CC BY
277
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
В.А. Галафеев
РАЗРУШЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ДЕСТРУКТИВНЫМИ МЕТОДАМИ
Синтетические красители представляют серьёзную опасность загрязнению водоемов, широко применяющихся в разнообразных отраслях народного хозяйства. Глубокие превращения сложных органических молекул под воздействием окислителей с образованием простых соединений обусловлены анализу продуктов разложения красителей.
Все известные в литературе методы физикохимической очистки рассматриваемой категории сточных вод можно разделить на три основные группы [1]. Первая группа методов обеспечивает извлечение загрязнений переводом их в осадок или флотонелам путем сорбции на хлопьях гидроксидов металлов. Вторая группа включает сепаративные методы, такие, как сорбция на активных углях и макропористых ионитах, обратный осмос, ультрафильтрация, пенная сепарация, электрофильтрация. Третья группа объединяет деструктивные методы, основанные на глубоких превращениях органических молекул в результате редокс-процессов. Они обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с методами первой и второй группами методов. Из деструктивных методов наиболее широкое применение находит очистка сточных вод окислителями, реагентной восстановительно-окислительной, электрохимической и электрокаталитической деструкции [2].
В качестве окислителей чаще всего применяют озон, пероксид водорода, хлор и некоторые его соединения.
Данная исследовательская работа заключается в разрушении растворов органических красителей действием ультрафиолетового облучения (ультрафиолетовой лампой Л-84), озоном, а также пероксидом водорода [3]. Получившиеся продукты разложения органичесикх красителей подвергались анализу на спектрофотометре СФ-46, для того, чтобы выявить качественный состав продуктов распада красителей [4].
Для изучения использовались растворы красителей концентрации 0,0003 моль/л.
В молекулах красителей имеются группировки, вызывающие появление окраски, которые называются хромофорами. К ним относятся: ами-
> Р
ногруппа — N , нитрогруппа — ^^, этиленовая группа _с=с—, карбоксильная группа
-СООН и т.д. А также в молекулах красителей имеются группировки, которые усиливают эту окраску красителей: ауксохромы, гидроксильная -ОН, аминогруппа -ЫН2.
Обесцвечивание органических красителей было направлено на разрушение хромофорных группировок. Для этого на красители действовали ультрафиолетовыми лучами, озоном и пероксидом водорода. В зависимости от окислительных способностей этих реагентов потребовалось разное время для обесцвечивания органических красителей.
В таблице 1 представлено время обесцвечивания растворов красителей под действием ультрафиолетового облучения.
При облучении красителей в растворах происходит фотообесцвечивание. Мощные фотоны ультрафиолетовых лучей, поглощаясь молекулами красителей, способствуют довольно быстрому их разложению. Окраска исчезает вследствие присоединения атомов водорода к сопряженной системе красителей, которой обусловлен их цвет. То есть происходит раскрытие двойных связей, в
результате образуются -ЫН-ЫН-, с-| , -ОН.
У кубовых красителей сначала произошло усиление окраски в результате образования гидроксильной группы -ОН, которая обуславливает усиление окраски. При дальнейшем облучении этих растворов ультрафиолетовыми лучами произошло разрушение самой молекулы, т.е. они обесцветились.
В таблице 2 приведено время, которое было затрачено на обесцвечивание растворов красителей при озонировании.
Таблица1
Время обесцвечивания растворов красителей под действием ультрафиолетового облучения
Название красителя Формула красителя Время обесцвечивания, мин.
Кислотный оранжевый (в-нафтолор анж) /"Л —БОзН он •’ 13
Метиловый оранжевый но^—^ ^^ ^ ^СНз)2 28
Тропеомин ,—, но НС^О\^у0н 35
Бриллиантовый зеленый (С2Н5^^^ ^^+(С2Н5)2СГ XXX? 6 40
Малахитовый зеленый (НзС)2^^^ -Г^+(СНз)2СГ О-Х? 6 25
Кубовый ярко-зеленый ^^^^''оснз А^уоснз 65
Кубовый чисто-синий (индантрон) о о о 75
При обработке растворов красителей озоном при полном обесцвечивании происходит лишь частичное окисление их. При озонировании происходит окисление отдельных функциональных групп органических красителей, при этом не происходит разрушение ароматических колец, т.е. процесс обесцвечивания связан с разрывом наиболее слабой связи (например, -Ы=Ы-) в молекуле.
В азокрасителях (кислотный оранжевый, метиловый оранжевый, тропеомин) происходит разрыв связи -Ы=Ы (азогруппы). Но для разрыва кислотного оранжевого и тропеомина потребо-
валось затратить больше озона (т.е. времени для их обесцвечивания), поскольку между одним из атомов азота и водородом из гидроксильной группы имеется водородная связь, которую тоже необходимо разрушить.
В арилметановых красителях (бриллиантовый и малахитовый зеленые) происходит разрыв связей, в результате чего образуются отдельные бензольные кольца.
В кубовых красителях также происходит разрыв молекул с образованием отдельных бензольных колец. Поскольку связи С-Ы и С-С почти
Таблица2
Время обесцвечивания растворов красителей при их озонировании
Название красителя Время обесцвечивания, сек
Кислотный оранжевый 275
(в-нафтолор анж)
Метиловый оранжевый 195
Тропеомин 310
Бриллиантовый зеленый 195
Малахитовый зеленый 135
Кубовый ярко-зеленый 500
Кубовый чисто-синий (индантрон) 530
равноценны, поэтому пришлось затратить больше времени.
