Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

PURIFICATION OF AQUEOUS MEDIA FROM ORGANIC AND INORGANIC COMPOUNDS CARBON-MINERAL SORBENT FROM THE SOUTHERN CANE

Alykov N.M. 1 Zolotareva N.V. 1 Alykova T.V. 1 Evsina E.M. 2 Kudryashova A.E. 1
1 Astrakhan State University
2 Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering
To purify aquatic environments from various toxicants, we obtained a carbon-mineral sorbent from the reed stems of the South (Phragmites australis) by carbonization. At the stage of carbonization of the crushed reed, a carcass containing carbon and silicate constituents is formed. Depending on the type of feedstock and the carbonization temperature of the organic component, the content of the silicate component varies in the range of 20–30 %. The process is carried out before obtaining a sorbent containing 70–80 % of the carbon component, 29–19 % of the silicate component and 1 % of water. The adsorption capacity of the obtained carbon-mineral sorbent towards to medium and macromolecular organic compounds, and heavy metals was studied. As a result, it was established that the carbon-mineral sorbent obtained from the reed stems of the South (Phragmites australis) has moderately distributed sizes of macro- and micropores. The presence of two constituents, carbon and silicate, in the structure of the obtained sorbent promotes the sorption of phenols, hydrocarbons, barbiturates, cholesterol derivatives, aminoglycosides, anthracyclines and other compounds, as well as ions of heavy metals, which makes it possible to use a sorbent in the chemical industry for purification of sewage, natural waters and be proposed for the purification of biological fluids.
coal-mineral sorbent
carbonization
specific surface
adsorption activity
purification efficiency

Водные ресурсы являются одним из основных компонентов обеспечения жизни на Земле. Для поддержания процессов жизнедеятельности живых организмов необходима вода, не содержащая токсичных примесей (нефтепродуктов, фенолов, ионов тяжелых металлов). Как известно, в естественных водоемах – реках, озерах, прудах жидкость самоочищается естественным путем, но этот процесс очень длительный, при этом большую роль в очистке сточных вод играют аэробные организмы. Чтобы обеспечить защиту водных ресурсов от истощения, в России законодательно закреплены нормы сброса в водоемы сточных жидкостей разных категорий.

Борьба с загрязнением водного бассейна проводится по трем основным направлениям:

1) создание новых технологических процессов, основанных на безотходном принципе;

2) усовершенствование технологических процессов, позволяющих ликвидировать или уменьшить выбросы токсичных веществ в водоисточники;

3) обработка поверхностных стоков с целью извлечения примесей и дальнейшего их использования или нейтрализации их вредного воздействия на окружающую среду.

Обеспечить экологическую безопасность можно разными методами очищения:

– механический или физический, применяется в качестве предварительного.

В процессе механического очищения воды из нее путем процеживания, фильтрования и отстаивания удаляются нерастворенные примеси; диапазон очистки, в котором механические методы очистки сточных вод помогают очищать воду, достаточно широк. При очистке бытовых сточных вод до шестидесяти процентов примесей может быть удалено из воды, а в случае очистки промышленных сточных вод – до девяноста процентов примесей может быть удалено из воды при помощи механических методов очистки сточных вод.

Кроме того, важно понимать, что механические методы очистки сточных вод, являясь на деле самыми дешевыми среди остальных методов очистки, призваны подготовить сточные воды для участия в процессах химической и биологической очистки. Крупнодисперсные взвеси, содержащиеся в сточных водах, могут повредить дорогое оборудование, работающее на основе методов биологической и физико-химической очистки.

Для удаления из воды таких механических примесей, как песок, гидроокись железа (ржавчина), используются фильтры осветления воды, или, говоря простым языком, механические фильтры. Механические фильтры представляют собой корпус из стекловолокна, наполненный фильтрующей загрузкой, и блок управления, позволяющий проводить стадии взрыхления и отмывки загрузки в автоматическом режиме;

– физико-химический; состоит в добавлении особого вещества – флокулянта или коагулянта для очистки стоков от органических примесей.

В результате химической реакции этого реагента с примесями происходит выделение коллоидов, нерастворимых составляющих, а также части растворимых, в итоге концентрация вредных веществ значительно снижается, растворимые соединения становятся безопасными, состав нейтрализуется, а последующая повторная механическая обработка становится более эффективной;

– биологический, основывается на использовании живых микроорганизмов, которые в результате своей жизнедеятельности приводят к восстановлению органики и её окислению, устраняя из воды коллоиды и суспензии, являющиеся для них пищей;

– химический, состоит в нейтрализации, окислении и восстановлении.

Нейтрализация происходит путем добавления реагентов. Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, КОН, Na2CO3, NH4OH (аммиачная вода), СаСО3, MgCO3, (СаСОз-MgCO2), цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са(ОН)2 5–10 %. Соду и гидроксид натрия следует использовать, если они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации применяют различные отходы производства. Например, шлаки сталеплавильного, феррохромового и доменного производств используют для нейтрализации вод, содержащих серную кислоту.

Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др. Такие микроорганизмы активно используются в устройствах для очистки сточных вод от органических примесей.

Анализ литературных данных показал [2, 4–6, 12–14, 18], что к настоящему времени нет эффективного и универсального способа очистки ливневых стоков. Существующие химические, механические и биологические методы в ряде случаев достаточно эффективны в сочетании друг с другом, что связано с большими капиталовложениями и эксплуатационными затратами, поэтому необходимо использовать наиболее эффективные методы очистки сточных вод, а также прилагать все усилия для обеспечения возможности повторного использования очищенной технологической жидкости в последующих производственных процессах.

