CC BY
61
Розроблена технологiя очищення стiчних вод ви) оргатчних барвнитв з використан-ням в якостi сорбенту глинистого мтералу сапотту. Дослиджено вплив фiзико-хiмiч-них i технологiчних умов реалiзацii процесу сорбци. Обгрунтовано ращональний режим процесу
Ключовi слова: сапотт, активний яскра-во-червоний 5 СХ, суспензiя, ультразвук, активащя, сорбщя
Разработана технология очистки сточных во) от органических красителей с использованием в качестве сорбента глинистого минерала сапонита. Исследовано влияние физико-химических и технологических условий реализации процесса сорбции. Проведено обоснование рационального режима процесса
Ключевые слова: сапонит, активный ярко-красный 5 СХ, суспензия, ультразвук, активация, сорбция
The developed technology of cleaning of flow water from organic dyes with the use in quality the sorbent of saponite. The effect of physicoc-hemical and technological condition of realization of sorption of dye by saponite were investigated. The rational mode of process was grounded
Key words: saponite, active bright red5 CX, suspension, ultrasonic, activation, sorption
УДК 628.356.64:66.16
ВИКОРИСТАННЯ САПОН1ТУ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ СТ1ЧНИХ ВОД В1Д БАРВНИК1В
М.М. Бабчук
Мапстрант* Контактний тел.: 8-067-887-08-10 E-mail: [email protected]
О. Ф. Ал ексеев
Старший науковий ствроб^ник Кафедра технологи неоргаычних речовин та загальноТ
хiмiчноT технологи* Контактний тел.: 8-067-593-21-01 E-mail: [email protected]
1.М. А с т р е л i н
Завщувач кафедри, декан Кафедра технологи неоргаычних речовин та загальноТ
хiмiчноT технологи* Контактний тел.: 8-050-358-99-64 E-mail: [email protected] *Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, корп. 4, м. КиТв, 03056
1. Вступ
Вода - одне з найб^ьших багатств у житп люди-ни. Упродовж свого шнування людство використовуе воду рiчок, озер i тдземних джерел не пльки для безпосередшх потреб, а й, на жаль, для скидання в них забруднених вод. Так, у природш водш джерела щорiчно у свт скидаеться б^ьше 450 км3 спчних вод, iз яких лише половина тддаеться очищенню. Тому майже третина рiчного рiчкового стоку на земнш кулi е забрудненою i в результатi стае непридатною для ба-гатьох видiв водокористування.
Проблема очищення стiчноi води ввд органiчних барвникiв е одтею з актуальних проблем сучасностi тому, що виробництво барвникiв - одна з самих водоемких галузей: у середньому, на виробництво 1 тони барвниюв витрачаеться 225 тон води. В той же час, вщомо, з 4460 барвниюв, що виробляеться, 82,3 % е токсичними для людей та шших живих органiзмiв [1].
Ввдомо, що адсорбщя - один з найбшьш ефективних способiв видалення з води як неоргашчних так i орга-
шчних забруднювачiв. Широкому ж застосуванню ад-сорбцiйних методiв перешкоджае висока варпсть штуч-них адсорбентiв, якi доа використовуються в процесах очищення забруднених вод, i iх регенерацii. Отже увагу спещалктв все бiльше привертають природнi сорбенти. Практично необмеженi запаси цих матерiалiв, iх дешевизна, доступшсть родовищ, досить високi адсорбцшш i фiльтрувальнi властивостi роблять iх використання для вказаноi мети економiчно доцiльним [2, 3].
Для видалення з води важких металiв, радюактив-них, органiчних забруднювачiв, пестицидiв та шших сполук перспективним сорбентом виглядае сапошт [4]. Для зб^ьшення його сорбцшно'Т емностi сапонiт можна модифжувати (активувати) рiзними способами: обробкою неорганiчними i органiчними речовина-ми, кислотами та основами.
Отже, метою даного дослщження е обгрунтування рацiонального процесу застосування природного та модифжованого (активованого) сапонiту для очищення водних систем ввд барвника активного яскраво-чер-воного 5СХ.
2. Матерiали i методи
Адсорбент (сапошт)
Основнi поклади сапонiту знаходяться в Укра!ш в Хмельницькiй областi - бшя сiл Ташки та Варварiвка, загальною потужнiстю 40 млн. тон.
За кристалохiмiчною структурою сапонiт вщно-ситься до групи шаруватих алюмосилжаив i е триок-таедричним Mg-монтморилонiтом. Кристалiзуеться в моноклiннiй системi.
