CC BY
14
УДК 541.124:628.3 Каратаева П.Р., Иванцова Н.А.
КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОЗОНИРОВАНИЕ ПАРАЦЕТАМОЛА
Каратаева Полина Руслановна - бакалавр 4-го года обучения кафедры промышленной экологии; Иванцова Наталья Андреевна - кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО «Российский химико -технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрено каталитическое действие графитоподобного нитрида углерода на прохождение реакции озонирования парацетамола. Было выявлено, что озонирование без применения катализатора имеет эффективность 20,6%, а с применением графитоподобного нитрида углерода эффективность возрастает до 63,5% при озонировании на протяжении 15 минут. Получены кинетические экспериментальные данные по озонированию водного раствора.
Ключевые слова: каталитическое окисление, парацетамол, озонирование, графитоподобный нитрид углерода, фармацевтические стоки
CATALYTIC OZONATION OF PARACETAMOL
Karataeva P.R., Ivantsova N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the catalytic effect of graphite-like carbon nitride on the passage of the ozonation reaction of paracetamol. It was found that ozonation without the use of a catalyst has an efficiency of 20.6%, and with the use of graphite-like carbon nitride, the efficiency increases to 63.5% when ozonated for 15 minutes. Kinetic experimental data on the ozonation of an aqueous solution are obtained.
Key words: catalytic oxidation, paracetamol, ozonation, graphitic carbon nitride, pharmaceutical wastewater
Введение
Одним из важнейших лекарственных средств в мире является парацетамол (англ. Acetaminophen). 58% всего мирового спроса на группу анальгетиков приходится именно на этот лекарственный препарат. Вместе с этим возникает и огромная проблема с очисткой сточных вод фармацевтических предприятий, а также коммунальных стоков.
Благодаря наличию бензольного кольца парацетамол является также и крайне устойчивым соединением, поэтому его часто обнаруживают в природных водах. Из-за высокой токсичности данного лекарственного препарата наличие его в природных водах может нанести значительный вред для микроорганизмов, а также животных, употребляющих загрязненную воду. Особенно парацетамол токсичен для гидробионтов [1, 2].
Существуют различные методы очистки фармацевтических стоков от АФС, традиционно используют механические, физико-химические и биологические. Перспективным методом очистки сточных вод от активных фармацевтических субстанций (АФС) являются усовершенствованные окислительные процессы (Advanced Oxidation Processes - AOPs), с помощью которых можно достичь значительной степени очистки [3].
Универсальность перспективных окислительных процессов отражается в различных вариантах генерирования гидроксильных радикалов. Перспективные окислительные процессы характеризуются разнообразием реакций, условия протекания которых включают комбинацию химических веществ (например, озон - O3, пероксид водорода - H2O2, переходные металлы, оксиды) и
вспомогательных источников энергии (например, УФ-излучение, электрический ток, у-излучение, ультразвук). Другие примеры перспективных окислительных процессов включают
комбинированное воздействие Н2О2-УФ; систему Фентона (ШО2/Ре2+); хелатообразующие вещества; гетерогенное фотоокисление, использующее диоксид титана (ТЮ2) [4].
На сегодняшний день не существует общепринятых технологий/схем для эффективного и полного извлечения удаления АФС из воды. Химическое окисление является одним из перспективных методов очистки воды от органических соединений [5]. Озонирование -эффективный способ химического окисления. Озон применяется как для дезинфекции и обеззараживания воды, так и для удаления органических и неорганических загрязнителей. Он не относится к токсичным окислителем, так как распадается с образованием кислорода, без выделения побочных продуктов. Для повышения эффективности процесса озонирования использую гетерогенные или гомогенные катализаторы [6], присутствие которых приводит к активации реакций озона в воде. В качестве катализаторов в озонировании могут выступать оксиды и наноструктурированные металлы на различных оксидных носителях. Кроме того, имеет место быть гомогенное озонирование.
Малоизученным и достаточно новым катализатором является графитоподобный нитрид углерода [7]. Это вещество имеет высокую химическую стабильность, поглощает излучение в видимой области спектра, не содержит в своем
составе атомов благородных и редкоземельных металлов.
Целью данной работы являлась оценка эффективности метода каталитического
озонирования на окислительную деструкцию парацетамола, а также исследование каталитических его свойств в отношении парацетамола в присутствии озона.
Объект исследования
В качестве объекта исследования был выбран модельный водный раствор парацетамола (N-(4-гидроксифенил)ацетамид; С8НК02) с концентрацией 0,2 г/л. Характеристика парацетамола изложена в [8].
Методика эксперимента
Для проведения экспериментов были использованы водные растворы парацетамола производства компании АО «Фармстандарт». Взяты модельные растворы объёмом по 100 мл с исходной концентрацией препарата 0,13 г/л, время воздействия озонатора 1, 2, 3, 5, 10 и 15 минут.
Схема экспериментальной установки
представлена на рис. 1. Был применен озоновый генератор с выходом озона - 1000 мг, потребляемая мощность 10 Вт. В качестве метода генерации озона выступал разряд короны.
Метод определения парацетамола в пробах основан на получении нитросоединения, щелочной раствор которого дает желто-оранжевый цвет. Погрешность определения ± 10%.
Для интенсификации процесса озонирования в обрабатываемые растворы объёмом 100 мл добавляли по 0,02 г катализатора - графитоподобного нитрида углерода ^-Сз^). Все пробы с добавлением катализатора обязательно фильтруются через красный фильтр.
