CC BY
4УДК 504.6 МамедоваР.И., ЧантаеваА.С.
Мамедова Р.И.
кандидат химических наук, доцент, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
Чантаева А.С.
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
ВЛИЯНИЕ ХРОМА (VI) НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ: ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Аннотация: статья рассматривает растущее влияние тяжелых металлов, в частности шестивалентного хрома (Cr(VI)), на загрязнение окружающей среды и здоровье живых организмов. Cr(VI) обладает высокой токсичностью и канцерогенными свойствами, что делает его одним из основных загрязнителей водных ресурсов. Обсуждаются источники его появления, включая промышленные сточные воды и сельскохозяйственные процессы. Основное внимание уделяется различным методам очистки сточных вод от Cr(VI), таким как ионный обмен, адсорбция, электрохимическая обработка и химическое осаждение, с анализом их эффективности и недостатков.
Ключевые слова: сточные воды, ионный обмен, адсорбция, химическое осаждение.
Введение.
Влияние тяжелых металлов на загрязнение окружающей среды и здоровье живых существ растет с каждым днем и становится серьезной проблемой во всем мире. Тяжелые металлы имеют высокую плотность и токсичность на уровне ppb. Хром (Cr), один из тяжелых металлов, является переходным металлом,
встречающимся в воде в валентностях от +6 до +2. Наиболее стабильными формами являются шестивалентная Сг(У1) и трехвалентная Cr(Ш), которые являются взаимозаменяемыми. Сг(Ш) обычно встречается в неорганической форме (С1-, N03- и т.д.) или в комплексах с органическими лигандами (RCOOH и т. д.), в то время как Сг(У1) существует в виде сильных окислителей (СгОЗ, Сг042- и Сг207 2-). Сг(Ш) обычно поглощается почвой и осаждается в почве, что предотвращает его подвижность и накопление в окружающей среде. Сг(111) имеет низкую растворимость в воде, в то время как Сг(У1) является канцерогеном с высокой растворимостью в воде и сильным окислением и должен быть удален из сточных вод. Поэтому Сг(У1) очень динамичен в наземной и водной среде и может находиться в естественной среде в течение длительного времени. Вредное воздействие ионов Сг(У1) на кожу, глаза, почки, легкие, желудочно-кишечную и центральную нервную системы наблюдалось у живых организмов, включая рак и другие заболевания. Сг(У1) используется в производстве катализаторов, пигментов и красителей, фотографии, кожевенной, керамической и стекольной промышленности, а также в борьбе с коррозией. Хром присутствует в воде в результате городских сточных вод, промышленного осушения, сельскохозяйственных работ, горнодобывающих процессов, нефтехимических материалов и производства аккумуляторов. Из-за своей высокой токсичности он входит в двадцатку основных загрязнителей в списках опасных химических веществ. По этим причинам важно удалять загрязнение Сг(У1) из сточных вод [1].
Процентный вклад отраслей промышленности ЕС в выбросы хрома в воду
_1_
Э&Ш9
((д Энергетический сектор
и.5 □ Производство и обработка
металлов
■ Горнодобывающая промышленность
■ Химическая промышленность
■ Управление отходами и сточными водами
Переработка бумаги и древесины
83.9
Рис. 1. Секторы, вносящие вклад в потоки хрома в воду в 2017 году [4].
Экспериментальная часть.
Технологии очистки от хрома VI.
Разнообразные технологии очистки доступны с разной степенью успеха для контроля и минимизации загрязнения воды [2].
Как подробно описано выше, выброс шестивалентного хрома в окружающую среду может привести к повреждению экосистемы и неблагоприятно повлиять на здоровье человека. Поэтому необходимо ограничить концентрацию Cr(VI) в сточных водах промышленных предприятий до уровня ниже предписанного. Сточные воды, содержащие шестивалентный хром, необходимо очищать перед сбросом. Могут использоваться различные методы: классические методы, такие как физические, химические или термические методы, могут применяться в качестве обработки отходов. наиболее эффективными классическими методами являются ионный обмен, адсорбция, электрохимическая обработка и химическое осаждение. Эти классические методы кратко представлены ниже.
Ионный обмен.
