CC BY
7
УДК 553.611.6; 66.097
Чечерина А.Ю., Стоянова А.Д., Конькова Т.В.
ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИЙ КРАСИТЕЛЬ И ГЛИНУ ТАГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Чечерина Анастасия Юрьевна, студент 4 курса бакалавриата кафедры ТНВ и ЭП.
Стоянова Алёна Дмитриевна, к.т.н., старший преподаватель кафедры ТНВ и ЭП; milyutina alena rhtu@mail.ru. Конькова Татьяна Владимировна, д.т.н., доцент, профессор кафедры ТНВ и ЭП. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Экспериментально изучен каталитический процесс очистки водного раствора от органического красителя азорубин по реакции Фентона. В качестве катализатора в исследовании использовался образец глины Таганского месторождения (Республика Казахстан) с размерами частиц 0,1-0,5 мм. Показаны результаты процесса электрофлотационного извлечения частиц глины в присутствии катионного поверхностно-активного вещества (10 мг/л), флокулянта катионной природы Superfloc C-496 (10 мг/л) и коагулянта Fe2(SO4)3 (5 мг/л).
Ключевые слова: катализ, электрофлотация, катализатор, монтмориллонита, степень обесцвечивания, степень извлечения, органический краситель, азорубин.
INVESTIGATION OF THE CATALYSIS EFFICIENCY FOR THE PURIFICATION OF AQUEOUS SOLUTIONS OF THE AZORUBIN DYE IN THE PRESENCE OF CLAY FROM THE BELGOROD DEPOSIT
Checherina Anastasia Yurievna, Kon'kova Tatyana Vladimirovna, Stoyanova Alyona Dmitrievna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The catalytic process ofpurification of an aqueous solution from the organic dye azorubin was experimentally studied by the Fenton reaction. A sample of clay from the Tagansky deposit (Republic of Kazakhstan) with a particle size of 0.1-0.5 mm was used as a catalyst. The results of the electroflotation extraction of clay particles in the presence of a cationic surfactant (1 mg/l), a cationic flocculant Superfloc C-496 (1 mg/l) and a coagulant Fe2(SO4)3 (1 g/l) are shown.
Keywords: catalysis, electroflotation, catalyst, montmorillonite, degree of discoloration, degree of extraction, organic dye, azorubin.
Красители имеют широкий спектр применения в бумажной, текстильной, лакокрасочной,
косметической, пищевой и других промышленностях [1]. С каждым годом мировой рынок красителей увеличивается из-за возрастающей потребности использования в различных отраслях, начиная от текстиля и заканчивая лакокрасочными материалами.
Задача обеспечения эффективной очистки воды и ее повторного использования (для орошения, полива полевых культур, технических операций на предприятиях промышленности и некоторых бытовых применений) является несомненно приоритетной задачей. В зависимости от типов загрязнений, сточные воды нуждаются в том или ином методе очистки, часто способы избавления от загрязнителей комбинируются. С целью уменьшения времени и затрат, методы можно между собой комбинировать и проводить одновременно.
Многие исследования показывают, что каталитический процесс Фентона является эффективным и экономичным методом очистки сточных вод от красителей, так как образуются активные гидроксильные радикалы, в результате взаимодействии пероксида водорода с ионами переходных металлов Mn, Условия
проведения процесса очистки должны не только обеспечивать приемлемый уровень очистки стоков, но и быть экономически выгодными [2].
Для более эффективной очистки сточных вод от взвешенных и коллоидных частиц применяется метод электрофлотационного извлечения [3]. Суть данного метода заключается в извлечении частиц за счет их прилипания к пузырькам газа Н2 и О2, образующихся на электродах при пропускании постоянного электрического тока через сточную воду.
Целью настоящей работы является исследование эффективности физико-химических методов (катализ и электрофлотация) для очистки водных растворов, содержащих органический краситель азорубин и глиняный катализатор Таганского месторождения.
Материалы и методика
В работе в качестве катализатора были использованы две фракции образца глины Таганского месторождения (Республика Казахстан) с содержанием монтмориллонита 90-95% с размерами частиц 0,1-0,2 мм и 0,2-0,5 мм. Текстурные характеристики образца глины представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Текстурные характеристики глины
X =
Сдо ^я
Образец V м2/г Ух, см3/г Vмикро, см3/г Dме, нм
Таганская глина 79,2 0,056 0,02 4,1
Каталитическая очистка водных растворов от органического красителя азорубин глиной Таганского месторождения осуществлялась при помощи катализа по реакции Фентона в термостатическом реакторе с мешалкой. В качестве окислителя использовали пероксид водорода.
Для эксперимента использовали объем раствора 300 мл, концентрация красителя составляла 23 мг/л, масса катализатора - 1,5 г, рН = 3. Каждые 15 минут в раствор добавляли пероксид водорода объемом 1,5 мл.
Для стабилизации активного компонента катализатора (железа), глину подвергали термообработке. Для этого проводили прокаливание глины в атмосфере воздуха при 500оС. Время прокаливания составляло 4 ч.
По окончанию процесса катализа раствор фильтровали с помощью фильтровальной бумаги марки «Синяя лента». Определение концентрации красителя азорубина в растворе проводилось на спектрофотометре «ЮНИКО 1201» при длине волны 517 нм.
Эффективность очистки водных растворов от азорубина оценивали по степени обесцвечивания X, %, которую рассчитывали по формуле (1), где Сао/Сл - начальная/конечная концентрация иона металла, мг/л:
, (1).
Очистку водных растворов от частиц катализатора проводили методом электрофлотации в непроточном электрофлотаторе с нерастворимым анодом ОРТА [3].
