Особенности окислительной деструкции органических красителей с помощью гетерогенных катализаторов типа Фентона Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.097:539.21:628 Карлова Е.В., Конькова Т.В.

ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ГЕТЕРОГЕННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ТИПА ФЕНТОНА

Карлова Елена Владимировна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и электрохимических процессов e-mail: [email protected]

Конькова Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов,

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

Исследованы особенности окислительной деструкция органических красителей пероксидом водорода в водных растворах в присутствии Со/Al2O3катализатора. Адсорбция красителей на поверхности катализатора в процессе катализа зависит от размера их молекул и в целом положительно влияет на окисление, однако крупные молекулы красителя могут блокировать активные центры катализатора и замедлять процесс окисления.

Ключевые слова: каталитическое окисление, гетерогенные катализаторы, очистка сточных вод.

FEATURES OF OXIDATIVE DESTRUCTION OF ORGANIC DYES USING HETEROGENEOUS FENTON TYPE CATALYSTS

Karlova E.V., Kon'kova T.V.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

The features of oxidative destruction of organic dyes by hydrogen peroxide in aqueous solutions in the presence of Co / Al2O3 catalyst are studied. Adsorption of dyes on the surface of the catalyst during the catalysis depends on the size of their molecules and generally has a positive effect on the oxidation, however large dye molecules can block the active sites of the catalyst and slow down the oxidation process.

Keywords: catalytic oxidation, heterogeneous catalysts, waste water purification.

В настоящее время вопрос о защите окружающей среды является одним из приоритетных, так как ее загрязнение оказывает существенное негативное влияние на здоровье человека. В воды попадают промышленные и бытовые отходы, содержащие соли различных металлов, яды, пестициды, удобрения, моющие средства, радиоактивные вещества. Одним из источников загрязнения гидросферы являются промышленные сточные воды, содержащие большое разнообразие органических соединений, некоторые из которых являются токсичными. Стоки текстильной промышленности загрязнены рядом разнообразных органических красителей. Уменьшение

экологической нагрузки на окружающую среду может быть достигнуто, прежде всего, за счет исключения или резкого снижения сброса вредных веществ в сточные воды.

Среди существующих методов очистки сточных вод каталитическое окисление органических веществ является эффективным методом. Данный процесс является практически необратимым и при наличии подходящих катализаторов позволяет полностью превратить токсичные органические вещества в безвредные продукты углекислый газ и воду. Окисление органических веществ, в том числе красителей, пероксидом водорода с помощью

гетерогенных катализаторов типа Фентона, является одним из перспективных способов обезвреживания сточных вод промышленных предприятий [1-3]. Гетерогенные катализаторы, по сравнению с гомогенными позволяют проводить каталитический процесс в более широком интервале рН. В качестве носителей катализаторов для окислительной деструкции органических токсикантов в водных растворах исследователи применяют различные пористые материалы: углерод, цеолиты, слоистые алюмосиликаты, оксиды алюминия и кремния.

Цель данной работы состояла в исследование влияния адсорбции органических красителей на поверхности Со/А1203 катализатора типа Фентона на процесс их окислительной декструкции с помощью пероксида водорода.

Катализатор получали пропиткой по влагоемкости у-А1203 раствором нитрата кобальта с концентрацией 0,2 моль/литр. Далее катализатор сушили при комнатной температуре в течение суток, затем прокаливали в муфельной печи, в 2 часа при 600°С скорость нагрева 5 град./мин. Содержание активного компонента (кобальта) в полученном катализаторе в пересчете на металл составило 0,44 %мас..

Окисление органических красителей проводили на модельных водных растворах объемом 100 мл и

начальной концентрацией «10 мг/л при 60°С и рН=6 в термостатируемом реакторе периодического действия с мешалкой в течении 60 минут. В качестве объектов окисления исследовали красители анионного типа метиловый оранжевый, синозол и кислотный алый 2Ж, а также катионного типа кристаллический фиолетовый.

В первом случае навеску катализатора массой 0,5 грамма и 3%-ный раствор пероксида водорода объемом 1 мл загружали в реактор одновременно, стараясь избежать контакта катализатора с красителем без присутствия окислителя. Каждые 15 минут из реактора отбирали пробу объемом 5 мл, в которой определяли содержание красителя и возвращали обратно в реактор.

