УДК 544.7
Казначеева А.А., Ставропольцева А.С., Меньшова И.И.
Сорбенты на основе нетканых материалов в очистке промышленных стоков
Казначеева Алена Анатольевна - студент 4 курса бакалавриата факультета цифровых технологий и химического инжиниринга.
Ставропольцева Александра Сергеевна - студент 4 курса бакалавриата факультета цифровых технологий и химического инжиниринга; e-mail: asstavr3345@yandex.ru.
Меньшова Ирина Игоревна, к.т.н., доцент кафедры логистики и экономической информатики. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрена очистка сточных вод, содержащих красители, сорбентами на основе нетканых материалов. В ходе проведения экспериментов были определены оптимальные условия проведения процесса адсорбции красителей. Также были определены сорбционная емкость и эффективность очистки воды от красителей исследуемыми неткаными материалами. Показано, что исследуемые нетканые фильтр - пакеты не позволяют полностью извлекать красители из сточных вод.
Ключевые слова: очистка вод, нетканые материалы, сорбент, органические красители, степень извлечения.
Nonwoven-based sorbents in industrial wastewater treatment
Stavropoltseva A.S., Kaznacheeva A.A., Menshova I.I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article examines the purification of wastewater containing dyes using nonwoven-based sorbents. During the experiments, optimal conditions for the dye adsorption process were determined. The adsorption capacity and efficiency of non-woven materials in purifying water from dyes were also determined. It is shown that the investigated nonwoven filter bags do not allow for complete extraction of dyes from wastewater.
Keywords: water purification, non-woven materials, sorbent, organic dyes, extraction efficiency.
Введение
Большинство технологических операций по применению синтетических красителей образуют загрязненные сточные воды, характерной особенностью которых является их интенсивная окраска. Анализируя современное состояние методов очистки сточных вод от красителей, следует отметить их разнообразие, при этом сохраняется актуальность оптимизации существующих и поиск новых методов очистки, а также создание новых высокоэффективных и экономически рациональных технологий обезвреживания сточных вод от красителей [1]. Фильтровальные нетканые материалы, широко применяются в металлургической промышленности, автомобилестроении и ряде других отраслей.
Нетканые фильтр-пакеты, хорошо сорбируют нефтепродукты и взвешенные вещества. Эти материалы изготавливаются без применения тканевого переплетения, что позволяет им обладать рядом преимуществ, таких как высокая прочность, хорошая фильтрационная способность и возможность многократного использования. Согласно работам Kim D., Lim H. [2], использование нетканых материалов на основе активированного угля позволяет удалить более 90% красителей из сточных вод. Были также проведены исследования [3] с применением нетканых материалов на основе гидрогелей, что обеспечило высокую эффективность удаления красителей из стоков.
Экспериментальная часть
Нетканый сорбент представляет собой сорбционно-удерживающую многослойную
структуру, в которой состав и плотность слоев
подобраны таким образом, чтобы обеспечивать высокую скорость проникновения сорбата внутрь сорбента [4, 5, 6, 7]. Объемно-пористая структура способна многократно восстанавливаться до первоначального состояния. [5, 6].
В работе были исследованы нетканые материалы из волокон различной природы в качестве сорбентов в адсорбционном способе очистки. Характеристика исследуемых нетканых фильтр-пакетов представлена в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика нетканых сорбентов
№ Химический состав нетканых фильтр-пакетов Марка
I Полипропиленовое волокно Петролин
II Полипропиленовое волокно ПНСН-Г
III Термообработанное Петролин-Т
полипропиленовое волокно
IV Полипропиленовое волокно ПНСН-С
V Полиамидное волокно СУ 1
VI Полиакрилонитрильное ПИ
волокно
VII Льносодержащее волокно ПНЛС
VIII Термообработанное ПНЛС-Т
льносодержащее волокно
IX Полиэфирное волокно ПЭ
В работе исследовали процесс извлечения красителей: Прямой красный 2С [8], Кислотный синий [8] из модельных растворов. В таблице 2 представлены структурные формулы и молекулярная масса данных красителей.
Таблица 2. Характеристики исследуемых красителей
Название красителя
Молекулярная масса, г/моль
Структурная формула
Кислотный синий
Прямой красный 2С
1060
Полученные предварительные исследования в очистке стоков, содержащих красители Прямой красный 2С и Кислотный синий, показали, что образцы: III, V, VI, VIII не обладают сорбционными свойствами для модельных растворов красителей Прямого красного 2С и Кислотного синего; а образцы: I, II имеют очень низкую сорбционную способность; образцы: IV, VII, IX будут в дальнейшем использованы в качестве сорбентов. Определение оптимальной массы сорбента для эффективной сорбции модельных растворов красителей Кислотного синего и Прямого красного показало, что оптимальная масса составила 1,5 г - 2,0 г. Были построены кинетические кривые сорбции красителей Кислотного синего и Прямого красного 2С. Кинетические кривые представлены на рисунках 1 и 2.