Рентгенофазовим аналiзом нами охарактеризовано мiнералогiчний склад сапоштово! породи вказаних ре-човин. Основними складовими е: кварц, анатаз, кальцит, геметит i глинистий мшерал - сапошт з рядом базаль-них рефлекав 001 (14,87 А), 002 (7,32 А), 003 (4,83 А), 004 (3,63 А), 005 (2,92 А). В дослвджуваних зразках сапошту було визначено !х елементний склад (%мас.): О 46,82...59,05; Mg 5,88...7,12; А1 6,58.7,86; Si 18,51...22,28; К 0,25.0,92; Са 0,76.2,19; Т 0,37.0,55; Fe 6,71.17,02. Питому поверхню природного i кислотно активованого сапошту визначали методом адсорбцп азоту i метанолу на вакуумнiй установщ з кварцевими пружинними вагами Мак-Бена-Бакра. Питома поверхня зразкiв, що визначена за адсорбщею метанолу, в залежност вiд концентрацп НС1, що використовувалася для активацп, по мiрi руйнування структури породи зменшувалася з 314 м2/г для природного сапошту (фракщя 1,25 < d < 1,8 мм) до 240 м2/г при активацп 25 %-ою соляною кислотою. В то й же час, питома поверхня, вшшряна за адсорбщею азоту, збшьшувалась при цьому в 3 рази: зi значення 79 м2/г для природного сапошту до 237 м2/г для зразка активовано! глини. Ввдмшшсть в значеннях адсорбцп при сорбцп парiв рiзних сорбатiв пояснюеться тим, що молекули метанолу сорбуються лише на активних центрах, а молекули азоту сорбуються у порах мiжпакетного простору сорбенту.
Адсорбат (кислотний барвник)
У якостi об'екту дослщження було обрано прямий азобарвник - динатрiева сiль 7-фешлазо-1(4,6-дихлор-1,3,5-триазишл-2-амшо-8-нафтол)-3,6-дисульфокис-лоти (активний яскраво-червоний 5 СХ), який широко використовуеться в текстильнш промисловость ГДК його у водi складае 0,015 мг/дм3 [5].
Рис. 1. Хiмiчна структура барвника активного яскраво-червного 5 СХ
Водний розчин цього барвника готували розчинен-ням наважки (1,00 г) в 1 дм3 води. Нижчi концентрацп барвника готувалися методом послщовного розведення. Ввдомо, що органiчнi барвники у водних розчинах знаходяться у виглядi димерiв i асоцiатiв у залежносп вiд !х
концентрацп. Так, активний яскраво-червоний 5СХ при концентрацп С < 800 ммоль/дм3 (0,28 г/дм3) - димер, а при концентрацп С > 900 ммоль/дм3 (0,32 г/дм3) - утво-рюе мщели. Розмiр мiцел в основнiй частиш перевищуе розмiр велико! частини мжро- i перехiдних пор, що ство-рюють сорбцiйний об'ем мiнералу [6].
3. Методика дослщжень
Дослiдження процесу сорбцп барвника проводили в статичних умовах. Попередньо готували модельний розчин полютанта з концентращею 25 мг/дм3. Для зб^ь-шення сорбцiйних властивостей сорбенту, зменшення його дози i часу приготування, обробку забруднено! води проводили щойноприготовленою суспензiею сапо-нiту в 0,1 М розчиш солянокислого залiза (5 г сапонiту i 50 см3 FeClз), що активувалася ультразвуком з частотою звукових коливань 22 кГц, при тривалосп активацп 3 хв. Розчин солянокислого залiза використовували як електролгг для адсорбцшно! пептизацп. В розчинi FeCl3 iоном-пептизатором е юн Fe3+, який може адсорбува-тися на частинках глини, добудовуючи !х кристалiчну решiтку i утворюючи шар потенщал-утворюючих iонiв. Результатом пептизацп е ввдокремлення частинок сапошту i розподiл !х в об'ем^ в результатi створення елек-тростатичних сил ввдштовхування мiж частинками.
Для дослвдження сорбцi'i барвника - активного яскраво-червоного 5 СХ з модельного розчину спчно! води використовувались зразки природно! глини i гли-ни, активовано! соляною кислотою.
При активацп кислотою, в першу чергу, вщбуваеть-ся деструкщя часток глин, внаслщок чого змiнюеться !х пористость. По-друге, результати хiмiчного аналiзу показали, що при активацп ввдбуваеться розчинення значно! частини оксидiв Fe зi складу сапонiту i, як на-слiдок, вiдбуваеться !х йонний обмш на iони Н+. Цей факт пояснюе те, що сорбщя барвника на активованш глинi вiдбуваеться штенсившше, нiж на природнiй, оскiльки азобарвник краще зв'язуеться глиною в Н+-формi. В результатi сорбцi'i мiж молекулою барвника i частинкою глини утворюються координацшш зв'язки R-SO32- - Н+(Ме+).
