CC BY
58
УДК 504.4.054.001.5
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
РЯСКОЙ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
Л.Н. Ольшанская, профессор, д.х.н., Н.А. Собгайда, доцент, к.х.н., А.В. Стоянов, аспирант, М.Л. Кулешова, студентка, Энгельсский технологический институт (филиал Саратовского государственного технического университета),
г. Энгельс, Россия
Аннотация. Изучено влияние воздействия магнитного поля на процессы извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод с помощью биоэлектрохимического реактора - ряски.
Ключевые слова: очистка сточных вод, высшие водные растения, ряска, тяжелые металлы.
ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ МАГН1ТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСИ БЮЕЛЕКТРО-ХШ1ЧНОГО ВИДАЛЕННЯ ВАЖКИХ МЕТАЛ1В РЯСКОЮ
З1 СТ1ЧНИХ ВОД
Л.Н. Ольшанська, професор, д.х.н., Н.А. Собгайда, доцент, к.х.н., А.В. Стоянов, асшрант, М.Л. Кулешова, студентка, Енгельський технолопчний шститут (фш1я Саратовського державного технолопчного ушверситету), м. Енгельс, Рос1я
Анотаця. Вивчено вплив dii магнитного поля на процеси вилучення ioHie важких метал1в 3i ст1чних вод за допомогою бiоелектрохiмiчного реактора - ряски.
Ключов1 слова: очищення стiчних вод, вищi водт рослини, ряска, важк метали.
ANALYSIS OF MAGNETIC FIELD INFLUENCE ON PROCESSES OF BIOELECTROCHEMICAL REMOVING OF HEAVY METALS BY DUCKWEED
FROM SEWAGE
L. Olshanskaya, Professor, Doctor of Chemical Sciences, N. Sobgayda, Associate Professor, Candidate of Chemical Sciences, V. Stoyanov, postgraduate, M. Kuleshova, student, Engels Technological Institute (Branch of Saratov State University), Engels, Russia
Abstract. The influence of magnetic field influence on processes of ions extraction of sewage heavy metals by means of the bioelectrochemical reactor - duckweeds is studied.
Key words: sewage treatment, water upper layer plants, duckweed, heavy metals.
Введение
Большинство известных способов очистки сточных вод (СВ) от ионов тяжелых металлов (ИТМ) являются дорогостоящими, сложными в исполнении, ориентируются на импортное
оборудование и дефицитные реагенты. В последнее время в индустриально развитых странах интенсивно внедряется технология очистки СВ, загрязненных тяжелыми металлами, с помощью высших водных растений (ВВР), названная фиторемедиацией.
Анализ публикаций
На сегодняшний день, по оценкам специалистов, фиторемедиация - самый экологичный и дешевый способ очистки и обеззараживания воды, так как он не требует дополнительных энергетических затрат, сложного оборудования, химических реактивов. Известно, что воздействие магнитного поля может проявляться либо как стимулятор, либо как замедлитель развития клеток и корневой системы растений [1, 2]. Причем оказывает воздействие не только сила, но и направление постоянного магнитного поля (ПМП).
За последние десятилетия достигнуты значительные успехи в изучении действия магнитных полей на живые организмы. Авторами работ [3] показано, что магнитное поле влияет на живые существа любой степени организации - от простейших до высших.
Цель и постановка задачи
Нами проведено исследование влияния воздействия постоянного параллельного магнитного поля (ПарПМП) напряженностью Н, кА/м: 4,0; 2,0; 1,0; 0,5 на эффективность процессов извлечения катионов меди (Си2) из сточных вод с помощью высшего водного растения (ВВР) - ряски.
Экспериментальные исследования
влияния магнитного поля на ряску
Растения одинакового срока вызревания и одинаковой массы (в количестве 20 г в литре) высаживались в модельные растворы, и после их выдержки в течение определенного времени ч: 1, 2, 3, 4, 5, 24, 48, 120, 144, 168, 432, 240, 288, 360) без физических воздействий и при действии ПМП различной напряженности проводили из-
мерение остаточных концентраций ионов тяжелых металлов (ИТМ) в растворе. Определение концентраций проводили с использованием метода добавок стандартного раствора исследуемого металла с использованием роботизированного комплекса «Экспертиза ВА-2Б» с электродом «3 в 1».
Полученные данные по извлечению меди из сульфатных растворов с использованием ряски в качестве сорбента без воздействия ПМП и при воздействии ПарПМП напряженностью 4 кА/м представлены в табл. 1.
