CC BY
76
УДК 544.653.3
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКУЮ ОЧИСТКУ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ
© 2007 Исаев А.Б, Алиев З.М., Шапиев Б.И.* Дагестанский государственный университет, ^Дагестанская государственная медицинская академия
Изучено влияние давления кислорода на электрохимическую очистку сточных вод, содержащих прямые и кислотные азокрасители. Установлено, что при высоких давлениях кислорода деструкция красителей интенсивнa в результате образования пероксида водорода или промежуточных продуктов восстановления кислорода на катоде и увеличения растворимости кислорода под давлением. Кроме того, осуществление электролиза под давлением кислорода способствует снижению энергетических затрат в результате уменьшения напряжения на электролизере под давлением.
Influence of oxygen pressure on the electrochemical purifying of waste waters, containing direct and acid azodye is studied. It was found that at the high oxygen pressures the dyes oxidation was intensive as a result of formation hydrogen peroxide or intermediate products of oxygen reduction on the cathode and increase of oxygen solubility under the pressure. Besides, at electrolysis under oxygen pressure decreases the energy expenses as a result of voltage reduction on electrolyzer under pressure.
Ключевые слова: азотокрасители, очистка сточных вод, очистка под высоким давлением, очистка от органических красителей, электрохимическая очистка
Keywords: nitrogene dyes, purification of sewage, purification under high pressure, purification from organic dyes, electric chemical purification.
В настоящее время в мире производится более 10000 различных красителей и пигментов, применяемых в текстильной промышленности. Их суммарное производство превышает 700000 тонн в год [7].
Основная часть воды, используемой при производстве текстильных материалов, приходится на красильно-отделочные предприятия. На одну тонну окрашенной продукции может образоваться 50-430 м3 сточных вод [8]. В зависимости от класса красителя, вида окрашиваемого материала и прочих параметров в сточные воды переходит 5 -50% исходного количества красителя [6].
Попадая в водные объекты, красители оказывают негативное воздействие на сообщества водных организмов. Предельно допустимые концентрации красителей в воде относительно низки и составляют от 0,1 до 0,0025 мг/л [2].
Многие красители оказывают на организм токсическое действие: канцерогенное, мутагенное, аллергенное, ганодоток-сическое. Экспериментально установлено, что 82,3% из 4461 красителя ядовиты. Так, из 85 описанных в литературе красителей 25 оказались канцерогенными, 14 -подозрительными в канцерогенном отношении [1].
Красители могут влиять на процессы естественного самоочищения водоемов. При концентрации красителя 1мг/л происходит торможение биохимического потребления кислорода, при концентрации 01-0,01мг/л не оказывается влияния на гидрохимические и микробиологические качества воды [4].
Известно, что в настоящее время большое количество новых химических синтетических препаратов и материалов, включая красители и текстильно-
вспомогательные вещества, используется для производства товаров широкого потребления, при этом разработка и внедрение экологически чистых технологий отстает от темпов роста промышленного производства [5].
Современные красители в основном получают искусственным путем, и в большинстве случаев они являются азосоединениями. При получении красителей значительное внимание уделяется устойчивости получаемых окрасок к химическим, температурным, фотохимическим и биологическим воздействиям. Одновременно это приводит к персистентности красителей в водных объектах окружающей среды. Кроме того, многие растворимые азокрасители не разлагаются биологическим путем и поэтому либо вовсе не задерживаются обычными биологическими системами очистки сточных вод, либо просто сорбируются активным илом. В связи с этим азокрасители, содержащиеся в сточных водах, необходимо удалять перед подачей воды на биологическую очистку для предотвращения возможных негативных воздействий на экосистему активного ила биологических очистных сооружений.
Существующие методы обесцвечивания сточных вод (СВ) можно разделить на сепарационные и деструкционные, причем последние считаются более перспективными, так как не приводят к образованию вторичных загрязненных продуктов [3]. Все известные методы физико-химической очистки СВ, содержащих красители, можно разделить на 3 основные группы.