0 0,25 0,5 1 24 48
Время сорбцпи.ч
1 - IV; 2 - VII; 3 - IX. Рис. 1. Кинетические кривые сорбции красителя Прямого красного 2С.
20
Время сорбции, ч
1 - IV; 2 - VII; 3 - IX Рис. 2. Кинетические кривые сорбции красителя Кислотного синего.
Как видно из графиков равновесие в системе сорбат - сорбент для Прямого красного наступает в течение 24 ч, а для красителя Кислотного синего -0,25 ч. Что, вероятнее всего, связано с особенностями строения красителей. Исследование зависимости процесса сорбции от температуры показало, что максимальная сорбционная активность сорбентов IV и IX относительно Прямого красного наблюдается при температуре 20°С, а активность сорбента VII в интервале температур от 20°С до 80°С очень низка и остается неизменной в указанных пределах. Сорбция модельного раствора красителя Кислотного синего сорбентом VII также низка в интервале температур от 20°С до 80°С, сорбционная активность сорбентов: IX и IV достигает максимума в области температур до 80°С. Установлено, что сорбент на основе полиэфирного волокна с модельными растворами красителей проявляет сорбционную активность при температуре свыше 60 о С.
Сорбция красителей Прямого красного 2С и Кислотного синего практически одинакова и не зависит от рН среды. Таким образом, можно сделать вывод о том, что значение рН не оказывает влияние на адсорбцию органических веществ из водных растворов на пористых неполярных сорбентах.
Была определена сорбционная емкость исследуемых нетканых сорбентов. Сорбционную емкость - Г (мг/мг) - рассчитывают по формуле (1).
[9]
Г _ Со1 (1)
М_ Мс ' (1)
Сорбционная емкость нетканых фильтр-пакетов представлена в таблице 3.
Таблица 3. Сорбционная емкость исследуемых нетканых фильтр-пакетов
Фильтр -пакет IV VII IX
краситель Прямой красный 2С
Пх10-4, мг/мг 32.6 14,6 11,6
краситель Кислотный
Пх10-4, мг/мг 15,3 9,6 9,3
Определение адсорбционной емкости сорбентов и эффективности извлечения красителей из модельных растворов показало низкие результаты. Таким образом применение сорбентов на основе нетканых материалов успешно работает при сорбции малорастворимых нефтяных стоках и не работает для очистки растворимых органических соединений, таких как органические красители.
Заключение
Нетканые фильтр-пакеты, хорошо сорбирующие нефтепродукты и взвешенные вещества, позволяют предупредить попадание нефтепродуктов с ливневыми сточными водами в окружающую среду на объектах, производственная деятельность которых связана с применением нефти, масел. Но для растворимых органических стоков нетканые фильтр-пакеты требуют дополнительного изучения о возможности их модификации для повышения сорбционных свойств и улучшения качества очистки воды. Также необходимо проводить более глубокие исследования в области взаимодействия нетканых материалов с различными типами загрязнений, чтобы оптимизировать процесс очистки и повысить эффективность использования нетканых фильтров в будущем.
Список литературы
1.Садова С.Ф., Кривцова Г.Е., Коновалова М.В. Экологические проблемы отделочного производства. М.: РИО МГТУ, 2002. - 284 с.
2.Kim, D., Lim, H., Choi, W., & Kim, J. (2019). A study on the characteristics of non-woven activated carbon fiber for the removal of dye from textile
wastewater. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 79, 343-349.
3. Kumar, A., Kumar, V., & Kumar, R. (2020). Hydrogel-based non-woven fabric for the efficient removal of dye from wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering, 8(1), 103655.
4.Антонова, М.В. Нетканые текстильные материалы: учеб. пособие / И.В. Красина; Казан. нац. исслед. технол. ун-т; М.В. Антонова .— Казань : КНИТУ, 2016 .— 80 с.
5.Котлярова Е.Ф., Горчакова В.М., Курочкина Т.А. Фильтры для очистки нефтепродуктов от загрязнений // Современные технологии текстильной промышленности (Текстиль-97): Тез. докл. Всерос. Научн.-техн. конф. 25-26 ноября 1997г. - М., 1997 -с.69.
6.Котлярова Е.Ф., Волков В.А., Овчинникова С.А., Горчакова В.М. Влияние технологических параметров термообработки на капиллярно-пористую структуру и свойства нетканых фильтровальных материалов // Известия Вузов. Технология текстильной промышленности. - 2000г. - № 5.
7.Аниськова В А Нетканые многослойные фильтровальные материалы. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) 8 (53), 2018, с 4-6.
8. Colorindex 80. Volume I. Synthetic dyes for the textile industry. Publisher "Interchem".
9.Меньшова И.И., Сафонов В.В., Булулукова И.И., Применение шунгитового сорбента в адсорбционном способе очистки сточных вод, содержащих водорастворимые красители// Известия ВУЗов. Технология текст. промышленности: статья. 2013 - с.82.