ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.067

Ветрова М.А., Иванцова Н.А., Логинова А.В., Курбатов А.Ю.

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Ветрова Маргарита Александровна - ассистент кафедры ЛогЭкИ, аспирант 2-го года обучения, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», vetrova.m.a@muctr.ru Иванцова Наталья Андреевна - к.х.н., доцент кафедры промышленной экологии, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Логинова Алина Владимировна - бакалавр 2-го обучения, кафедры промышленной экологии, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Курбатов Андрей Юрьевич - к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, руководитель ИЦ «Химтест», ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева» Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

В данной статье рассмотрена возможно проведения процессов фотоокислительной деструкции антибиотиков в присутствии гетерогенного катализатора на основе графитоподобного нитрида углерода. Доказана высокая каталитическая эффективность графитоподобного нитрида углерода в процессах окислительной деструкции нитрофурала. Проведен сравнительный анализ влияния дозировки катализатора на эффективность фотокаталитической деструкции.

Ключевые слова: нитрофурал, фотокатализ, нитрид углерода, гетерогенный катализатор

A PROMISING METHOD OF WASTEWATER TREATMENT OF PHARMACEUTICAL ENTERPRISES

Vetrova M.A., Ivantsova N.A., Loginova A.V., Kurbatov A. Yu. D. Mendeleev university of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

This article discusses the possibility of carrying out the processes ofphotooxidative degradation of antibiotics in the presence of a heterogeneous catalyst based on graphite-like carbon nitride. The high catalytic efficiency of graphitelike carbon nitride in the processes of oxidative degradation of nitrofural has been proven. A comparative analysis of the effect of the catalyst dosage on the efficiency ofphotocatalytic degradation has been carried out. Keywords: nitrofural, photocatalysis, carbon nitride, hererogeous catalyst.

ВВЕДЕНИЕ

С проблемой очистки сточных вод сталкиваются практически все развитые страны мира, и Российская Федерация не стала исключением. Несмотря на то, что ведется постоянный и беспрерывный контроль на 1300 водных объектах, качество воды в подавляющем большинстве рек, водохранилищ и озер не отвечает современным требованиям СанПиН. Антропогенное воздействие на водные ресурсы возрастает с каждым днем, что влечет за собой необходимость разработки все более и более совершенных, а иногда и вовсе инновационных решений для очистки сточных вод.

Современное развитие фармацевтической отрасли внесла свой вклад в загрязнение водоемов. Уже сейчас в сточной воде находят медицинские препараты, такие как антидепрессанты и антибиотики. Практически у всех лекарственных средств есть побочные эффекты, и регулярное воздействие даже очень малых доз может быть опасным для человека. Кроме того, известны случаи привыкания людей к лекарствам, а также, не менее вероятно, приобретение патогенами устойчивости к антибиотикам.

Наличие антибиотиков в сточных водах опасны тем, что они хуже других органических веществ подвергаются окислению биологическими методами

(городские сооружения глубокой биологической очистки) из-за высокого содержания белковых примесей [1,2].

Хлорирование, озонирование, сорбция, мембранная очистка, коагуляция - традиционные методы очистки, которые относительно эффективны, хорошо изучены и до сих пор пользуются популярностью у потребителей.

К сожалению, применение традиционных методов очистки неэффективно для борьбы с микрозагрязнителями, к которым относят:

• Фармацевтические и косметологические продукты (лекарства, синтетические препараты косметологии, гербициды и пестициды);

• Устойчивые антропогенные загрязнители (1,4-диоксан и нитрозодиметиламин);

• Вещества, которые могут вызывать неприятные запахи (геосмин, метлизоборнеол).

Вследствие этого, появились новые, более совершенные методы очистки сточных вод, названных активированными окислительными процессами (АОП). Активированные окислительные процессы - химические процессы разрушения органического вещества под воздействием окислителей и радикалов, которые могут быть созданы под действием таких факторов как: УФ-

излучение, электрическии разряд, рентгеновское излучение и др.

Одна из наиболее развитых «ветвей» АОП - это фотоактивированные окислительные процессы, участие в которых принимает ультрафиолетовое излучение. Для этих методов очистки есть одна особенность, благодаря которой они более совершенны - наработка радикалов атомарного кислорода и гидроксильных радикалов. У этих радикалов окислительный потенциал выше, чем у хлора или озона, поэтому их окислительная способность значительно выше. Для ускорения процесса генерации активных радикалов и последующего окисления применяются различные катализаторы. Свое применение нашли как гомогенные катализаторы (перекись водорода, тиосульфат титана), так и гетерогенные катализаторы (оксид алюминия, оксиды железа, нитрид углерода и др.) [3].

К фотохимическим технологиям относят следующие комбинации УФ-излучения для очистки воды:

- Н2О2/УФ;

- Оз/УФ;

- О3/Н2О2/УФ;

- фотокатализ .

Основными причинами применения методов АОП следующие:

1. Постоянно появляющиеся новые случаи антропогенных загрязнений водоемов;

2. Повышенные требования к качеству очистки воды, в первую очередь по содержанию в ней галогенорганических веществ;

3. Увеличение требований по вредным выбросам в атмосферу [4].

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования окислительной деструкции модельных растворов нитрофурала ^Ш^О^ проводили на лабораторной установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.

