CC BY
27
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 541.18, 548.3
АРТЮШИН ВЯЧЕСЛАВ РУДОЛЬФОВИЧ, аспирант, slava-artjyshin@mail ru
ВОЛОКИТИН ГЕННАДИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, volokitin@sibmail. com
ЛЫСАК ГАЛИНА ВЛАДИЛЕНОВНА, аспирант, lysak@sibmail. com
ЛЫСАК ИЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, lysak_ia@sibmail. com
МАЛИНОВСКАЯ ТАТЬЯНА ДМИТРИЕВНА, докт. хим. наук, профессор, malino@sibmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
ЧАЙКОВСКАЯ ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА, докт. физ.-мат. наук, доцент, tchon@phys. tsu. ru
Томский государственный университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 36
СИСТЕМА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИПРОПИЛЕНОВОГО ТОНКОВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
В настоящей работе впервые предложена универсальная система очистки сточных вод, в которой в качестве фильтровального материала использованы модифицированные и немодифицированные микроволокна полипропилена. При этом разработана технология модификации поверхности полипропиленовых волокон металлооксидными наночастицами и показана эффективность её использования в процессах разложения органических примесей в воде.
Ключевые слова: фотокатализ, полимерные волокна, металлооксидные наночастицы, модифицирование.
ARTYUSHIN, VYACHESLAV RUDOLFOVICH, P.G., slava-artjyshin@mail. ru
© В.Р. Артюшин, Г.Г. Волокитин, Г.В. Лысак, И.А. Лысак, Т.Д. Малиновская, О.Н. Чайковская, 2011
VOLOKITIN, GENNADIY GEORGIEVICH, Doc. of tech. sc., prof.,
volokitin@sibmail. com
LYSAK, GATINA VLADILENOVNA, P.G.,
lysak@sibmail. com
LYSAK, ILJYA ALEXANDROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., lysak_ia@sibmail. com
MALINOVSKAYA, TATIANA DMITRIYEVNA, Doc. of chem. sc., prof., malino@sibmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia,
CHAIKOVSKAYA, OLGA NIKOLAEVNA, Doc. of phys.-math. sc., assoc. prof., tchon@phys. tsu. ru Оmsk State University,
36, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia
SYSTEM OF SEWAGE TREATMENT USING A POLYPROPYLENE MICROFIBER MATERIAL
In the present work, for the first time, the universal system of sewage treatment is offered, in which the modified and unmodified polypropylene microfibers are used as a filtering material. In this case, the technology of modification of polypropylene fiber surface by metal oxide nanoparticles has been developed. The effective utilization of organic contaminants in water has been shown.
Keywords: photocatalysis, polypropylene fibers, metal-oxide nanoparticles, modification.
С увеличением масштабов строительного производства возрастает потребность в системах очистки производственных сточных вод, содержащих взвешенные частицы (цемент, щебень, песок), нефтепродукты (смазочные масла, неотработанное топливо), соли тяжелых металлов, органические вещества (растворители, краски, лаки, жировые вещества). Для всех указанных типов загрязнений разработаны свои системы очистки [1], однако универсальной системы, способной в одной технологической линии эффективно очистить сточную воду от всех видов загрязнений, не известно. На кафедре прикладной механики и материаловедения Томского государственного архитектурностроительного университета разработан фильтровальный материал Ирвелен [2] на основе полипропиленовых микроволокон для очистки воды от механических примесей, нефтепродуктов [3] и солей тяжелых металлов [4]. Для использования его в фильтрах очистки воды от органических соединений необходима модификация полимерных волокон, например, частицами диоксида титана, которые обладают высокой фотокаталитической активностью в процессах разложения органических загрязнений воды при ультрафиолетовом облучении. При реализации этой идеи становится возможным создание универсальной фильтровальной системы на основе Ирвелена, действие которой будет основываться на сочетании различных процессов: механической фильтрации, абсорбции, фотокатализа и антибактериальной активности. Потребность рынка в таких уни-
версальных системах очистки практически неограниченна. В связи с этим настоящая работа посвящена решению двух взаимосвязанных задач: разработке технологии модифицирования полипропиленового волокнистого материала наночастицами для осуществления фильтрационной очистки воды от органических загрязнений и созданию системы очистки сточных вод с использованием фильтров с модифицированными и немодифицированными полипропиленовыми волокнистыми материалами.