В процессе исследований в качестве добавок использовали коагулянт Ре2(304)э, катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) Катинол, флокулянт - БирегАое С-496 (полиакриламид).
Эксперимент проводили с использованием водного раствора в присутствии фонового электролита 2,5 мг/л №2304 при комнатной температуре (20±2°С) при рН 7,0. Концентрация Катинола - 10 мг/л, концентрация Superfloc С-496 - 10 мг/л, концентрация Ре2(304)э - 5 мг/л. Объемная плотность тока - 0,2 А/л. Контроль рН осуществляли с помощью индикаторной бумаги.
Эффективность процесса извлечения частиц глины из раствора оценивали по степени извлечения а (%), которую рассчитывали по формуле (2), где сисх/скон - исходная/конечная концентрация частиц глины, мг/л:
а =
С -С
* 100%
, (2)
Результаты и их обсуждение
Были получены экспериментальные данные каталитического процесса очистки водных растворов от органического красителя азорубина в присутствии образца глины Таганского месторождения с различными размерами частиц (таблица 2).
Таблица 2 - Кинетическая зависимость степени обесцвечивания (X, %) водного раствора, содержащего органический краситель азорубин, от размера частиц глины Таганского месторождения
Размер частиц, мм Степень обесцвечивания X, %
0 мин 10 мин 20 мин 30 мин 40 мин 50 мин 60 мин 70 мин 80 мин
0,1-0,2 0 21 39 63 83 90 99 99 99
0,2-0,5 0 21 36 63 65 95 96 96 96
Условия эксперимента: С(азорубина) = 23 мг/л, т (катализатора) = 1,5 г; V (Н2О2) = 1,5 мл каждые 15 минут; рН = 3,0, время катализа 80 минут
Каталитический процесс на образце глины Таганского месторождения проводился в течении 80 минут. Вне зависимости от размера частиц глины, процесс протекает эффективно - степень обесцвечивания 90-95% достигается по истечению 50 минут катализа. Стоит отметить, что увеличение размеров частиц глины до 0,2-0,5 мм приводит к торможению процесса: после 40 минут катализа степень обесцвечивания достигает 65%, тогда как при использовании частиц размером 0,1-0,2 мм увеличивает степень обесцвечивания до 83% за то же время. Это связано с тем, что катализ после 30 минут лимитируется внутренней диффузией в образце глины, тогда как вначале он протекает на внешней поверхности катализатора.
Максимальная степень обесцвечивания 96-99% достигается через 60 минут каталитического процесса для обеих фракций образца глины.
После каталитической очистки водных растворов, содержащих краситель азорубин, проводилась дополнительная очистка этих же растворов, но от частиц глины методом электрофлотации.
Было установлено, что электрофлотация частиц глины в отсутствии добавок проходила не эффективно - степень извлечения достигала 2-4%. В связи с этим, были проведены эксперименты по извлечению частиц глины различных размеров методом электрофлотации в присутствии коагулянта, флокулянта и ПАВ.
На рисунке 1 представлена зависимость степени извлечения а,% от продолжительности электрофлотационного процесса в присутствии
образца глины Таганского месторождения с различными размерами частиц: диаметры частиц одной фракции составляла 0,1-0,2 мм, а второй фракции - 0,2-0,5 мм.
100 80 60 40
0 3 6 9 12 15 18 21 24 2 7 30 Врена.иин
Рисунок 1 - Зависимость степени извлечения частиц глины Таганского месторождения различного размера (1- 0,1-0,2 мм, 2 - 0,2-0,5 мм) из водного раствора в присутствии коагулянта Fe2(SO4)3, флокулянта Superfloc C-496 и катионного ПАВ Катинол от продолжительности
электрофлотационного процесса. Условия эксперимента: pH = 7,5; iv = 0,13 А/л; т =30 минут; C (Na2SO4) = 2,5 мг/л; C (Fe2(SO4)a) = 5 мг/л^ (Superfloc C-496) = 10 мг/л^ (Катинол) = 10 мг/л
Анализируя результаты эксперимента (рисунок 1), можно сделать вывод, что электрофлотационное извлечение частиц глины протекает эффективно. Однако процесс недостаточно интенсивный, в особенности при извлечении частиц размером 0,1-0,2
мм: максимальная степень извлечения 99% достигается после 30 минут процесса. Максимальная степень извлечения 99% частиц глины размерами 0,20,5 мм достигается после 25 минут процесса.
Заключение
Таким образом, была показана возможность каталитического извлечения органического красителя азорубин из водных растворов с использованием катализатора Таганского происхождения (Республика Казахстан) с содержанием монтмориллонита 90-95%. Размеры частиц глины достигали 0,1-0,5 мм.
Установлено, что размер частиц катализатора никак не влияет на эффективность процесса водного раствора азорубина - на обеих фракциях глины (0,10,2, 0,2-0,5 мм) катализ проходил эффективно.
Электрофлотационное извлечение частиц глины показало, что процесс протекает эффективно, но недостаточно интенсивно -степень извлечения достигала 99% за 25-30 минут электрофлотации.
Список литературы
1. Gürses Ahmet, A?ikyildiz Metin, Güne§ Kübra, Gürses M. Sadi. Dyes and Pigments, Classification of Dye and Pigments. // Springer Briefs in Molecular Science. -2016. - Chapter 3. - P. 31-45.
2. Папкова М. В., Алехина М. Б., Конькова Т. В. Высококремнистые цеолиты - носители катализатора процесса Фентона для очистки сточных вод // Успехи в химии и химической технологии. - 2011. - Т. 25, № 8 (124). - С. 53-58.
3. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий [Текст] / Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. и др.: Под ред. Колесников В.А. - М.: Химия, 2007. - 304 с.
