CC BY
4
УДК 541.124:628.3
Соколова М.В., Иванцова Н.А.
ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ТАНИНА В ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ
Соколова Мария Владимировна - бакалавр 4-го года обучения кафедры биотехнологии и промышленной экологии; m155523coolm@yandex.ru.
Иванцова Наталья Андреевна - к. х. н., доцент кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье представлены результаты окислительной деструкции водного раствора танина с использованием озонирования. Установлено, что эффективность очистки слабощелочного раствора танина достигает 99%, а слабокислого 60% и зависит от времени окисления. Определено, что при озонировании щелочного раствора танина рН его снижается с 11 до 7.
Ключевые слова: окисление, танин, дубильная кислота, озонирование, водоочистка.
OZONIZATION OF AQUEOUS SOLUTION OF TANIN UNDER ALKALINE CONDITIONS
Sokolova M.V., Ivantsova N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article presents the results of oxidative degradation of an aqueous solution of tannin using ozonation. It has been established that the purification efficiency of a slightly alkaline tannin solution reaches 99%, and a slightly acidic solution reaches 60% and depends on the oxidation time. It was determined that during ozonation of an alkaline solution of tannin, its pH decreases from 11 to 7.
Key words: oxidation, tannin, tannic acid, ozonation; water treatment.
Введение
В кожевенной промышленности происходит образование большого количества жидких отходов (сточных вод), которые попадают в окружающую среду через три различных потока: поток пропитанного щелока, поток хрома и третий поток, в который поступают сточные воды из оставшихся процессов, проводимых в кожевенной промышленности. В основном, третий поток вносит в окружающую среду высокую нагрузку за счет наличия в нем органических и неорганические загрязнителей, большое количество твердых и жидких отходов. Неочищенный сброс сточных вод кожевенного завода, содержащих большое количество органического углерода, высокие уровни химического потребления кислорода (ХПК) и биохимического потребления кислорода (БПК), красители, жиры, трехвалентный хром, сульфиды, хлориды, кальций, магний, органические соединения и другие токсичные соединения в естественных водоемах влияют на водную экосистему. Также эти сбросы попадают в грунтовые воды, что в конечном итоге увеличивает риск для здоровья людей и животных [1, 2]. Присутствие красителей в составах воды, таких как азо- и металлокомплексы, ингибирует рост водной флоры и фауны а также индуцирует острую и хроническую цитотоксичность. Присутствие жиров влияет на эффективность переноса кислорода в процессе аэробной обработки и вызывает цитотоксичность из-за присутствия поверхностно-активных веществ. Наконец, присутствие природных и синтетических дубильных веществ может вызвать ингибирующие условия для биомассы при биологической очистке.
Одними из основных токсикантов для гидросферы являются различные органические
соединения, в том числе и многоатомные спирты. Одним из таких веществ является танин или дубильная кислота. Танин, добываемый из растений, преимущественно из коры деревьев, используется в пищевой промышленности, медицине и виноделии. Но особенно широкое применение получил в кожевенной и нефтедобывающей промышленностях. Очистные сооружения на промышленных предприятиях с применением стандартных методов не могут обеспечить качественной очистки сточных вод, так как в технологии танниды модифицируют посредством добавления различных катионов металлов.
о ОН
Рис.1. Структурная формула танина [2]
Для улучшения экологической ситуации разрабатываются и исследуются различные деструктивные методы очистки сточных вод от подобных поллютантов. В последнее время в теоретических и лабораторных (экспериментальных) исследованиях находят применение
комбинированные методы окислительной
деструкции органических соединений,
адсорбционные, мембранные. Для очистки сточных вод следует применять методы, которые экономичны и эффективно борются с токсичными и биологически стойкими органическими соединениями. Одним из таких методов было выбрано озонирование. Озонирование является одним из эффективных
методов очистки воды. Знание механизмов разложения разнообразных органических соединений (в частности танина) позволит создать в будущем системы, являющиеся эффективными как с точки зрения охраны окружающей среды, так и экономического эффекта.
Целью данного исследования была оценка эффективности озонирования на окислительную деструкцию щелочного раствора танина и сравнение данных с озонированием слабокислого раствора танина.
Объекты и методы исследования
Исходная концентрация танина варьировалась в диапазоне от 5 до 100 мг/л. Рабочий раствор танина подщелачивали №ОН до рН 11. Определение танина до и после окисления осуществляли спектрофотометрическим методом на основе цветной реакции танина с нитритом натрия [3]. Исследования по окислительной деструкции модельных стоков танина объемом 100 мл проводили на лабораторной озонирующей установке ХЯ-21-ШТ (рис. 2) мощностью 10 Вт, представленной на рис. 1. Производительность установки - 1000 мг/ч. Измеренная производительность по воздуху 7 л/мин и 2.5 мг О3 на 1 л воздуха в минуту. Время озонирования варьировали в диапазоне от 1 до 30 мин.
Для измерения рН растворов использовали рН-метр рН-150МИ.