Для модификации полипропиленовых волокон предложено использовать наночастицы диоксида олова и диоксида титана, так как, согласно литературным данным [5], совместное использование этих частиц позволяет достичь больших величин квантового выхода разделения зарядов из-за различных значений ширины запрещённой зоны у диоксида олова и диоксида титана. При фотовозбуждении происходит переход электрона от ТЮ2 к 8п02, в то время как дырка остаётся в ТЮ2 (рис. 1), таким образом, время жизни электронов и дырок возрастает и повышается вероятность фотокаталитиче-ского процесса на поверхности наночастиц.
Рис. 1. Схематическое изображение гетерогенных наночастиц различного строения
Закрепление наночастиц на поверхности микроволокнистого полипропилена осуществлялось по золь-гель технологии с использованием СВЧ-излу-чения [6]. Наличие наночастиц на полипропиленовых волокнах устанавливалось методами спектрофотометрии (спектрофлуориметре SOLAR производства Республики Беларусь) и электронной микроскопии (просвечивающий электронный микроскоп JEM 1200, производство JEOL, Япония).
В качестве модельных растворов в экспериментах по фоторазложению на наночастицах органических соединений выбраны 10-3 М водные растворы щавелевой кислоты, так как щавелевая кислота является конечным продуктом окисления озоном различных сложных органических веществ, в частности, фенолов.
В настоящей работе были оптимизированы технологические параметры процесса закрепления полупроводниковых наночастиц оксида олова и титана на поверхности полипропиленовых волокон. Экспериментальные данные,
а
представленные в табл. 1, показали, что оптимальными являются следующие технологические параметры: концентрация хлорида олова - 0,11 г, хлорида титана - 1 мл, время выдержки в растворе - 30 мин, время сверхвысокочастотного воздействия - 3 мин, мощность сверхвысокочастотного воздействия - 1000 Вт.
Таблица 1
Технологические параметры процесса закрепления наночастиц на поверхности полипропиленовых волокон
№ об- разца Концентрация исходных хлоридных солей Время выдержки при СВЧ-воздействии, мин Мощность СВЧ-воздействия, Вт Время СВЧ-воздействия, мин Примечания
1 8пС12 - 0,001 г ТіС12 - 0,1 мл 10 800 1 Наночастицы не закрепляются на волокне
2 8пС12 - 0,001 г ТіС12 - 0,1 мл 30 800 5 Наночастицы не закрепляются на волокне
3 8пС12 - 0,001 г ТіС12 - 0,1 мл 30 1000 5 Наночастицы закрепляются, но их количества недостаточно для разложения органических соединений
4 8пС12 - 0,11 г ТіС12 - 1 мл 10 800 1 Наночастицы не закрепляются на волокне
5 8пС12 - 0,11 г ТіС12 - 1 мл 30 800 5 Наночастицы не закрепляются на волокне
6 8пС12 - 0,11 г ТіС12 - 1 мл 30 1000 5 Волокно деструк-турировалось, стало хрупким
7 8пС12 - 0,11 г ТіС12 - 1 мл 30 1000 3 Наночастицы закрепляются и разлагают при УФ-воздействии органические соединения
8 8пС12 - 0,11 г ТіС12 - 1 мл 40 1000 3 Волокно деструк-турировалось, стало хрупким
9 8пС12 - 0,11 г ТіС12 - 1 мл 30 800 3 Наночастицы не закрепляются на волокне
Окончание табл. 1
№ об- разца Концентрация исходных хлоридных солей Время выдержки при СВЧ-воздействии, мин Мощность СВЧ-воздействия, Вт Время СВЧ-воздействия, мин Примечания
10 8пС12 - 0,3 г ТіС12 - 2 мл 10 800 3 Наночастицы не закрепляются на волокне
11 8пС12 - 0,3 г ТіС12 - 2 мл 30 1000 3 Волокно деструк-турировалось, стало хрупким
С помощью рентгенофазового анализа и методов спектрофотометрии (рис. 2, 3) показано, что в оптимальных режимах закрепления наночастиц и воздействия ультрафиолетового излучения в течение 30 мин (импульсная эксилампа КгС1 с длиной волны А,изл ~ 222 нм) полипропиленовые волокна не деструктурируются, а на закреплённых наночастицах происходит разложение органических соединений.