Получить графитоподобный нитрид углерода §-СзК4 можно с помощью термического разложения меламина (1,3,5-триазин-2,4,6-триамин). В синтезе использовался промышленный меламин с чистотой 99,7%. Общий смысл процесса можно описать следующим образом:
Сз^бНб ^д-СзМ4+2ЫНз
В работе также исследовали еще 2 типа катализаторов:
- образец № 1 - навеску меламина (3 части) тщательно перетирали в агатовой ступке с частицами БЮ2 (размер частиц 50-200 нм) (1 часть) помещали в закрытый тигель и выдерживали - 3 часа при температуре - 300°-350°С.
- образец № 2 - навеску меламина (3 части) тщательно перетирали в агатовой ступке с частицами АЬОз (размер частиц 50-200 нм) (1 часть) помещали в закрытый тигель и выдерживали - 3 часа при температуре - з00°-350°С.
Схема установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Экспериментальные данные
Исходя из полученных результатов (рис. 2), определено, что озонирование модельных растворов парацетамола без применения катализатора эффективно лишь на 20,6% за 15 минут воздействия озонатора. Добавление графитоподобного нитрида углерода в количестве 0,02 г повышает степень очистки до 63,5% за 15 минут озонирования. Дальнейшее увеличение времени озонирования должно повысить и степень очистки модельных растворов.
О Озонирование
70 60
, 50
м
¡2 40
и
о
£ 30
* 20 ш
10
О §-С3Ы4
§-С3Ы4/Д!
1*~
/Л\т7
ТГ 10
т о ,
0 о
024
......•■..........
/- .........#■■
•...........
............
О
§-С3М4/Б1
«
-10
6 8 10 Время озонирования, т, мин
12
14
16
Рис. 2. Зависимость степени очистки (%) водного раствора парацетамола от времени озонирования
Определено, что независимо от способа озонирования происходит экспоненциальный рост степени окисления парацетамола. Каталитическое озонирование в присутствии графитоподобного нитрида углерода возрастает в 3 раза. Кроме того, скорость окисления при времени стремящемся к 0 значительно выше.
В любом случае внесение в систему катализатора приводит к увеличению эффективности озонирования.
Также получены результаты по окислению парацетамола в присутствии нитрида углерода с включением кремния с различной массой катализатора. Установлено, что масса катализатора не влияет на эффективность очистки.
Предположительный механизм каталитического озонирования может выглядеть следующим образом. Так как растворимость озона в воде крайне низка, присутствие катализатора способствует реакциям его (Оз) распаду. Кроме того, возможно катализатор работает как сорбент в отношении озона, который в свою очередь в связанном состоянии реагирует с молекулой парацетамола. Однако данный процесс еще недо конца изучен и требует отдельных экспериментов. Известно, что напрямую озон может реагировать с различными органическими молекулами за счет селективных реакций с двойными связями, например. При чистом озонировании водного раствора парацетамола в нашем случае (где эффективность достигала максимум 21 %) вероятнее протекание реакции со свободными гидроксидными и гидропероксидными радикалов, образующимися в системе.
Заключение
Определена каталитическая способность графитоподобного нитрида углерода на окислительную деструкцию парацетамола в модельных растворах методом озонирования. С использованием катализатора - графитоподобного нитрида углерода, можно в значительной степени увеличить и степень очистки и скорость окисления. Эффективность данного окислительного метода с применением катализатора возросла в три раза по сравнению с чистым озонированием.
Теоретически установлено, что существует множество моделей протекания процессов
каталитического озонирования в отношении разнообразных АФС, которые требуют детального изучения.
Список литературы
1. Wadhah Hassan A Edrees., et al. "Occurrence of Paracetamol in Aquatic Environments and Transformation by Microorganisms: A Review". Chronicles of Pharmaceutical Science 1.6 (2017): 341355.
2. International Labour Organization - International Chemical Safety Cards (ICSCs): [Электронный ресурс]. 1996-2018 - URL: https://www.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display7p lang=e n&p card id=1330&p version=2 (Дата обращения: 21.04.2021).
3. Шейнкман Л.Э. Усовершенствованные окислительные процессы очистки промышленных сточных вод / Л.Э. Шейнкман, Л.Н. Савинова, Д.В. Дергунов, В.Б. Тимофеева // Экология и промышленность России. - 2015. - №.19(6). - С. 3236.
4. Желовицкая А.В. Применение перспективных окислительных процессов для очистки сточных вод, содержащих фармацевтические препараты / А.В. Желовицкая, А.Ф. Дресвянников, О.Г. Чудакова // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т.18. - №20. - С. 73-78.
5. Wu J., Wu Ch., Ma H., Chang Ch. Treatment of landfill leachate by ozone-based advanced oxidation processes // Chemosphere. - 2004. - V. 54. - P. 998.
6. Kasprzyk-Hordern B., Ziolek M., Nawrocki J. Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone reactions in water treatment // Applied Catalysis B: Environmental. - 2003. -V. 46. - P. 639-669.
7. Чебаненко М.И., Захарова Н.В., Попков В.И. Получение нанопорошков графитоподобного нитрида углерода и их фотокаталитическая активность под действием видимого света // Журнал прикладной химии. 2020. - Т. 93. - Вып. 4. - С. 490497.
8. Захарочкина Е. Комбинированные препараты парацетамола. Аптечный ассортимент и правила отпуска // Новая аптека. 2020. - № 18. - С. 82-90.