Ионообменные процессы широко используются для удаления тяжелых металлов из сточных вод из-за их многих преимуществ, таких как высокая
способность удаления, высокая эффективность устранения и быстрая кинетика. Ионный обмен - это физический процесс разделения, в котором обмениваемые ионы не изменяются химически. Синтетические смолы обычно используются в качестве ионообменников, поскольку их легко использовать повторно. Смолы можно разделить на катионы или анионы на основе зарядов обмениваемых ионов. Когда раствор, загрязненный металлами, протекает через ионообменники (смолы), положительно заряженные катионы металлов, возможно токсичные, которые влияют на чистоту воды, такие как ионы хрома, обмениваются с положительно заряженными ионами смол, такими как ионы водорода и натрия в эквивалентных количествах в растворе. Тот же процесс происходит с отрицательно заряженными нежелательными анионами, присутствующими в растворе сточных вод, такими как гидроксильные и хлоридные ионы, которые заменяются сульфатными, нитратными и хроматными ионами, выделяемыми смолами. В литературе встречаются работы, где изучено удаление ионов шестивалентного хрома из водных растворов с помощью анионообменной смолы. Было замечено, что процесс сорбции был быстрым в течение первых 20 минут, и максимальная эффективность адсорбции ^У!) составила 99% для начальной концентрации &(¥!) 100 мг/л. Используя тот же метод, также показали 99% снижение &(¥!) в растворе с кожевенных заводов. Хотя этот метод показывает высокий эффект на удаление ^УТ), он имеет определенные ограничения, такие как высокая стоимость оборудования и химикатов, время и трудоемкость образцов [4].
Адсорбция.
Для сравнения, процесс адсорбции считается лучшей альтернативой в очистке воды и сточных вод из-за удобства, простоты эксплуатации и простоты конструкции [3].
Адсорбция — это метод, при котором молекулы концентрируются на поверхности адсорбента. Виды/материалы в газообразной или жидкой форме (адсорбент) прикрепляются к твердой или жидкой поверхности (адсорбенту) и образуют адсорбат. Активированный уголь является наиболее популярным
адсорбентом из-за его большой площади поверхности, хорошо развитой внутренней микропористой структуры и наличия широкого спектра поверхностных функциональных групп, таких как карбоксильная группа. Как следствие, скорость удаления составляет более 99% для обработки определенных ионов металлов. Адсорбенты, такие как активированный уголь, углеродные нанотрубки, оксиды металлов и многие сельскохозяйственные и биоадсорбенты, были протестированы и доказали свою эффективность в удалении Сг(УГ) из сточных вод. Наиболее изученным в адсорбции Сг(УГ) является активированный уголь. Например, 100%-ное восстановление Сг(УГ) было получено при pH 1,0 с использованием различных типов активированных углей, приготовленных из различного сырья. Эти работы также показали, что процесс адсорбции зависит от предварительной обработки активированного угля и что наивысшая эффективность удаления была получена с активированным углем, приготовленным путем физической активации. Таблица 1 суммировала некоторые из сообщенных адсорбционных возможностей для активированных углей различных размеров и форм.
Таблица1. Эффективность снижения Сг(УГ) для различных активированных углей в зависимости от размера и формы.
Активированный уголь Начальная концентрация Сг(УГ) мг/л Коэффициент снижения (%) Продолжительность процесса (часы) pH
PAC 7500 100% 300 ч 2.0
GAC 53.19 99% 5 ч 2.0
ACF 53 100% 3 ч 4
PAC=порошкообразный активированный уголь, GAC=гранулированный активированный уголь, ACF=активированные углеродные волокна.
Однако многие исследователи все еще работают над улучшением стоимости использования активированного угля для удаления Сг(УГ). Поскольку
промышленные источники углерода истощаются, а материалы активированного угля не подлежат повторному использованию, стоимость углеродных адсорбентов растет с каждым днем.
Электрохимическая обработка.
Методы электрохимической обработки становятся альтернативным методом очистки сточных вод, поскольку они представляют собой более экономически эффективные методы. Cr(VI) можно полностью удалить с помощью различных электрохимических методов, таких как электрокоагуляция, электрохимическое осаждение и мембранный электролиз. Среди зарегистрированных электрохимических обработок Cr(VI) в растворе можно восстановить двумя путями: путем прямого восстановления, которое включает обмен электронами непосредственно с поверхностью электрода, и косвенного восстановления, которое происходит через образование и потребление некоторых сильных восстановительных видов.
Электрокоагуляция (EC) включает создание ионов металла in situ путем растворения ионов электрическим путем с поверхности электрода. Производство ионов металла происходит на аноде, а газообразный водород поступает с катода. Пары водорода могут помочь всплыть флокулированным частицам из воды. Было предложено сначала восстановить Cr(VI) до Cr(III) на катоде, прежде чем осаждаться в виде гидроксида. Несколько исследователей сообщили об эффекте электрокоагуляции для устранения Cr(VI) с использованием стального электрода. Было обнаружено, что процесс электрокоагуляции для восстановления Cr(VI) требует следующих этапов:
Первый этап - образование Fe2+ путем окисления стального электрода источником постоянного тока:
Fe0 + 2H2O ^ Fe2+ + 2H2 + O2 + 2e- (1)
Второй этап - реакция между Fe2+ и хромом (VI), описанная в Реакции 2 в среде с низким pH (0,5 < pH < 6,5) и Реакции 3 в среде с высоким pH (pH > 6,5): 6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ ^ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O (2) 3Fe2+ + CrO42- + 4H2O ^ 3Fe3+ + 2Cr3+ + 8OH- (3)
Концентрация Сг(У1) снижается более чем на 50% через 40 минут при рН = 6 при использовании электрокоагуляции с многослойным пластинчатым электродом с начальной концентрацией Сг(УГ) 106 мг/л.