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектры поглощения воды в присутствии немодифицированного полипропиленового волокна:
1 - без предварительного воздействия на волокно; 2 - после предварительного облучения волокна ультрафиолетовой лампой в течение 30 мин; 3 - после предобработки волокна электронным пучком в течение 120 с; 4 - после предобработки волокна в ультразвуковой мешалке в течение 15 мин; 5 - после сверхвысока-частотного воздействия на волокно в течение 3 мин
Как показывают спектры поглощения воды в присутствии немодифицированного волокна (рис. 2), полипропиленовое волокно довольно устой-
чиво к сверхвысокочастотному, ультрафиолетовому и ультразвуковому воздействиям.
1.25 -1,00
0,75
Ф
г
§- 0.50
О
Е
о
П. 025 0,00 -0,25
200 250 300 350 400 450 500
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектры поглощения 10-3 М щавелевой кислоты в воде после ультрафиолетового облучения:
1 - немодифицированное полипропиленовое волокно; 2 - модифицированное наночастицами полипропиленовое волокно
В табл. 2. приведены основные показатели эффективности удаления из воды щавелевой кислоты.
На рис. 3 показаны результаты исследования фототрансформации щавелевой кислоты в воде, из которых следует, что в присутствии модифицированных наночастицами микроволокон под действием ультрафиолетового излучения происходит эффективная деградация модельного токсиканта по сравнению с водными растворами.
Таблица 2
Основные показатели эффективности удаления щавелевой кислоты
из воды с погруженным в неё микроволокнистым материалом
Вид микроволокнистого материала Эффективность удаления щавелевой кислоты из воды, %
Немодифицированный микроволокнистый материал До 5
Микроволокнистый материал, модифицированный металлооксидными наночастицами (8и02/ТЮ2), до УФ-облучения До 80
Микроволокнистый материал, модифицированный металлооксидными наночастицами (8и02/ТЮ2), после УФ-облучения До 100
Из приведенных выше данных видно, что благодаря использованию модифицированного диоксидами олова и титана полипропиленового материала достигается высокая эффективность разложения щавелевой кислоты под действием ультрафиолетового облучения.
Поэтому стала возможной разработка многофункциональной системы по очистке сточных вод не только от механических примесей, нефтепродуктов, тяжелых металлов, но и от органических загрязнений. На рис. 4 представлена технологическая схема очистки сточных вод, которую предлагается использовать в строительном производстве.
