Исследование возможности использования ОТХОДА деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металл

УДК 628.345.1

А.И. Багаува, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев 

A. I. Bagauva, S. V. Stepanova, I. G. Shaihiev

 

Исследование  возможности использования ОТХОДА деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов

RESEARCH OF POSSIBILITY OF USE TREE OF THE PROCESSING OF THE INDUSTRY FOR CLEARING OF MODELLING WATERS OF IONS OF HEAVY METALS

 

1. Исследование возможности  применения коры дуба в качестве  реагента для удаления ИОНОВ железа (IIi) из модельных вод

1. RESEARCH OF POSSIBILITY OF APPLICATION OF THE BARK OF THE OAK AS THE REAGENT FOR REMOVAL IONS OF IRON (III) FROM MODELLING WATERS

 

В данной работе в качестве эксперимента исследована очистка  модельных вод от ионов Fe³⁺ (500 мг/л), отходом деревоперерабатывающей промышленности (корой дуба) в кинетических и динамических условиях. Результаты значений, полученных в динамических условиях, показали, что очистка от ионов (Fe³⁺) с применением данного отхода в качестве сорбента, произошла эффективней, значения не превышают ПДК ионов железа в сбрасываемых водах. Исходя из сорбционной способности опилок коры дуба очищать воду, содержащую ионы железа, данный метод можно рекомендовать в качестве доочистки.

 

In the given work as experiment clearing of modeling waters of ions Fe³⁺ (500 mg/l), by a withdrawal tree of the processing the industries (an oak bark) in kinetic and dynamic conditions is investigated. Results of the values received in dynamic conditions, have shown that clearing of ions (Fe³⁺) with application of the given withdrawal as a sorbent, has occurred more effectively, values don't exceed maximum concentration limit of ions of iron in dumped waters. Starting with сорбционной ability of sawdust of a bark of an oak to clear the water containing ions gland, it is possible to recommend the given method as additional cleaning.

6 страниц, 2 таблицы, 4 рисунка

Библиографический список

1. Половняк В.К. Современные  технические и технологические подходы к решению экологических проблем / В. К. Половняк, С.В. Фридланд // Вестник Казанского технологического университета. № 4. 2009. – с. 17-26.

2. Химический состав коры дуба [электронный ресурс]. – Режим доступа: http//www.sunduk.ru/recejpts/prods/p.100050.htm  свободный

3. Пат. 2251449 Россия, МПК В 01 J 20/24. Способ получения сорбента для очистки сточных вод/ В. Н. Косов, Э. В. Баженова, Г. М. Ходяков; заявитель и патентообладатель Тверской.- № 2003135601/15; заявл. 10.12.2003; опубл. 10.05.2005.

4. Торопов Л. И.  Контроль содержания и извлечения тяжелых металлов из водных объектов / Л. И. Торопов, И. М. Агафонова // Мат-лы региональной  науч. Конф. «Методы аналитического контроля материалов и объектов окружающей среды», Пермь: ПГУ.- 2001.- 167с.

 

УДК 628.345.1

А.И. Багаува, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев

 

Исследование  возможности использования ОТХОДОВ деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов

1. Исследование возможности применения коры дуба в качестве реагента для удаления ИНОВ железа (IIi) из модельных вод

 

27.10.2010 г.

В данной работе в качестве эксперимента исследована очистка  модельных вод от ионов Fe³⁺ (500 мг/л), отходом деревоперерабатывающей промышленности (корой дуба) в кинетических и динамических условиях. Результаты значений, полученных в динамических условиях, показали, что очистка от ионов (Fe³⁺) с применением данного отхода в качестве сорбента, произошла эффективней, значения не превышают ПДК ионов железа в сбрасываемых водах. Исходя из сорбционной способности опилок коры дуба очищать воду, содержащую ионы железа, данный метод можно рекомендовать в качестве доочистки.

 

In the given work as experiment clearing of modeling waters of ions Fe³⁺ (500 mg/l), by a withdrawal tree of the processing the industries (an oak bark) in kinetic and dynamic conditions is investigated. Results of the values received in dynamic conditions, have shown that clearing of ions (Fe³⁺) with application of the given withdrawal as a sorbent, has occurred more effectively, values don't exceed maximum concentration limit of ions of iron in dumped waters. Starting with сорбционной ability of sawdust of a bark of an oak to clear the water containing ions gland, it is possible to recommend the given method as additional cleaning.

 

Сточные воды промышленных предприятий машиностроения, металлургии  и других отраслей, в которых используются процессы травления и гальванической металлообработки, характеризуются сложным переменным составом и высокой токсичностью. Гальванотехника – одно из производств, серьезно влияющих на загрязнение окружающей среды, в частности ионами тяжелых металлов, наиболее опасных для биосферы. Главным поставщиком токсикантов в гальванике являются промывные воды. Объем сточных вод очень велик из-за несовершенного способа промывки деталей, который требует большого расхода воды.

