CC BY
72_ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ_
Т 55 (10) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2012
УДК 628. 543+668. 545
Л.В. Минаевская, Н.А. Щеголихина ЛИГНИН В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА ПРИ ОЧИСТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
(Дальневосточный федеральный университет) e-mail:minaevskaylv@mail.ru, shegolihinana@mail.ru
Представлены результаты исследования процессов статической и динамической сорбции нефтепродуктов и фенолов на лигнине, который является побочным продуктом гидролизного производства. Показана возможность использования лигнина, как недорого сорбента, в процессах очистки сточных вод с достаточно высокими значениями степени очистки.
Ключевые слова: лигнин, сорбция, нефтепродукты, фенолы, очистка, сточные воды
Вопросы экологии и охраны окружающей среды предполагают использование в современной технологии малоотходного производства. Особую актуальность имеет утилизация побочных продуктов химической промышленности и удаление из промышленных и сточных вод нефтепродуктов и фенолов. Отходы переработки древесины используются с целью получения новых сорбентов [1]. Одним из побочных продуктов целлюлозного и гидролизного производства является лигнин — полимер древесины ароматической природы с фенилпропановой структурной единицей. Природная полимерная структура в сочетании с широким спектром ионогенных группировок обусловливает наличие сорбционной способности лигнина к различного рода загрязнителям, в том числе органическим.
СОРБЦИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Лигнин как сорбент можно применять для предварительной очистки сточных и льяльных вод с высоким содержанием нефтепродуктов [2]. При исследовании статической и одноступенчатой динамической сорбции содержание нефтепродуктов оставалось гораздо выше предельно допустимой концентрации (ПДК=0,2 мг/л) для природных вод открытых пресных и соленых водоемов. Для увеличения глубины очистки воды с целью достижения указанной ПДК была использована установка с 2-х и 3-х стадийной фильтрацией. В качестве фильтра использовался предварительно отмытый и высушенный лигнин гидролизного биохимического завода г. Лесозаводска Приморского края.
Модельные системы, из которых проводилась сорбция нефтепродуктов, готовились на основе дистиллированной воды и дизельного топлива, с концентрацией нефтепродукта — С0, мг/л. Для исследования использовалась установка, представленная на рис. 1.
1
< 2
5
Рис. 1. Схема фильтрационной установки; 1- сосуд с модельной системой; 2 -стеклянная колонка диаметром 50 мм; 3 - лигнинные фильтры, массой 5 и 10 г; 4 - слой стекловаты;
5 - вакуумный насос Fig. 1. Scheme of filter device; 1 - vessel with model system; 2 -glass column, the diameter is 50 mm; 3 - lignin filters, mass is 5g and 10 g; 4 - layer of glass-wool; 5 - vacuum pump
Для поддержания постоянной скорости фильтрации создавалось разрежение 2 кПа. Скорость фильтрации была равна 3 л/ч или 3,17-10"2 м3/(м2-с).
3
3
4
Объем фильтрата составлял 2 л. Определялась концентрация нефтепродуктов на выходе из установки (С, мг/л) по известной методике гравиметрического анализа [3]. По количеству сорбированных нефтепродуктов (АС, мг/л) была рассчитана степень очистки воды (п, %) и средняя сорбционная емкость лигнина по нефтепродуктам (Е, мг/г) в мг нефтепродукта на 1 г сухого лигнина. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Сорбция нефтепродуктов при многоступенчатой фильтрации: I - две стадии; II - три стадии Table 1. Sorption of petrochemicals at multistage
Как показали исследования, многостадийной фильтрацией можно достичь верхнего предела ПДК по нефтепродуктам. Применение лигнина для более глубокой очистки сточных и природных вод не эффективно. Использование 3-х стадийной фильтрации дает наилучший результат с остаточной концентрацией нефтепродуктов 0,2 мг/л или степенью очистки воды 97 - 94 % для растворов с концентрацией нефтепродуктов более 3,70 мг/л.
СОРБЦИЯ ФЕНОЛОВ
Склонность лигнина к процессам конденсации [4] была положена в основу исследования удаления фенолов из сточных вод с помощью лигнина как сорбента. Из многих методов обесфе-ноливания вод [5] самым эффективным является адсорбционный. Но использование высокоэффективных синтетических ионитов весьма дорого и требует последующей регенерации сорбента. Лигнин является недорогим сорбентом и после сорбции на нем фенолов может быть использован как сырье в процессах получения лигнофенолфор-мальдегидных смол [4].
В данной работе был исследован процесс сорбции в статических и динамических условиях. Модельные системы, из которых проводилась сорбция фенолов представляли собой водные растворы: а) одноатомного фенола С6Н5ОН; б) двухатомного фенола (резорцина, 1,3 диоксибензола) С6Н5(ОН)2. Марка реактивов - «ч.д.а.», концентрация модельной системы - С0, мг/л.
Статическая сорбция фенолов. В объем модельной системы (200 мл) вносилось 5 г про-
мытого и высушенного лигнина. Время экспонирования при периодическом перемешивании составляло 2 часа при 293 К. Равновесная концентрация фенола и резорцина (С, мг/л) в системе определялась методом прямой фотометрии [3]. Была рассчитана величина адсорбции (а, мг сор-бтива на 1 г сорбента) по формуле: а = (С0 _ С)¥/т; V - объем системы; т - масса адсорбента (лигнина). Экспериментальные данные представлены в табл. 2.