Концентрацiю барвника визначали спектрофо-тометричним методом з використанням фотометру КФК-3 при довжинi хвилi 540 нм. рН вимiрювали на приладi Portlab-102. Обробку ультразвуком проводили за допомогою низько-частотного ультразвукового дизентегратору УЗДН-2Т.
Ефектившсть очищення стiчних вод вiд барвниюв визначали за наступними технологiчними параметрами: значення рН реакцшного розчину, доза суспензп сапонiту, концентрацiя барвника у вод^ тривалiсть ультразвуково! обробки i спiввiдношення Т:Р в суспензп «сапошт - забруднена вода».
4. Результати експерименив
Експериментальш результати вказують на слабку залежшсть сорбцп барвника ввд початкового значення рН розчину яскраво-червоного 5СХ. Для дослвдження залежносп ступеня очищення води ввд рН приготували 8 модельних розчишв по 100 см3 з концентращею барв-
ника 25 мг/дм3 i вiдповiдним значенням рН. Значення рН доводили 0,1 М розчинами НС1 i №ОН. До отриманих розчинiв додали по 5 см3 свiжоприготовленоi суспензii глини i 0,1 М розчину FeCl3 (5 г глини i 50 см3 FeCl3), яку пiддавали дп ультразвуку з частотою коливань 22 кГц. Далi сумiш струшували протягом 5 хв i вiдстоювали 3 год. Залишковий вмiст барвника визначали на фотоме-трi. Отриманi результати представлеш на рис. 2.
Рис. 2. Залежжсть ступеня видалення барвника вщ рН розчину
Як видно з рис. 2, ефектившсть сорбцп барвника з розчину, як природною так i активованою глиною, дещо збiльшуeться з пiдвищенням рН розчину. Вщомо, що солi залiза краще проявляють коагулюючу дiю при тдвищеному рН 7 - 11, а отже, вiдбуваeться пришвид-шене освдання часточок глини iз сорбованими на них молекулами барвника. Активний яскраво-червоний 5СХ, як i iншi барвники, закршлюеться в процесi взаeмодii з барвником функщональних груп (Н+) з утворенням ковалентного зв'язку. Процес взаемодп атома водню та залишку барвника вщбуваеться саме в лужному середовишд.
Подальшi дослiдження процесiв сорбцii барвника з модельних розчишв в залежност вiд iнших факторiв впливу проводили при рН 7.
Для визначення оптимальноi дози суспензii до 100 см3 розчину барвника з концентращею 25 мг/дм3 приливали вщ 0,5 до 7 см3 суспензп сапошту i солянокислого залiза (5 г глини i 50 см3 FeCl3), яку пiддавали дп ультразвуку з частотою коливань 22 кГц. Далi сумiш струшували протягом 5 хв i вiдстоювали 3 год. Залишковий вмкт барвника визначали на фотометрь
Залежнiсть ступеня очищення вщ дози суспензii глини i FeCl3 представлено на рис. 3.
Виявлено що, i3 збГльшенням дози суспензп сту-niHb видалення барвника зростае i сягае максимального значення при , що можна пояснити збГльшенням активно! поверхш сорбцп. Однак, при збiльшеннi дози суспензп вище 5 см3 ввдбуваеться дещо пониження ефективностi знебарвлення, що може свщчать про пiдвищення конкуренцГ! мiж iонами феруму (III) i молекулами барвника за активнi центри сорбцп, тому оптимальною дозою суспензп в даному випадку об-рано 5 см3.
Для визначення залежностГ ефективност сорбцп ввд тривалостГ ультразвуково! обробки (УЗО) i далi дiяли за встановленими процедурою i параметрами сорбцiйного очищення води, суспензж сапонiту i FeCl3 тддавали дп ультразвукових коливань рiзноi трива-лостi ввд 1 до 20 хв. Як видно з рис. 4, при збГльшеш ступеня дисперсностГ (як наслщок тривалостi УЗО) тдвищуеться ефективнiсть очищення води вщ барв-ниюв. Визначено, що оптимальною е вже 5-хвилинна тривалiсть дГ! ультразвукових коливань.
Для дослвдження залежност ступеня очищення ввд ввдношення об'ему 0,1 М розчину FeCl3 до 1 г глини в суспензп до 100 см3 розчину барвника з концентращею 25 мг/дм3 додавали по 5 см3 свГжоприготовлено! суспензп з рГзним стввщношенням в нш Т:Р. Отримаш результати представлен на рис. 5.