гФ]
|
4 /
5 6
Абсорбционный блок
Сточные воды
3 "0—БГ
Блок механической очистки
1 - решетка;
2 - песколовка;
3 - отстойник-накопитель;
4 - напорный фильтр;
5 - фильтр-отстойник;
6 - картридж с немодифицированным полипропиленовым волокном;
7 - отстойник;
8 - пропеллерная мешалка;
9 - ультрафиолетовые лампы;
10 - картридж с модифицированным полипропиленовым волокном
Рис. 4. Технологическая схема очистки сточных вод в строительном производстве
Согласно этой схеме сточные воды поступают в решетку 1, в которой происходит улавливание крупных отходов производства, которые могут привести к нарушению работы последующих сооружений или их узлов. Далее стоки поступают в песколовку 2, в которой происходит задержание минеральных примесей с размером частиц свыше 0,15-0,25 мм. Пройдя песколовку, вода поступает в отстойник-накопитель 3, в котором происходит накопление промышленных стоков и осаждение грубодисперсных взвешенных веществ. Осадок накапливается на дне резервуара. Сточные воды, осветленные не менее чем на 60 %, самотеком поступают в секцию напорного фильтра 4 (с загрузкой из полипропиленового волокна), где происходит первичное сорбирование нефтепродуктов и тяжелых металлов, попавших в стоки. Далее через патрубок вода поступает в фильтр-отстойник 5, оборудованный сменным картриджем 6 с полипропиленовым волокном. Отстойник предназначен для
абсорбции тяжелых металлов, оставшихся в воде, и улавливания остаточных нефтепродуктов. Удаление нефтепродуктов из фильтра-отстойника производится по мере накопления. После абсорбционной обработки вода самотеком поступает в отстойник 7 с погружаемым в него блоком. Блок состоит из ультрафиолетовых ламп 9 и картриджей 10 с модифицированным полипропиленовым волокном. Также отстойник оснащен пропеллерной мешалкой 8 для перемешивания воды. При помощи ультрафиолета и модифицированного диоксидами олова и титана полипропиленового волокна происходит фотоката-литическое разложение органических веществ, в частности щавелевой кислоты, которая является промежуточным продуктом окисления озоном различных сложных органических веществ. Обработка стоков ультрафиолетовым излучением продолжается в течение 30 мин, после чего очищенная вода поступает в сеть водостока.
Основным достоинством этой системы является то, что способ очистки не требует добавления в воду дорогостоящих реагентов, а в фильтрах не используются дорогостоящие загрузки. Еще одно немаловажное достоинство очистных сооружений с предлагаемой универсальной фильтровальной системой состоит в том, что они занимают небольшую площадь и могут быть размещены практически в любом помещении.
Выводы
Таким образом, в итоге выполненной работы были получены следующие результаты:
- предложена система очистки сточных вод в строительном производстве;
- впервые показана возможность фоторазложения органических загрязнителей на поверхности модифицированных полупроводниковыми металлооксидными наночастицами полимерных волокон и разработана методика проведения этого процесса;
- установлены оптимальные режимы поверхностной модификации полипропиленовых волокон, на которых достигается полное разложение 10-3 М щавелевой кислоты в воде.
Библиографический список
1. Дзюбо, В.В. Водоотведение и очистка сточных вод на промышленных предприятиях / В.В Дзюбо, Л.И. Алферова. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2005. - 263 с.
2. Пат. 2174165. Российская Федерация, МКИ В 29 В 13/02, В29В 17/00. Устройство для получения полимеров ; опубл. 05.07.2005.
3. Сорбенты на основе полимерных волокон и их использование на предприятиях химической, радиохимической и нефтеперерабатывающей промышленности / Г.Г. Волокитин, В.И. Отмахов, Н.И. Кузьменко [и др.] // Ядерный топливный цикл: энергетика, технология, экология, безопасность. - 2006. - Вып. 2. - С. 78-82.
4. О возможном механизме извлечения ионов металлов из водных растворов с помощью волокнистого полипропилена / Е.В. Петрова, Т.И. Изаак, Д.А. Филоненко [и др.] // Коллоидный журнал. - 2007. - Т. 69. - Вып. 6. - С. 829-833.
5. Хайрутдинов, Р.Ф. Химия полупроводниковых наночастиц / Р.Ф. Хайрутдинов // Успехи химии. - 1988. - Вып. 2. - С. 125-139.
6. Синтез и изучение наночастиц на поверхности полимерных микроволокон / Г.Г. Волокитин, Т.Д. Малиновская, И. А. Лысак [и др.] // Нанотехника. - 2009. - № 1. - С. 3-11.
