CC BY
6
УДК 504.4.054
Сапрошина А.А., Макарова А.С.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛЕЙ ОКСИЭТИЛИДЕНДИФОСФОНОВОЙ КИСЛОТЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Сапрошина Анастасия Александровна, магистрант кафедры ЮНЕСКО "Зеленая химия для устойчивого развития". Институт химии и проблем устойчивого развития (ИПУР). Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия. E-mail: [email protected]
Макарова Анна Сергеевна, д.т.н., профессор кафедры ЮНЕСКО "Зеленая химия для устойчивого развития". Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. E-mail: [email protected]
В результате разнообразной деятельности человека в водные объекты попадает большое количество тяжелых металлов. Восстановление окружающей среды при помощи растений вызывает широкий интерес во всем мире благодаря возможностям, которые открывает технология фиторемедиации. В статье рассматривается использование углеродного волокна в качестве носителя K2ОЭДФ, что способствует лучшей сорбции тяжелых металлов в сточной воде. Процесс очистки происходит благодаря естественной способности ряда живых организмов и растений поглощать, разлагать и перерабатывать загрязнители. Ключевые слова: фиторемедиация; биоремедиация; тяжелые металлы; загрязнение окружающей среды; очистка сточных вод.
ESTIMATION OF THE EFFICIENCY OF THE USE OF SALTS OF HYDROXYETHYLIDENE DIPHOSPHONIC ACID FOR CLEANING WATER BODIES
Saproshina Anastasia, Makarova Anna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
As a result of various human activities, a large amount of metals enters water bodies. Plant-based environmental regeneration has generated widespread interest worldwide because of the opportunities offered by phytoremediation technology. This article discusses the use of carbon fiber as a carrier of K2HEDP, which promotes better sorption of heavy metals in wastewater. The cleaning process occurs due to the natural ability of a number of living organisms and plants to absorb, decompose and recycle pollutants.
Keywords: phytoremediation; bioremediation; heavy metals; environmental pollution; wastewater treatment
Введение
Соединения тяжелых металлов (ТМ) являются наиболее распространенными загрязнителями, поступающими в водоемы с промышленными отходами и представляющими значительную опасность для биоценозов при достижении концентрации ТМ в воде выше санитарно-гигиенических норм [1].
Одним из эффективных способов очистки водных объектов от загрязнений, включая ТМ, является фиторемедиация. При помощи растений можно очистить компоненты окружающей среды от металлов, вследствие чего постепенно происходит внедрение фиторемедиации - комплекс методов очистки сточных вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений, которые позволяют удалить загрязнители [2].
Искусственные корни из углеродного волокна помогают повысить эффективность процесса очистки водных объектов от загрязнителей. Углеродное волокно состоит из связки сверхтонких нитей, которые постепенно распускаются в воде и занимают значительную по объему площадь [3]. Микроорганизмы, находящиеся в воде, оседают на большой поверхности распустившихся нитей и
образуют биопленку. Эта биопленка адсорбирует загрязнители, где они расщепляются
микроорганизмами [4].
В представленной работе проводилась оценка эффективности использования солей К2ОЭДФ на искусственных корнях для очистки водных объектов. Для этого оценивались пригодность водного гиацинта (эйхорнии - лат. Eichhornia crassipes) для целей фиторемедиации, влияние К2ОЭДФ на сорбцию ТМ в сточной воде, а также возможность использования углеродного волокна в качестве носителя К2ОЭДФ.
Экспериментальная часть
Экспериментальная установка представляет собой 7 контейнеров с водой контрольной и экспериментальной группы. Для создания искусственных корней использовалось углеродное волокно. Длина одного пучка искусственных корней составляла 20 см, масса пучка I типа 1,6 г (т), масса пучка II типа 3,2 г (2т). К каждому растению в контейнерах №3-7 были прикреплены по одному пучку углеродного волокна (для растений в контейнерах №3,5 - I типа, для растений в контейнерах №4,6,7 - II типа).
Необходимо было приготовить раствор с К2ОЭДФ: в конической колбе смешивалось 500 мл
дистиллированной воды и 20 мл исходного раствора (массовая доля К2ОЭДФ = 28,3%). В растворе с К2ОЭДФ производилось вымачивание искусственных корней в течение 2 недель для проведения эксперимента в контейнерах №5-7.
Растения (эйхорния - лат. ЕгсИИвгта crassipes) с прикрепленным углеродным волокном были помещены в контейнеры экспериментальной группы (№2-7), в которые предварительно были добавлены различные концентрации № и Zn.
Над контейнерами были размещены фитолампы, позволяющие поддерживать необходимые условия для роста и развития растений (рис. 1).
Продолжительность эксперимента составляла 18 дней. Отбор проб воды производился в 1 (через 5 минут после добавления загрязнителей), 2, 4, 7, 9, 11, 14 и 18 день эксперимента. Анализы образцов воды на содержание в воде тяжёлых металлов производились с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой iCAP6300 Duo в лаборатории ЦКП НИЦ «Курчатовский институт» -ИРЕА. Прибор осуществляет регистрацию эмиссионных спектров различных элементов и дальнейший расчет содержания элементов, на основе полученных спектральных данных.