Мембранный электролиз — это химический процесс, управляемый электролитическим потенциалом. Электрический потенциал прикладывается к ионообменной мембране, а затем на электродах происходит реакция восстановления-окисления. Используя углеродные аэрогелевые электроды, исследовали удаление Сг(УГ) из промышленных сточных вод в электрохимической ванне. Было обнаружено, что концентрация Сг(УГ) из сточных вод может быть снижена на 98,5% при высоком заряде (0,8 Ач) в кислых условиях (рН = 2), при начальной концентрации Сг(У) 2 мг/л.
Некоторые исследователи использовали электрохимическое осаждение (ЭХО), которое является результатом сопряжения электрохимического процесса с процессом осаждения, для удаления Сг(УГ) из сточных вод гальванического производства. Например, провели процесс электрохимического осаждения с двумя стальными пластинами в качестве электродов. Результат показал, что 85 % Сг(У1) было удалено через 10 минут при начальной концентрации Сг(УГ) 100 мг/л при рН=4,5.
Химическое осаждение.
Процесс выполняется с использованием химических реакций с ионами тяжелых металлов, таких как хром, медь, никель, цинк, присутствующих в сточных водах, для образования нерастворимых осадков вовлеченных тяжелых металлов, таких как гидроксид, карбонат, сульфид и фосфат, в зависимости от химикатов, используемых для осаждения. Образованные осадки затем удаляются в виде шлама с помощью многоэтапных процессов, таких как коагуляция, флокуляция, седиментация и фильтрация. Химическое осаждение чаще всего используется для удаления Сг(УГ) в очистных сооружениях для крупномасштабных установок без необходимости специальных навыков.
Метод химического осаждения был использован для удаления хрома из сточных вод кожевенных заводов в Эфиопии. Результаты показали, что
эффективность удаления Cr(VI) с использованием различных осаждающих агентов (NaOH, Ca(OH)2 и MgO) составляет более 99%, и она не зависит от изменения pH среды с очень высокой начальной концентрацией Cr(VI) 5010 мг/л. Несмотря на то, что процесс довольно прост, эффективен и может быть недорогим по сравнению с другими технологиями удаления, основным недостатком процесса является производство большого количества концентрированного и токсичного шлама [4]. Заключение.
Несмотря на то, что эти методы являются многообещающими, однако недостатками большинства этих методов являются высокие эксплуатационные расходы, образование токсичного шлама и сложная процедура очистки [3]. Все еще существуют проблемы с масштабированием этих технологий для промышленного применения, что требует дальнейших исследований для эффективной оптимизации и интеграции этих решений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Civan Çavuçoglu, Gulsum Ozçelik, §ahika Sena Bayazit , Removal of toxic Cr(VI) from aqueous medium with effective magnetic carbon-based nanocomposites, Turkish Journal of Chemistry, 2023, 47(6): 30.09.2023, pp 1479-1496. doi: 10.55730/1300-0527.3629;
2. George Tchobanoglous, Franklin L. Burton, H.David Stensel, Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering Treatment and Reuse (Fourth Edition), 2003, pp. 1846;
3. Sabino De Gisi, Giusy Lofrano, Mariangela Grassi, Michele Notarnicola, Characteristics and adsorption capacities of low-cost sorbents for wastewater treatment: A review, Sustainable Materials and Technologies, Volume 9, September 2016, pp 10-40;
4. Truong Son Nguyen. Detection and elimination of Chromium(VI) Application to the removal of industrial liquid effluents. Université Paris-Nord - Paris XIII, 2022, pp 263
Mammadova R.I., Chantayeva A.S.
Mammadova R.I.
Azerbaijan State University of Petroleum and Industry (Baku, Azerbaijan)
Chantayeva A.S.
Azerbaijan State University of Petroleum and Industry (Baku, Azerbaijan)
EFFECTS OF CHROMIUM (VI) ON ENVIRONMENT AND HEALTH: WASTEWATER TREATMENT TECHNOLOGIES
Abstract: article examines the growing influence of heavy metals, in particular hexavalent chromium (Cr(VI)), on environmental pollution and the health of living organisms. Cr(VI) has high toxicity and carcinogenic properties, which makes it one of the main pollutants of water resources. The sources of its occurrence, including industrial wastewater and agricultural processes, are discussed. The main focus is on various methods of wastewater treatment from Cr(VI), such as ion exchange, adsorption, electrochemical treatment and chemical precipitation, with an analysis of their effectiveness and disadvantages.
Keywords: wastewater, ion exchange, adsorption, chemical precipitation.