Среди промышленных загрязнителей природы наиболее опасны ионы тяжелых металлов. Они вызывают сердечно-сосудистые заболевания, рак, паралич, умственную отсталость и другие весьма серьезные, часто неизлечимые болезни.

В этой связи  выходом из создавшегося положения  может быть реализация программы внедрения высокоэффективных методов очистки сточных вод, не требующих больших финансовых вложений и не оказывающих негативного влияния на природную среду [1]. Особый интерес представляет использование в качестве реагентов для очистки сточных вод возобновляемыми отходами деревоперерабатывающей промышленности. Такое сырье содержит, как правило, природные биологически активные вещества, процесс выделения которых из отходов в большинстве случаев выгоднее химического синтеза. К тому же решается проблема утилизации отходов деревоперерабатывающей промышленности.

Из литературных данных известен химический состав коры дуба [2]. Основные полезные свойства сосредоточены в коре дуба, так называемые дубильные вещества (ДВ). Они объединяют весьма разнообразные и сложные по составу растворимые органические вещества ароматического ряда, чрезвычайно распространенные в растительном царстве, обладающие характерным вяжущим вкусом и способные осаждаться из водного или водноспиртового раствора раствором клея, а с солями железе давать различные оттенки зеленые или синего окрашивания и осадки (чернильного цвета).

ДВ в основном аморфны, имеют более или менее ясно выраженный кислотный характер и обладают замечательным свойством дубить кожу (шкуры), то есть отнимать у них в значительной мере способность к гниению и затвердеванию при высыхании. Как кислоты, ДВ образуют металлические производные – соли, из которых свинцовые, представляющие нерастворимые в воде аморфные осадки, нередко применяются для извлечения ДВ из водных экстрактов. Для получения ДВ в чистом состоянии природные дубильные материалы извлекают (экстрагируют) водой или другими растворителями. При описании ДВ необходимо подробно остановиться лишь на немногих важнейших.

Таннин (C₁₄H₁₀O₉), галлодубильная кислота находится в различных сортах чернильных орешков, сумахе. Представляет собой аморфный порошок, растворимый в воде, спирте и уксусном эфире. С хлорным железом в водном растворе образует черно- синий осадок, что применяется как качественная реакция на соли окиси железа. Таннин разлагает углекислые соли, обнаруживая ясно кислотные свойства. Находит широкое применение в медицине, в производстве чернил, красильном деле, для получения галловой кислоты.

 

                        

 

Рис 1. – Формула таннина

 

Эллагогендубильная  кислота (C₁₆H₁₀O₉) стоит в близком отношении к таннину, являясь, как и он, производным галловой кислоты, и часто встречается вместе с ним в растениях. Она составляет главную массу ДВ мироболанов, альгаробилл.

Дубодубильные кислоты (C₁₇H₁₆O₉) находятся в молодой коре, древесине и листьях различных видов дуба. Дубодубильные кислоты представляют аморфные порошки различных оттенков от буро-красного до светло-красного цвета, растворимые в воде.

Маклурин (C₁₃H₁₀O₇), или моринодубильная кислота и морин, откуда их извлекают кипячением с водой и разделяют, пользуясь меньшею растворимостью морина в воде. Маклурин, светло- желтый кристаллический порошок, изсвойств, характеризующих ДВ, обладает лишь способностью давать с железом черно- зеленый осадок.

Катеходубильные вещества (C₁₉H₁₈O₈) находятся вместе катехинами близкого между собою состава в различных сортах ДВ. С хлорным железом (FeCl₃) дают черно-зеленое окрашивание и осаждают его в виде осадка черного цвета. При нагревании они распадаются с получением минеральных кислот и ангидридов [3].

Наиболее интенсивно проблема рационального использования древесных отходов начала обсуждаться в 80-х годах прошлого столетия. Именно в этот период проводились исследования, которые позволяли выявить наиболее перспективные в экологическом и экономическом отношении пути использования древесных отходов и разработать практические мероприятия, которые обеспечат переход на безотходную технологию предприятий лесопильного и деревообрабатывающего производства [4]. Кора может, является не только альтернативными, но, в некоторых случаях, и единственным источником получения некоторых терпеноидов. В тоже время, например экстракт из коры дуба, может быть перспективным материалом для удаления из сточных вод вредных поллюантов.

По приведенным выше литературным данным можно сделать предположение, что ЭКД, благодаря наличию в  его составе большого количества органических соединений, может быть эффективно применен, для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов.

Учитывая вышеизложенное, в данной исследовательской работе были начаты исследования, целью которых являлось изучение возможности использования ЭКД для очистки модельных вод, содержащих ИТМ.