При изучении воздействия магнитного поля различной напряженности (табл. 2) было установлено, что процесс извлечения меди отличается от процесса, протекающего без участия магнитного поля (табл. 1). Удаление меди из сульфатных растворов их солей протекает наиболее эффективно в начальный период времени 1 - 5 часов. Достаточно высокая скорость удаления металлов достигается до ~ 5 суток.
Проведенные исследования показали, что размеры катиона или атома изучаемых металлов и их электрические характеристики (величина стандартного электродного потенциала) не играют определяющей роли и не оказывает влияния на процесс фиторемедиа-ции [3]. Анализ полученных данных показал, что под действием ПарПМП 2 кА/м ряска с большей скоростью и интенсивностью поглощает ионы меди, чем при воздействии полей напряженностью 1,0; 0,5 и 4,0 кА/м или без воздействия магнитного поля. Вероятнее всего, это связано с определенным интервалом силы действия ПарПМП на клетку растений и, как следствие, на степень извлечения меди.
ч, (сутки) Си2+
без воздействия МП МП = 4 кА/м
С, мг/л V, мг/ч С, мг/л V, мг/ч
1 0,84 0,160 0,84 0,160
5 0,70 0,098 0,71 0,097
24 (1) 0,42 0,024 0,63 0,074
120 (5) 0.40 0,005 0,48 0,022
144 (6) 0,37 0,0044 0,39 0,005
288 (12) 0,29 0,0025 0,35 0,0025
432 (18) 0,15 0,0002 0,29 0,0020
576 (24) 0,11 0,0002 0,15 0,0016
720 (30) 0,05 0,0001 0,11 0,0013
Таблица 1 Зависимость концентрации (С) ИТМ в растворе и скорости их извлечения (V) ряской от времени пребывания растений в растворе Си80д (начальная концентрация ИТМ 1 мг/л)
без и при воздействии МП
В листьях под действием поля 2 кА/м эффективнее ускоряется движение хлоропластов в токе протоплазмы. То есть ПарПМП проявляет свое воздействие как стимулирующий фактор. Этот фактор может проявляться либо как стимулятор роста растения, либо как стимулятор увеличения проницаемости клеточной ткани.
В период сброса растениями накопленной избыточной концентрации ИТМ наблюдалось изменение их внешнего вида. При воздействии параллельного постоянного магнитного поля напряженностью 0,5 кА/м на вторые сутки ряска изменила свой цвет с зеленого на светло-зеленый, на 4-5 сутки пожелтела, на 6 сутки листец изменил свой цвет на буро-желтый и на 10 - 11 сутки наблюдался некроз растения - ряска погибла. При действии ПарПМП силой 1,0 кА/м также было отмечено изменение цвета растения на 2-е сутки с зеленого до светло-зеленого с желтоватым оттенком, на 4-е сутки ряска полностью пожелтела, и на 10-е сутки ряска погибла. Несколько лучшая картина наблюдалась при воздействии ПарПМП напряженностью 2,0 кА/м.
На вторые сутки наблюдалось изменение цвета листецов с зеленого до светло-зеленого с желтоватым окрасом, примерно на шестые сутки листецы приобрели буро-желтый цвет, на 15-е сутки ряска полностью приобрела бурый цвет и потеряла все признаки жизнеспособности, наступил некроз. При Н = 4,0 кА/м у ряски активно про-
грессировал процесс деградации структуры растительного материала, происходило проникновение воды в фитомассу, изменялся окрас растения от ярко зеленого в исходном состоянии на бурый цвет в период угнетения. При дальнейшей выдержке растения в течение 10 дней оно погибало.
Полученные экспериментальные результаты согласуются с литературными данными [3], где показано, что при действии полей высокой напряженности нарушаются процессы, протекающие в клетках растений; изменяется содержание РНК; изменяется зона клеточного деления и зона растяжения клеток.
Механизм воздействия ПМП может быть объяснен следующим образом. Наложение магнитного поля способствует повышению проницаемости клеточной мембраны, что усиливает поток катионов меди в клетку из раствора, и, соответственно, сокращается время извлечения ИТМ фитомассой растения, в сравнении с процессами, протекающими без наложения магнитного поля. Было установлено, что при воздействии ПарПМП напряженностью 4,0; 2,0; 1,0 и 0,5 кА/м изменение внешнего вида растения также наблюдалось в более ранние сроки. Так уже по истечении 36 дней в результате цитоплазмолиза появились признаки нежизнеспособности растения: блеклость, загнивание, желтоватый окрас, что указывает на изменение структуры клетки. На 1015-е сутки растение погибало.