Первая группа методов обеспечивает извлечение загрязнений переводом их в осадок или флотошлам путем сорбции на хлопьях гидроксидов металлов, образующихся при реагентной обработке стоков. Методы этой группы включают коа-
гуляцию, реагентную напорную флотацию, электрокоагуляцию.
Вторая группа - это сепаративные методы, такие как сорбция на активных углях и макропористых ионитах (обратный осмос, пенная сепарация, электрофлотация).
Третья группа объединяет деструктивные окислительно-восстановительные методы. Эти методы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими - их высокая эффективность и технологичность, компактность, простота автоматизации и управления. При деструктивной очистке органические красители расщепляются до более простых, легкоокисляемых органических продуктов или минеральных соединений. Одним из перспективных способов очистки является использование для этих целей электрохимических методов.
Таким образом, в настоящее время накоплено уже достаточно много сведений
о токсичности сточных вод красильноотделочных производств и способах их обеззараживания с экологической точки зрения. Предпочтение следует отдавать тем, где сочетается физико-химическая очистка с обязательной биологической доочисткой. Только в этом случае происходит наиболее полная нейтрализация высокоопасных синтетических веществ.
В данной работе исследованы вопросы обесцвечивания сточных вод, содержащих красители, электролизом под давлением. Очистку воды проводили в бездиа-фрагменном герметичном электролизере. В результате проведенных испытаний установлено, что степень обесцвечивания растворов при электролизе под давлением существенно возрастает, что связано с восстановлением растворенного кислорода на катодном материале до активных частиц, принимающих участие в окислительном процессе. Показатели очистки сточных вод электролизом приведены в таблице 1.
Таблица 1
Показатели электрохимической очистки стоков, содержащих смесь красителей прямого и кислотного бордо (0,6 А/дм2, 900 С, 0,5 МПа, ХПКисх= 1918 мг-Ог/л)
( • )
0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 2,0
(0,1 ) (0,5 )
1:120 1:100 / 1:50 / /
2,5 4,5 20 5,5 15 20
, • 2/ - - 0,016 154 - - 0,002 50
Из таблицы следует, что окисление сточных вод, содержащих смесь красителей прямого и кислотного бордо, электролизом под давлением протекает более эффективно, чем при атмосферном давлении по всем контролируемым пара-
метрам. Высокая степень очистки достигнута и при электролизе сточных вод, содержащих красители прямой синий и прямой черный С (табл. 2) при осуществлении электролиза при атмосферном давлении.
Таблица 2
Показатели электрохимической очистки стоков, содержащих красители прямой синий и прямой черный С (0,3 А/дм2, 900 С, 0,5 МПа)
Как следует из данных, очищенная вода обладает хорошими органолептическими показателями. Однако аналитические показатели после электролиза показывают незначительное содержание цветности раствора. При осуществлении электролиза под давлением кислорода растворенный кислород восстанавливается на катоде с образованием активных
частиц, участвующих в окислительном процессе. Кроме того, растворенный кислород химически окисляет молекулы красителя до более низкомолекулярных соединений. Исходя из этого, нами были проведены исследования по электролизу модельного раствора красителя прямого черного 2С под давлением чистого кислорода 1,0 МПа.
Таблица 3
Аналитические показатели электрохимической очистки раствора, содержащего краситель прямой черный 2С ('1а =0,3 А/см2; t = 250С; С^асп = 2 г/л)
( 2) = 0,1 ( 2) = 1,0
/
1:250 1:20
0,3 5 >20
9,8 10,8 11,2
, 2/ 986 164 50
, / 100 22 0,05
В таблице 3 представлены аналитические показатели электрохимической очистки раствора, содержащего краситель прямой черный 2С, при атмосферном давлении и при давлении кислорода 1,0 МПа.
Аналитические показатели воды после электролиза под избыточным давлением кислорода 1,0 МПа улучшаются, по сравнению с электролизом при атмосферном давлении (0,1 МПа), что является косвенным подтверждением высказанного нами предположения об участии в окислительном процессе продуктов восстановления кислорода.