Рис.1. Установка для проведения эксперимента
Контейнер 1 - КОНТР.: контрольный - без загрязнителей, без углеродного волокна (у/в)
Контейнер 2 - ТМ: без углеродного волокна, с добавлением ТМ (2п, N1)
Контейнер 3 - ТМ + у/в I: с углеродным волокном I типа (с массой т); с добавлением ТМ
Контейнер 4 - ТМ + у/в II: с углеродным волокном II типа (с массой 2т); с добавлением ТМ
Контейнер 5 - ТМ + у/в I + К,ОЭДФ (с промыв.): с углеродным волокном I типа, предварительно вымоченном в растворе К2ОЭДФ, перед экспериментом искусственные корни промывались водопроводной водой в течение 5 минут; с добавлением ТМ
день
Контейнер 6 - ТМ + у/в II + ^ОЭДФ (с промыв.): с углеродным волокном II типа, предварительно вымоченном в растворе К2ОЭДФ, перед экспериментом искусственные корни промывались водопроводной водой в течение 5 минут; с добавлением ТМ
Контейнер 7 - ТМ + у/в II + ^ОЭДФ (без
промыв.): с углеродным волокном II типа, предварительно вымоченном в растворе К2ОЭДФ; с
добавлением ТМ
На рисунке 2 приведено сравнение внешнего вида растений в первый и последний день эксперимента.
13 день
КОНТР.
ТМ
ТМ+у/в I
TM+V/B П
ТМ+у/В 1+ ТМ+у/в П+ ТМ+у/вП+ К;ОЭДФ К;ОЭДФ К;ОЭДФ (с промыв.) (с промыв.) (без про мыв.)
Рис.2. Сравнение внешнего вида растений в первый и последний день эксперимента
После окончания эксперимента было проанализировано содержание металлов (Zn, Ni) в воде. Количество оставшихся в воде ТМ после проведения фиторемедиации представлено на гистограммах (рис. 3, 4). За 100% принято содержание ТМ в воде в 1 день проведения фиторемедиации. По гистограммам (рис. 3, 4) можно сделать вывод, что в результате проведения эксперимента с течением времени концентрация тяжелых металлов в воде стремительно снижается.
Количество опившегося Zn б экспериментальных контейнера*
100% Wft Й0& J ж сш
Jffii
m ?ffit tíx*>
ДипЗ
ДшьЭ День II День 14 День 18
■ ТМ ИТШу/й
» TM IуFI ■ TWly/í h С прочь D
I TMíy/д II" КЮЭДФ
jenjKMtH.I
I ТМ'VIH Ml "Ti I,',*:: í-l'l просып )
Рис.3. Количество оставшегося тяжёлого металла (Zn) в воде
Количество оставшегося Ni в экспериментальных контейнерах
100%
S0K 70S
Ы"
к* од
ÎÇH,
im
День 1 Лть7 ■ ТМ+у/п I ■ Ш+у/п i
ДсиьВ Дсньи День Ы Д|-нь18
■ Ш+у/ь Н.К209ДФ
(С I ДО1ЛЫ В. I
i ||.'-v,t и-Ы-) >!.'
| | H;n;lw : .
i ' ^ /л 11 • ■ .i i ; C^J ПрОЙЫВ.)
Рис.4. Количество оставшегося тяжёлого металла (Ni) в воде
Заключение
В результате проведенного эксперимента было установлено, что водный гиацинт (лат. Eichhornia crassipes) способен накапливать ТМ и обладает устойчивостью к их действию, это позволяет использовать данный вид растения для извлечения металлов из воды в процессе фиторемедиации.
По результатам анализов в проведенном эксперименте можно сделать вывод, что искусственные корни эффективно сорбируют тяжелые металлы из сточной воды, это позволяет использовать их в процессе фиторемедиации.
Применение раствора К2ОЭДФ на углеродных волокнах с массой m оказало положительное влияние на степень очистки воды от избыточной концентрации Ni, количество оставшегося тяжелого металла в воде имеет наименьший показатель (28%) среди данных по пробам воды других контейнеров экспериментальной группы. Количество оставшихся тяжелых металлов в воде в присутствии раствора К2ОЭДФ на углеродных волокнах с массой 2m больше, чем при отсутствии данного сорбента. Можно сделать вывод, что требуются дополнительные исследования с использованием других концентраций исходного раствора К2ОЭДФ.
Наименьшее значение оставшегося тяжелого металла среди проб воды было зафиксировано в контейнере с применением углеродного волокна, предварительно вымоченном в растворе К2ОЭДФ. Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что возможно использование углеродного волокна в качестве носителя К2ОЭДФ.
Данная работа соотносится с 6 целью устойчивого развития — обеспечение наличия и рационального использования водных ресурсов и санитарии для всех, так как происходит восстановление изначальных показателей воды путем биоремедиации.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 18-29-24212).
Список использованной литературы:
1. Экология. Проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Чистка водоемов от щелочных и тяжелых металлов с помощью высших водных растений. URL: https://studwood.ru. Дата обращения: 24.01.2021.
2. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам [отв. ред. Н.Н. Немова]; Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. С. 172.
3. Углеродные волокна MiraCarbon для очистки водоемов, рек и стоков. Описание углеродного волокна. URL: https://ochistka.btagroup.ru. Дата обращения: 05.01.2021.
4. UNIDO, 2019. Water treatment with Carbon Fiber. URL: http://www.unido.or.jp/en/te chnology_db/1670. Дата обращения: 20.02.2021.