Рис. 2. Схема лабораторной установки по озонированию танина 1 - генератор озона (ХЯ-ТЫ-ЮТ), 2 -
распределитель озона, 3 - реактор, 4 - отвод остаточного озона, 5 - сосуд с гопкалитом для разложения озона
Обсуждение результатов
В предыдущих исследованиях по озонированию водного раствора танина (концентрация 100 мг/л) при рН 5 было определено, что с увеличением времени озонирования от 1 до 30 мин концентрация танина снижается лишь в 2,4 раза и достигает эффективности максимум 60 %. Поэтому данная работа посвящена исследованию процесса озонирования на слабощелочной водный раствор танина при рН = 11.
Экспериментально обнаружено (рис. 3), что концентрация танина при озонировании его водного щелочного раствора снижается экспоненциально. При этом значение рН также снижается с 12 до 7 единиц при времени озонирования от 1 до 30 мин. Данный факт, вероятно, связан с тем, что газовая
смесь, подаваемая при озонировании танина, помимо озона содержит и другие газы, входящие в состав воздуха, в том числе и гидроксид углерода. Углекислый газ в свою очередь имеет высокую растворимость и растворяется с образованием угольной кислоты по схеме [4]:
СО2(г) ^ СО2Н2О ^ Н2СО3 ^ НСОз- ^ СО2-Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, повышая при этом кислотность среды по реакции:
Н2СО3 + Н2О ^ НСОз- + НзО+ Таким образом, повышение содержание растворенного углекислого газа в обрабатываемом растворе танина приводит к снижению рН. Также присутствие в воздухе азота может оказывать влияние на снижение рН. При этом происходят реакции взаимодействия азота и озона. Однако здесь необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить данный факт.
Станина' мг/л 100
80
60
40
20
0 4
8
12 16 20 24 28 32
т, мин
Рис. 3. Кинетика озонирования водного раствора танина
Для нахождения скорости озонирования, проводилась обработка кинетических кривых разложения танина с использованием программного обеспечения пакета Origin 8.0. С помощью графического метода определения констант скоростей разложения, определяли порядок реакции. Для этого построили графики зависимости концентрации танина от времени для нулевого, первого и второго порядков. Далее методом наименьших квадратов для каждой кривой построена аппроксимирующая прямая и рассчитаны коэффициенты аппроксимации. Расчеты показали, что константа скорости озонирования слабощелочного раствора танина (рН=11) составила 0,1922 мин-1, а слабокислого (рН=5) - 0,0401 мин-1, т.е. в 4,7 раза выше.
Определение влияния исходной концентрации танина на эффективность очистки (рис. 4) его при озонировании (15 минут) показало, что с увеличением исходной концентрации водного раствора танина эффективность очистки практически не меняется в пределах погрешности и составляет 95-100 %.
100
£
90
о
80
g
m 20:
0
0
100
20 40 60 80
концентрация танина, мг/л
Рис. 4. Зависимость эффективности очистки от концентрации танина (время озонирования 15 мин).
Изучение окислительной деструкции танина с использованием высокоэффективных окислительных методов (озонирование, УФ-окисление и подобные) с целью получения высокого качества очищенной воды продолжаются и в настоящее время.
Заключение
Таким образом, показано, что эффективность окисления полифенольных соединений, на примере танина, в щелочной среде возрастает, поскольку в щелочной среде скорость разложения озона увеличивается, тем самым происходит накопление реакционных кислородсодержащих радикалов. Эффективность очистки воды от дубильной кислоты
(танина) в слабощелочной среде протекает более интенсивно и достигает 99 %.
Список литературы
1. Tannery wastewater treatment by cavitation combined with advanced oxidation process (AOP) / S. Korpe, Bethi B., Sonawane S. H., Jayakumar K. V. // Ultrasonics Sonochemistry. - 2019. - № 59. - С. 1-9.
2. Application of advanced oxidation processes and cavitation techniques for treatment of tannery wastewater—A review / Sneha Korpe, P.Venkateswara Rao // Journal of Environmental Chemical Engineering. - 2021. - № 9.
3. Шалбуев Дм.В. Практикум по оценке качества сточных вод кожевенно-меховых предприятий : учебное пособие / Дм.В. Шалбуев. - Улан-Удэ : ВСГТУ, 2006. - 77 с.
4. Исследование изменения рН воды при озонировании / Шабалина А.В., Фахрутдинова Е.Д., Федотова М.И., Белова К.А., Быкова П.В. // Вестник Томского государственного университета. - 2013. -№ 375. - С. 200-203.
5. Стукова О.Ю., Крупина Т.С. / Интенсификация использования и воспроизводства лесов Сибири и Дальнего Востока // Дубильные вещества дуба монгольского : сборник научных докладов Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию образования Дальневосточного научно-исследовательского института лесного хозяйства. 1011 октября 2019 г. - Хабаровск : Дальневосточный научно-исследовательский институт лесного хозяйства, 2019. - С. 179-182.