Таблица 2 Изменение массовой концентрации (О ионов меди и скорости их удаления (V) в зависимости от времени пребывания (1) ВВР ряски в растворах различных концентраций под действием параллельного постоянного магнитного поля различной напряженности
t,ч (сутки) 2,0 кА/м 1,0 кА/м 0,5 кА/м
С, мг/л V, мг/ч С, мг/л V, мг/ч С, мг/л V, мг/ч
1 0,790 0,210 0,801 0,199 0,850 0,150
2 0,705 0,148 0,784 0,108 0,780 0,110
3 0,679 0,107 0,723 0,092 0,701 0,100
4 0,581 0,105 0,610 0,098 0,640 0,090
5 0,448 0,110 0,577 0,085 0,592 0,082
24 (1) 0,360 0,027 0,480 0,022 0,482 0,022
48 (2) 0,321 0,014 0,423 0,012 0,430 0,012
96 (4) - - 0,382 0,006 - -
120 (5) - - - - 0,370 0,005
144 (6) 0,187 0,006 0,397 0,004 0,382 0,004
168 (7) 0,162 0,005 - - - -
240 (10) 0,269 0,003 0,412 0,002 0,466 0,002
288 (12) - - 0,422 0,002 0,470 0,002
360 (15) 0,283 0,002 - - - -
На следующем этапе было проведено изучение процессов извлечения тяжелых металлов из растворов Си804 и CdS04, содержащих различные концентрации катионов тяжелых металлов С, мг/л: 1000, 100, 5 и 1, с помощью ВВР - ряски при действии постоянного магнитного поля напряженностью 4,0 кА/м различного направления: параллельное -ПарПМП и перпендикулярное - ПерпПМП (рис. 1).
С, мг/л
а
С, мг/л
0 20 40 60 гч 00 100 120
б
Рис. 1. Изменение концентрации меди (1), кадмия (2) во времени при извлечении тяжелых металлов ряской из модельных растворов под действием МП: а -ПарПМП; б - ПерпПМП (СИТМ=100 мг/л)
Анализ рис. 1 показывает, что наибольшее изменение исходной концентрации растворов при извлечении металлов ряской было отмечено для кадмия при действии параллельного ПМП; удаление меди происходит с более низкими скоростями, чем без воздействия магнитной обработки. При действии перпендикулярного ПМП наибольшее изменение исходной концентрации растворов было отмечено для меди, с более низкими скоростями удалялся кадмий (рис. 1). Было обнаружено, что примерно через 120 часов наблюдается обратный сброс тяжелых металлов в объем раствора.
Нами установлено, что при воздействии параллельного и перпендикулярного магнитного поля напряженностью 4,0 кА/м процессы сброса металлов в раствор наблюдаются в более ранние сроки, чем без физических воз-
действий, причем при воздействии перпендикулярного ПМП процесс извлечения происходит более глубоко и эффективно. Наибольшее изменение исходной концентрации в растворах (100, 5 и 1 мг/л) было отмечено для меди; с более низким эффектом удалялся кадмий.
Выводы
Таким образом, полученные нами результаты по влиянию силы параллельного ПарПМП позволили установить, что процессы фито-ремедиации отличаются от процессов, протекающих без участия МП. Удаление ИТМ происходит более глубоко и протекает достаточно эффективно в течение первых 5 суток. Было установлено, что, как и в случае био-электросорбции без физических воздействий, наибольшее изменение исходной концентрации, что соответствует наиболее высокой скорости извлечения тяжелых металлов, наблюдается в первые часы пребывания растения ряска в модельных растворах. С течением времени скорости извлечения ИТМ ряской выравниваются. При действии ПарПМП 2,0 кА/м ряска сорбирует ионы металлов в большем количестве, чем при воздействии полей напряженностью 1,0;
0.5; 4,0 кА/м или без воздействия магнитного поля.
Литература
1. Савостин П. В. Магнитно-физиологичес-
кие эффекты у растений / П. В. Саво-стин // Труды Моск. дома ученых. -1937. - №1. - С. 111-121. 2 Ольшанская Л. Н. Влияние магнитного поля на процессы электрохимического извлечения тяжелых металлов из сточных вод ряской / Л. Н. Ольшанская, Н. А. Со-бгайда, Ю. А. Тарушкина, А. В. Стоянов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 8. - С. 41-44. 3. Холодов Ю. А. О механизме биологического действия постоянного магнитного поля / Ю. А. Холодов. - М. : Наука, 1971. - 215 с.
Рецензент: В. К. Жданюк, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 11 ноября 2009 г.