Во втором случае осуществляли предварительную адсорбцию красителя на поверхности катализатора, для этого через 30 минут после начала контакта красителя с катализатором проводили отбор пробы, после чего добавляли

пероксид водорода. Последующие пробы брали с интервалом 15 минут.

Определение концентрации красителей в процессе окислительной деструкции проводили фотометрическим методом с помощью спектрофотометра ЮНИКО 1201 при соответствующей каждому красителю длине волны.

Исследовано влияние адсорбции красителей на поверхности катализатора в условиях процесса и ее влияние на эффективность окисления. Кинетические кривые обесцвечивания растворов красителей представлены на рис. 1-4. Адсорбции зависит от размера молекулы либо иона сорбируемого вещества, его строения и заряда, а также от заряда поверхности пористого материала и размера пор адсорбента. По данным низкотемпературной адсорбции азота удельная поверхность катализатора составила 225 м2/г, средний размер мезопор 3,7 нм. Поверхность катализатора заряжена положительно, о чем можно судить по ^-потенциалу, величина которого в условиях эксперимента составила порядка 2,5 мВ.

длина волны 460 нм

Рисунок 1. Зависимость степени превращения метилового оранжевого от продолжительности контакта

1

Структурная формула метилового оранжевого

С предварительной адсорбцией

Без предварительной адсорбции

60

70

Рисунок 2. Зависимость степени превращения кристаллического фиолетового от продолжительности контакта

длина волны 575 нм

Структурная формула кристаллического фиолетового

Согласно приведенным данным, величина адсорбции прямо пропорциональна размеру молекулы красителя. Метиловый оранжевый практически не адсорбировался на поверхности катализатора, несмотря на положительный заряд поверхности катализатора. Для синозола адсорбция максимальна и составила 1,2 мг/г катализатора, при этом степень очистки раствора равна 60%. Заряд иона красителя в данных условиях не оказывает существенного влияния на адсорбцию красителя и ее величина определяется преимущественно размером сорбируемой молекулы и соответственно размером пор адсорбента.

Во всех случаях адсорбция положительно влияет на процесс окислительную деструкцию красителей, за исключением кислотного алого 2Ж. Вероятно, в

данном случае происходит блокирование активных центров катализатора молекулами красителя. В целом, при наличии адсорбции красителя на поверхности катализатора уменьшается реакционный путь гидроксил-радикала к молекуле окисляемого вещества, вследствие чего, эффективность процесса окисления возрастает. Анализ растворов после катализа методом сканирующей спектрофотометрии показал, что в исследуемом временном интервале наряду с разрущением хромофорных групп, приводящих к обесцвечиванию раствора, происходит деструкция бензольных колец красителей Концентрация полупродуктов деструкции, имеющих полосы поглощения в области ниже 250 нм возрастает.

Рисунок 3. Зависимость степени превращения кислотного Структурная формула кислотного алого 2Ж алого 2Ж от продолжительности контакта

О 1ЧН,

БС^а

О НМ

Рисунок 4. Зависимость степени превращения синозола от продолжительности контакта

ЫаО^Э длина волны 595

Структурная формула синозола

Таким образом, гетерогенный процесс типа Фентона в присутствии Со/А1203 катализатора является эффективным методом обезвреживания сточных вод, содержащих органические красители и позволяет осуществлять последующую

биологическую обработку.

Список литературы

1.Конькова Т.В., Гордиенко М.Г., Алехина М.Б.,Меньшутина Н.В. Синтез и каталитические свойства Fe/SiO2-Al2O3 систем, полученных золь-

гель методом // Ж. Физической химии. 2017. Т. 91. №3. С. 450-454.

2. Конькова Т.В., Просвирин И.П., Алехина М.Б., Скорникова С.А. Кобальтсодержащие катализаторы на основе А1203 для окислительной деструкции органических красителей в водной фазе // Кинетика и катализ. 2015. Том. 56. №2. С. 207-213.

3. Конькова Т.В., Гордиенко М.Г., Алехина М.Б., Меньшутина Н.В., Кирик С.Д. Катализаторы на основе мезопористого оксида кремния для окисления азокрасителей в сточных водах // Катализ в промышленности. 2015. Т. 15. № 6. С. 56-61