Таблица 2
Статическая сорбция фенола и резорцина на лигнине Table 2. Static sorption of phenol and resorcin on lignin ^
Сорбция фенола
С0, мг/л 30 25 20 15
С, мг/л 13,9 9,3 6,2 4,4
а, мг/г 0,64 0,63 0,55 0,42
п, % 53,7 62,8 69,0 70,7
Сорбция резорцина
С0, мг/л 30 25 20 15
С, мг/л 8,8 5,6 3,9 2,3
а, мг/г 0,85 0,78 0,65 0,51
п, % 70,7 77,6 80,5 84,7
По величине адсорбции была рассчитана средняя сорбционная емкость лигнина по фенолу (Е = 640 мг/кг) и по резорцину (Е = 840 мг/кг), что сравнимо с адсорбционной емкостью торфяного шлака [5].
Динамическая сорбция фенолов. Так как
исследование статической сорбции фенолов выявило высокую сорбционную емкость лигнина по фенолам, то представляло интерес изучение сорбции фенолов в динамике. Для этого использовалась установка приведенная на рис. 1, с той лишь разницей, что сорбция была одностадийной и без наложения вакуума. В качестве модельных систем были использованы растворы фенола с концентрациями: С0= 0,45 мг/л (система А), С0= 0,96 мг/л (система В) и водный раствор резорцина с концентрацией С0= 16 мг/л (система D). Скорость фильтрации была постоянной и составляла 0,53-10-3 м3/(м2-с). При такой скорости фильтрации, очевидно, величина сорбционной емкости лигнина будет иметь тот же порядок, что и в статических условиях. Объем пропущенного фильтрата (V, л) в сумме составил 1,2 л. При фильтровании последовательно отбирались пробы по 0,2 л и анализировались на содержание фенола. В результате были получены данные, характеризующие степень поглощения фенолов (п, %) (рис. 2) и кинетику сорбции (табл. 3).
Как показывают результаты при использовании мало концентрированных модельных систем (менее 0,5 мг/л) степень поглощения фенола и
filtering: I - two steps; II - three steps
С0, мг/л С, мг/л АС, мг/л п, % Е, мг/г
I 15,0 0,45 14,55 97,0 14,5
7,5 0,30 7,20 96,0 0,48
3,7 0,20 3,50 94,6 0,23
II 15,0 0,35 14,65 97,7 -
7,5 0,20 7,30 97,3 -
3,7 0,20 3,50 94,6 -
n, %
Рис. 2. Кинетические кривые поглощения фенолов лигнином:
1 - система А; 2 - система В; 3 - система D Fig. 2. Kinetic curves of phenol absorption with lignin: 1- system A; 2- system B; 3 - system D
Таблица 3
Динамическая сорбция фенола и резорцина на лигнине
резорцина весьма велика (до 70%). Это указывает на высокое химическое сродство сорбтива и сорбента, и свидетельствует о возможности и перспективности использования лигнина как весьма недорого сорбента в процессах обесфеноливания промышленных и сточных вод. Применение лигнина в качестве сорбента это один из способов утилизации лигнина как отхода целлюлозной и гидролизной промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Комарова Л.Ф., Сомин В.А., Фогель А.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 12. С. 116-119; Komarova L.F., Somin V.A., Fogel A.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 12. Р. 116-119 (in Russian).
2. Минаевская Л.В., Калинина Т.А. // Проблемы естест-возн. и производства. Владивосток. 1995. Вып. 15. Сер. 5. С. 76-77;
Minaevskaya L.V., Kalinina T.A. // Problemy estestvozna-niya i proizvodstva. Vladivostok. 1995. N 15. Ser. 5. P. 76-77 (in Russian).
3. Лурье Ю.Ю., Рыбников А.И. Химический анализ производственных сточных вод. М.: Химия. 1974. 336 с.; Lurie Yu.Yu., Rybnikov A.I. Chemical analysis of industrial sewage. M.: Khimiya. 1974. 336 p. (in Russian).
4. Чудаков М.И. Промышленное использование лигнина. М.: Лесн. пром-ть. 1983. 200 с.;
Chudakov M.I. Industrial use of lignin. M.: Lesn. promyshlennost. 1983. 200 p. (in Russian).
5. Харлампович Г.Д., Чуркин Ю.В. Фенолы. М.: Химия. 1974. 376 с.;
Kharlampovich G.D., Churkin Yu.V. Phenols. M.: Khimiya. 1974. 376 p. (in Russian).
Table 3. Dynamic sorption of phenol and resorcin on lignin
Система А В D
V, л С, мг/л С, мг/л С, мг/л
0,2 0,15 0,21 6,08
0,4 0,23 0,23 6,72
0,6 0,32 0,52 9,60
0,8 0,40 0,88 13,12
1,0 0,43 095 14,56
1,2 0,45 0,96 16,0
Кафедра общей и неорганической химии