При действии пероксида водорода на органические красители происходит моментальное их обесцвечивание. Красители теряют свои специфические свойства. Концентрированный пероксид водорода бурно реагирует с органическими веществами, окисляя их до углекислого газа и воды. В разбавленных растворах этот процесс протекает медленнее, и поэтому применяют катализатор (хлорид железа (III) в нашем случае при 3% пероксиде водорода). При этом окислительным реагентом является не сам пероксид водорода, а кислород.
Н202 - 2е- ^ ОД+2Н+
При действии на органические красители разбавленным раствором пероксида водорода происходит разрыв более слабых связей в молекуле. Его действие аналогично действию озона, только концентрация пероксида водорода выше концентрации озона, поэтому окисление происходит значительно быстрее.
Обработка результатов была получена при анализе обесцвеченных растворов красителей на приборе спектрофотометре СФ-46. Спектральный анализ позволяет идентифицировать вещество, поскольку каждое соединение имеет свой соб-
200.00 220.00 240.00 260.00 280.00 300.00 320.00 340.00 350.00
Длина волны X, нм График 1. Зависимость коэффициента молекулярного поглощения от длины волны продуктов разложения бриллиантового зеленого
^5)2^
-N^2^)2 (С2Н5)^
УФ
сн
N(C2H5)2
ди-(п-диэтиламино)-бензолбензометан
ственный и только ему присущий спектр. При работе на спектрофотометре СФ-46 растворы были проанализированы в близкой ультрафиолетовой области (200-400 нм). В результате исследований обесцвеченных растворов красителей, где находились продукты их разложения, были построены графики зависимости коэффициента молекулярного поглощения от длины волны.
Кривая 1 на графике 1 соответствует разложению бриллиантового зеленого под действием ультрафиолетовых лучей. На ней можно выделить две области полосы поглощения: первая -при длине волны ~205 нм, что позволяет судить о наличии бензола, и вторая полоса расположена в области 245-280 нм, в которую входят полосы аминогруппы и дифенилэтана. Следовательно, можно предположить, что произошло рас-
крытие двойной связи, которая обуславливает наличие окраски.
Кривая 2 графика 1 позволяет определить продукты разложения бриллиантового зеленого при озонировании. На ней есть несколько полос, которые характерны для определенных соединений или групп атомов. При введении в бензольное кольцо полярных групп, содержащие электрон/
ные пары (аминогруппа — N , о наличии которой говорит полоса поглощения на кривой в ~220 нм), происходит смещение полос поглощения бензола. Такое изменение спектра происходит вследствие взаимодействия неподеленных пар гетероатомов с электронами бензольного кольца. Алкильные заместители приводят к незначительному смещению в длинноволновую сторону.
с
Длина волны X, нм
График 2. Зависимость коэффициента молекулярного поглощения от длины волны продуктов разложения бриллиантового зеленого
^М(с2н5)2 М(С2Н5)2 сНз
Оз
2 +
диэтиламинобензол толуол
с
Толуол под действием озона способен дальше окисляться до бензойной кислоты.
При действии пероксида водорода на раствор красителя происходит более полное разрушение. По данным кривая 3 графика 2 можно судить о том, что образуется бензол, о чем говорят две полосы поглощения в —196 нм и ~205 нм, также карбонильная группа (200 нм) и аминогруппа (—215 нм).
Бензальдегид способен окисляться до бензойной кислоты. Также на спектрофотометре были проанализированы обесцвеченные растворы красителей малахитового зеленого, кислотного оранжевого, тропеомина, метилового оранжевого кубового чисто-синего и кубового ярко-зеленого.
Проанализировав все графики видно, что все предположения оказались верны: при действии ультрафиолетовых лучей происходит присоединение активированных атомов водорода к сопряженной системе, при озонировании и действии пероксида водорода происходит разрыв наиболее слабых связей. Однако в некоторых графиках действие озона по продуктам разрушения сход-
но с действием ультрафиолетовых лучей. Возможно это связано с тем, что концентрация озона была невелика, что недостаточно было для полного окисления.
Делая из всего этого вывод можно сказать, что данный спектрофотометрический метод в ультрафиолетовой области дает лишь предположение о получившихся веществах. Для более точного анализа необходимо использовать еще спектрофотометр, работающий в инфракрасной области и метод ядерного резонанса.
Библиографический список
1. Краснобородько И.Г. Деструктивная очистка сточных вод от красителей. - Л.: Химия, 1988.
2. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. - М.: Химия, 1977.
3. Шифрин С.М., Краснобородько И.Г. Способы обесцвечивания сточных вод красильноотделочных производств. - Л.: Химия, 1986.
4. КазицынаЛ.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР-спектроскопии в органической химии. - М.: Высшая школа, 1971.
Научные труды преподавателей, поступившие в библиотеку КГУ им. Н.А. Некрасова
Моисеев Б.М. КОНТУРЫ НОВОЙ ФИЗИКИ. Ч. 2: ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ - ФАКТЫ И РАЗМЫШЛЕНИЯ. - Кострома: КГУ, 2006. - 132 с. ISBN 5-7591-0750-Х.
В монографии на общефизическом уровне проанализирован экспериментальный и логический базис теории относительности и космологической модели Большого Взрыва. Книга ориентирована на научных работников, аспирантов, преподавателей и студентов, на всех, кто интересуется логическими и экспериментальными основами физики.
Акимова Л.К., Лапина Р.П., Митина Т.А. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ШКОЛЬНОМУ КУРСУ ХИМИИ 8 КЛАССА / Рец. А.Р. Наумов. - Кострома: КГУ, 2007. - 55 с.
В данном пособии включен демонстрационный эксперимент по школьному курсу химии 8 класса в соответствии с учебной программой автора О. С. Габриеляна. Рекомендован алгоритм выполнения каждого опыта; указаны меры предосторожности и техники безопасности; реактивы и оборудование; приведены схемы приборов.