Рис. 4. Залежжсть ступеня очищення води вщ барвника вщ тривалосп дм ультразвукових коливань на суспензп адсорбата
100
(Л 1 80 и ш 60 1 40 а
Г"
g я 20 ■ - природна глина ♦ - активована глина
------------1..........L ...........1
0 10 ж 1:'30 эб""гм FeClj / 1 г глини
Рис. 3. Залежжсть ступеня очищення вщ дози суспензи
Рис. 5 Залежнiсть ступеня очищення вщ спiввiдношення Т: Р в суспензи глини i 0,1 М розчину FeCl3
Для збГльшення сорбцп барвника з розчину необ-хщно використовувати суспензГю, де стввщношення глини i 0,1 М розчину FeCl3 буде 1:10, осюльки подальше збГльшення витрат розчину FeCl3 е не дощльним з еко-
номiчноi точки зору. Та й поминого зростання вщсотку видалення барвника в подальшому не спостерiгаeться.
Ефективнiсть видалення барвника iз розчину залежить також вщ концентрацii самого барвника - активного яскраво-червоного. Щоб дослiдити цю залежнiсть, проводили дослiдження при збереженш визначених вище, як рацiональних, параметрiв проце-су. Результати експериментiв представлено на рис. 6.
Рис. 6. Залежнють ступеня очищення води вщ вихщноТ концентрацп барвника
Проаналiзувавши отримаш результати, можна зро-бити висновок, що ефективнiсть сорбцii пiдвищуeться з тдвищенням концентрацii полютаната, оскiльки збшьшуеться ймовiрностi зустрiчi молекул барвника з активними центрами сорбцп. При тдвищенш кон-центрацii барвника бiльше 100 мг/дм3 вiдбуваеться зниження ступеня очищення, осюльки вступае в дiю просторова перепона. З мiркувань реального забруд-нення стiчних вод виробничих тдприемств за робочу концентрацiю барвника в водi в подальших дослiдах обрано 100 мг/дм3.
Швидюсть процесу сорбцп барвника iз модельного розчину дослщили з використанням ранiше визначених ращональних значень рН, дози суспензп сапо-нiт-FeCl3, концентрацii барвника у вод^ тривалостi ультразвуковоi обробки i спiввiдношення Т:Р в суспен-
зп, що мiстить барвник i вихщну суспензiю сапонiту (природного i активованого) з FeCl3. Для визначення впливу часу на ефектившсть вилучення активного барвника з розчину було реалiзовано в межах ввд 1 до 48 годин (рис. 7).
Результати експерименпв показали, що сорбщя барвника з розчину краще вiдбуваеться на сапонт, активованому соляною кислотою.
Рис. 7. Залежнiсть ступеня очищення вщ тривалостi процесу сорбцп.
5. Висновки
Встановлена принципова можлившть вилучення оргашчних барвникiв (на прикладi активного яскра-во-червоного 5СХ) i3 забруднених промислових стокiв природним та активованим сапоштом.
Спосiб очищення дозволяе значно знизити дозу си-ровинно1 сумiшi, скоротити тривалiсть i трудоемшсть 11 приготування, досягти високого ступеня знебарв-лення.
Результати дослвджень показали, що для видалення з водних розчишв оргашчних барвниюв, доцiльно проводити попередню кислотну активацiю глинистого мшералу.
Лiтература
1. Грушко Я.М., Тимофеева С.С. Красители и их вредное воздействие на организм // Гигиена и санитария. -1983. - №8. - С. 75-84.
2. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процесах очищення воды. - К.: Наукова думка, 1981. - 208с.
3. Gupta V.K., Suhas Application of low cost adsorbents for dye rremoval - A review// J.Environ.Manage. - 2009. - V.90. - № 8. - РР. 2313-2342.
4. Марцин I.I., Манк М.1., Лебовка М.В., Вигорницький М.В. Структурно-сорбцшш характеристики украшського сапошту // Укр.хим.журн. - 2001. - Т.67, № 2. - С.98-101.
5. Гигиенические требования к охране поверхностных вод: СанПиН 2.1.5.980-00. - [чинний вщ 2001-01-01]. - М.: Мшздрав России, 1990.
6. Клименко Н.А., Лукашку Ф.Г., Когановский А.М. Исследование адсорбции водорастворимых красителей на непористых и пористых углеродных сорбентах // Коллоидный журнал. - 1980. - №1. - С. 135-139.