Рисунок 1. УФ-установка. 1- насос; 2 - УФ-лампа инсектицидная Sylvania Lynx-S BL368; 3 - кварцевая спираль, 4 - приемник,

Фотореактор состоит из УФ-излучателя, кварцевой спирали и блока питания. В качестве источника УФ излучения в установке использована инсектицидная лампа Sylvania Lynx-S BL368 (диаметр ламп составляет 20,8 мм, длина вместе с цоколем 165 мм; испускает свет с максимумом на длине волны 368 нм, мощность лампы 9 Вт, лампа U-образной формы); подключение лампы к источнику питания одностороннее (цоколь G23), требуемое напряжение в сети 220 В, частота 50 Гц). Облучаемые растворы в установке подавали при помощи перистальтического насоса с различными скоростями. Время контакта с зоной облучения (t, сек) варьировали в диапазоне от 77 до 455 сек. Окисление проводили в динамических условиях.

Исходная концентрацию нитрофурала (Сн) в модельных растворах составляла 10 мг/л. Выполнение измерений массовой концентрации нитрофурала фотометрическим методом основано на взаимодействии его с 2,5 н гидроксидом натрия с образованием окрашенного в ярко-желтый цвет продукта реакции [5].

Для приготовления раствора твердой формы АФС (нитрофурала) таблетку фурацилина (противомикробное средство, активен в отношении граммположительных и граммотрицательных бактерий, в том числе (Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Escherichia coli., Clostridium perfringens, производитель ООО «Авексима Сибирь») тщательно растирали в агатовой ступке и далее взвешивали рассчитанное количества препарата на аналитических весах. Для фотокаталитической деструкции нитрофурала в воде использовали катализатор нитрид углерода (g-C3W4(Si)). Образцы катализатора получали на базе кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Методика фотокаталитических испытаний заключалась в следующем: в 500 мл водного раствора нитрофурала с заданной концентрацией диспергировали от 0,1 до 0,2 г порошка нитрида углерода (mkat) и перемешивали на магнитной мешалке в течение 15 мин. Далее полученную суспензию подавали в кварцевую спираль (рис. 1) и проводили процесс фотокатализа с разной скоростью подачи модельного раствора, и наблюдали за изменением концентрации нитрофурала в растворе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исходная концентрация нитрофурала в растворе составляет 10,83 мг/л. Эффективность фотокаталитического окисления нитрофурала в зависимости от дозы катализатора представлена в таблице 1.

На рисунке 2 представлены кинетические результаты по влиянию фотокаталитической активности наночастиц g-C3N4(Si) в реакциях разложения нитрофурала.

Таблица 1. Эффективность фотодеструкции

без Kat mkat=0,l г/л —■— mkat=0,2 г/л

mkat=0,4 г/л—»-mkat=0,8 г/л

Рисунок 2. Кинетические кривые окисления нитрофурала

Установлено (рис. 2), что, во-первых, кинетические кривые окисления нитрофурала при заданных условиях проведения эксперимента имеют экспоненциальный характер независимо от концентрации катализатора. Во-вторых, определено, что введение катализатора значительно влияет на степень деструкции нитрофурала, однако, поскольку катализатор является гетерогенным, при добавлении в модельный раствор получается устойчивая суспензия, которая трудно поддается фильтрации и как следствие мешает определению концентрации нитрофурала.

ВЫВОДЫ

Установлено, что введение катализатора на основе графитоподобного нитрида углерода значительно ускоряет скорость процесса. Вероятно, деструкция нитрофурала происходит из-за разрушения функциональных групп. Обнаружено, что совместное воздействие ультрафиолетового излучения и катализатора на основе нитрида углерода (метод УФ/kat), позволяет получить более высокие показатели эффективности и степени деструкции нитрофурала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эльхам Э.А., Романова Т.А. Влияние фармацевтических отходов на окружающую среду и проблемы обращения с ними. Международный научно-исследовательский журнал 2021. № 6 (108), С. 15-17

2. Butman M.F., Gushchin A.A., Ovchinnikov N.L., Gusev G.I., Zinenko N.V., Karamysheva S.P., Kramer K.W., 2020. Synergistic Effect of Dielectric Barrier Discharge Plasma and TiO2-Pillared Montmorillonite on the Degradation of Rhodamine B in an Aqueous Solution. Catalysts 2020. Vol. 10 (4), P.359.

3. Emzhina V.V., Kuzin E. N., Babusenko E S., KrutchininaN. E. Photodegradation of tetracycline in presence of H2O2 and metal oxide based catalysts // Journal of Water Process Engineering 2021. V. 39 101696, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101696.

4. Эльхам Э.А., Романова Т.А. Влияние фармацевтических отходов на окружающую среду и проблемы обращения с ними. Международный научно-исследовательский журнал 2021. № 6 (108), С. 15-17

5. Фармокопейная статья ФС 42-2087-83. Нитрофурал, раствора для местного и наружного применения, 1983.

нитрофурала.

Время Эффективность фотодеструкции,%

контакта, 0,8 0,4 0,2 0,1 Без

сек г/л г/л г/л г/л катализатора

77 94 66 65 62 8

252 63 57 56 55 3

455 58 52 28 25 2