для удаления ионов Cu (II) / С. В. Степанова, А. И. Багаува, И. Г. Шайхиев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. - С. 49-54.
4. Травень, В. Ф. Органическая химия: в.2 т. / В. Ф. Травень. - М.:ИКЦ «Академкнига», 2004. - т. 2. - 582 с.
5. Saeed, A. Bioremoval of cadmium from aqueous solution by black gram husk (Cicer arientinum) / A. Saeed, M. Iqbal // Water Res.- 2003.-v. 37.-№ 14.- Р. 3472-3480.
© Т. А. Прокопенко - асп. каф. инженерной экологии КГТУ, tanya25091@mail.ru; С. В. Степанова -канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. Г. Шайхиев - канд. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КГТУ, ildars@inbox.ru.