Кроме того, в ходе электролиза под давлением наблюдалось падение напряжения на электролизере, связанное с уменьшением диаметра газовых пузырьков в межэлек-тродном пространстве, что понижает газо-наполнение электролита.
В процессе работы электролизера выявилось немаловажное преимущество электролиза под давлением - отсутствие пенообразования, в то время как при обычном электролизе образуется значительное количество пены и возникает проблема ее гашения.
На рисунке 1 представлена зависимость степени очистки раствора от давления кислорода.
1 '—-
2
Давление
Рис. 1. Зависимость степени очистки раствора от красителей электролизом при различных давлениях кислорода: 1 - электролиз при атмосферном давлении; 2 - электролиз при давлении 1,0 МПа. Условия электролиза: анод - платина; 1а =0,3 А/см2; катод - титан; 1к = 0,05 А/см2; t = 250С;
С^ао) = 2 г/л; и = 6,4 В (повышенное давление); и = 7,6 В (атм. давление).
Эффективность электролиза под давлением, по сравнению с электролизом при атмосферном давлении без подачи кислорода в систему, при одних и тех же затратах электроэнергии может быть объяснена высокой растворимостью электролизных газов, а также изменением самой кинетики процесса.
На диаграмме (рис.2) приводятся данные по расходу электроэнергии на очистку модельного раствора, составленного на основании обследования стоков красильно-отделочной фабрики и содержащего 0,1 г/л прямого черного 2С и 2 г/л №С1 в условиях, близких к оптимальным.
ь
ш
Рис. 2. Влияние давления кислорода на расход электроэнергии (вт--ч/т красителя) при электролизе раствора, содержащего 0,1 г/л прямого черного 2С и 2 г/л NaOl: 1 -электролиз при атмосферном давлении; 2 - электролиз при давлении 1,0 МПа. Условия электролиза: анод - платина; 1а =0,3 А/см2; катод - титан; ы = 0,05 А/см2; t = 250С; С^аоо = 2 г/л; и = 6,4 В (повышенное
давление); и = 7,6 В (атм. давление)
Полученные результаты показывают, что проведение электролиза под давлением 1,0 МПа позволяет снизить расход электроэнергии на 0,095 кВт-ч на обезвреживание
1 г красителя по сравнению с электролизом при нормальных условиях.
Таким образом, деструкция красителей при повышенном давлении кислорода протекает более интенсивно в результате образования пероксида водорода или
1 '—-
2
Давление
промежуточных продуктов восстановления кислорода на катоде и увеличения растворимости кислорода под давлением, участвующим в окислении кислорода. Кроме того, осуществление электролиза под давлением кислорода способствует снижению энергетических затрат в результате уменьшения напряжения на электролизере под давлением.
Примечания
1. Грушенко Я.И., Тимофеева С.С. Красители и их вредное действие на организм // Гигиена и санитария. № 8. 1983. - С. 75. 2. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. - СПб.:
Крисмас+, 1998. 3. Тимофеева С.С. Состояние и перспективы развития методов очистки сточных вод
красильно-отделочных производств // Химия и технология воды. Т. 13. № 6. 1991. 4. Тимофеева С.С., Кашина Н.Ф., Шиверновская О.А. Прямые азокрасители и их влияние на процесс самоочищения воды. - Иркутск, 1983. - 109 с. 5. Фелленберг Г. Загрязнение окружающей среды. Введение в экологическую химию. Пер. с нем. - М.: Мир, 1997. - 232 с. 6. Easton J.R. The dye maker's view // Color in dyehouse effect. Society of Dyers and Colourists, Nottingham, 1995. 7. Poon C.S., Huang Q., Fung P.C. Degradation kinetics of
Cuprophenyl Yellow RL by UV/H2O2/ ultrasonication (us) process in aqueos solution// Chemosphere 1999. 38. № 5. - PP. 1005-1014. 8. Yonten Z. Textile industry sectoral study: Country Turkey. Ankara: UNEP, 2002.