Методика приготовления ЭКД. Для приготовления экстракта используется измельченная кора дуба. Соотношение объема дистиллированной воды к весу коры 10:1. К 50 г предварительно взвешенной коре дуба приливается 500 мл дистиллированной воды, нагретой до 90 °С. Смесь настаивается в течение 15-30 мин для наиболее полного извлечения органических веществ в экстракт. Полученный экстракт, тёмно – коричневого цвета, отфильтровывается на вакуум – установке.

Модельный раствор (МР) представляет собой водный раствор FeCl₃×6H₂O ионов концентрацией Fe³⁺ 500 мг/л.

Основываясь на физико-химические свойствах ионов Fe³⁺ , а именно на характере взаимодействия железа (III) в различных средах проведено три эксперимента: с исходным ЭКД, подкисленным (ЭКД_К) и щелочным (ЭКД_Щ).

Первоначально определены физико- химические показатели ЭКД, ЭКД_К, ЭКД_Щ и МР, с концентрацией ионов Fe³⁺ 500 мг/л, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 - Физико-химические показатели ЭКД, ЭКД_К, ЭКД_Щ

 

Показатель	Размерность	ЭКД	ЭКДК	ЭКДЩ	МР
рН	–	4,86	2,97	9,03	2,67
ХПК	мг О2/л	1600	1200	1800	80
Светопропускание (Т)	%	28	15	1,2	78
Оптическая  плотность (D)	–	0,9	0,8	1,760	0,11

 

Эксперимент проводился следующим образом: в цилиндры, объемом 100 мл, приливается 50 мл раствора FeCl₃×6H₂O. Затем к этому МР приливается ЭКД в соотношениях (1,00:10), (1,00:5,00), (1,00:2,5), (1,00:1,67), (1,00:1,25), (1,00:1,00) соответственно. В течении 6 часов наблюдается осаждение хлопьев. Затем раствор отфильтровывается, и в фильтратах определяется остаточное содержание ионов Fe³⁺ , ХПК, рН,  светопропускание, оптическая плотность, масса осадка.

При смешении ЭКД, ЭКД_К, ЭКД_Щ с модельным раствором происходит взаимодействие органических веществ, входящих в состав коры дуба, и ионов Fe³⁺, в результате чего образуются комплексы, нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок.

Изучив зависимости изменения  объема осадка от времени, следует вывод  о том, что во всех трех экспериментах с ЭКД, ЭКД_К , ЭКД_Щ самое минимальное время седиментации 120 мин выявлено в соотношении ЭКД: модельный раствор 1,00:10, это объясняется тем что, процесс смешения происходит во всем объеме смесевого стока и при увеличении объема экстракта во всех трех экспериментах увеличивается время протекании реакции между органическими соединениями и ионами железа. Также в данном соотношении наблюдается четкое разделение фаз осветленной воды и осевшего осадка, в виде крупной взвеси, и далее, уплотнение осадка. Процесс осаждения в щелочной среде в соотношении 1,00:1,25 и 1,00:1,00 не наблюдался, так как образовалась мелкодисперсная взвесь в результате взаимодействия гидроксильных групп органических соединений и ионов Fe³⁺ в щелочной среде, а образовавшаяся муть черно-синего цвета объясняется взаимодействием дубильных веществ, в составе коры дуба, и хлорного железа.

 

Рис. 2 – Зависимость изменения ХПК раствора от объема добавленного экстракта

 

Одним из основных параметров, определяющих качество очищенной воды, является ХПК. Во всех трех случаях ХПК растворов повышается, что закономерно, так как увеличиваются объемы добавленных экстрактов, имеющих высокое содержание органических соединений. Приведенные выше зависимости так же наглядно демонстрируют и тот факт, что некоторое количество органических веществ, находящихся в ЭКД, вступило в реакцию с ионами Fe³⁺ и выпало в осадок. Минимальное значение ХПК, 40 мг/л, было достигнуто при 5 мл добавленного ЭКД. В смесевых стоках данное количество природных органических веществ не оказывает токсического воздействия на биоту, что делает возможным дальнейшую очистку этих стоков на биологических очистных сооружениях.

Изменение рН смесевых стоков после добавления к ним экстракта позволяет косвенно судить о реакции между ионами Fe³⁺ и ОН^- группой ЭКД. Практически все ОН^- группы ЭКД реагируют с ионами Fe³⁺ находящимися в модельном растворе, что позволяет значительно повысить эффективность удаления ионов Fe³⁺ из раствора. Даже при введении в модельный раствор ЭКД_Щ с исходным рН = 9,03, рН раствора переходит в кислую среду. Минимальные значения рН были достигнуты при ЭКД_К Это объясняется тем, что гидроксиды железа проявляют основные свойства, то есть хорошо реагируют с кислотами. В результате гидролиза трехвалентного железа (FeCl₃) образуется Fe(OH)₃ или Fe₂O₃ × 3H₂O, который начинает осаждаться уже при рН = 2,2 и остается в коллоидном состоянии до рН ≈ 7.На коагуляционную способность солей железа (III) мало влияет рН среды.