Наиболее перспективным и эффективным методом очистки природных и сточных вод является сорбционный, преимущество этого метода – хорошая управляемость процессом, относительная простота конструкции установки, высокая надежность и высокая степень очистки. При этом отсутствуют вторичные загрязнения.

В настоящее время общедоступным и сравнительно дешевым сырьем для получения сорбентов являются растительные отходы агропромышленного комплекса. В частности, существуют различные способы модификации поверхности сорбентов: усиление ионообменных и окислительно-восстановительных свойств, фиксация на поверхности разнополярных функциональных групп, введение в углеродную матрицу комплексообразователей или, напротив, удаление с поверхности углеродного сорбента структурообразующей матрицы диоксида кремния и многое другое.

В работе была изучена адсорбционная способность полученного нами углерод-минерального сорбента из тростника южного по отношению к средне- и макромолекулярным органическим соединениям, а также к нефтепродуктам, фенолам и тяжелым металлам.

Пористый углерод-минеральный сорбент получен из стеблей тростника южного (Phragmites australis) путем карбонизации. Для этого стебли тростника измельчали, нагревали при 450–500 °С в течение 10–15 минут, до потери 70 % массы. Выбранный температурный режим позволяет избежать сплавления SiO2 в силикатной компоненте, входящей в состав исходного сырья. Образовавшийся уголь остужали в воде, обрабатывали 2–5 %-ным раствором азотной кислоты с целью извлечения из сорбента поверхностных минеральных примесей (ионов металлов), однократно промывали в воде и высушивали при 100–150 °С до постоянной массы. Отсутствие паровой активации сорбента позволяет снизить объем получаемых микропор до 2–10 % (радиусом пор менее 2,5 нм). Обработка 2–5 % раствором азотной кислоты приводит к деминерализации приповерхностных примесей углерод-минерального сорбента. На стадии карбонизации измельченного тростника формируется каркас, содержащий углеродную и силикатную составляющие. В зависимости от вида исходного сырья и температуры карбонизации органической составляющей, содержание силикатной компоненты варьирует в интервале 20–30 %. Процесс осуществляют до получения сорбента, содержащего (мас. %) 70–80 % углеродной составляющей, 29–19 % силикатной составляющей и 1 % воды [11].

Физико-химические свойства углерод-минерального сорбента из тростника южного определены по ГОСТ 4453-74, 16190-70, 12597-67, 17219-71, 12596-67, результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические характеристики углерод-минерального сорбента из тростника южного

Диаметр частиц,

мм

Пористость

по ацетону,

%

Содержание влаги, %

Адсорбционная активность

Vсум пор по воде,

см3/г

pH водной суспензии

по метиленовому голубому, мг/г

по йоду,

%

0,01–0,5

10,00

1

230

25,4

0,71

6,8–7,3

Удельная поверхность, м2/г

Насыпная плотность, г/см3

Зольность, %

1021

0,218

21,4

Полученный из тростника южного углерод-минеральный сорбент обладает умеренно распределенными размерами макро- и микропор.

В табл. 2 приведены результаты исследования адсорбционной способности сорбента, полученного из тростника южного, по отношению к средне- и макромолекулярным органическим соединениям [1, 3, 7–10, 16–17].

Таблица 2

Сорбционная способность углерод-минерального сорбента из тростника южного по отношению к органическим соединениям

Предельная емкость сорбента, мг/г

Содержание в исходном растворе, мг/дм3

Содержание в растворе после сорбции, мг/дм3

Эффективность очистки водного раствора, %

1

2

3

4

Фенол

14,70

0,000

10,000

50,000

75,000

100,000

0,000

0,040 ± 0,001

0,070 ± 0,001

0,100 ± 0,002

0,120 ± 0,002

99,60

99,86

99,86

99,88

Нефтяные углеводороды

250,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,000

0,000

0,000

0,000

100

100

100

Барбитураты и производные барбитуровой кислоты.

Применяются в качестве снотворных, успокаивающих или противосудорожных препаратов

Циклобарбитал

5-Этил-5-(циклогексен-1-ил)-барбитуровая кислота

14,50

0,000

1,000

5,000

0,000

0,050 ± 0,001

0,050 ± 0,001

95,00

99,00

Продолжение табл. 2

1

2

3

4

Триазолам

8-хлор-6(орто-хлорфенил)-1-метил-1H-S-триазоло-[4,3-а][1,4]бензодиазепин

30,00

0,000

1,000

7,000

0,000

0,060 ± 0,001

0,050 ± 0,001

94,00

99,30

Доксиламин

2-[α[2-(диметиламино)этокси]-α-метилбензилпиридин

25,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,000

0,020 ± 0,001

0,050 ± 0,002

0,090 ± 0,002

98,00

99,00

99,10

Средства для лечения инфекционных заболеваний. Антибиотики.

Применяются в качестве антимикробных, антибактериальных препаратов

Тетрациклин

50,00

0,000

10,00

50,00

100,00

0,000

0,010 ± 0,001

0,050 ± 0,002

0,010 ± 0,002

99,90

99,90

99,99

Адриамицин (Доксорубицин)

50,00

0,000

10,000

50,000

100,000

0,000

0,010 ± 0,001

0,050 ± 0,001

0,100 ± 0,003

99,90

99,90

99,90

Антиаритмические препараты. Применяются в качестве местноанестезирующих препаратов и для снижения возбудимости мембран

Прокаинамид

4-амино-N-[2-(диэтиламино)-этил]-бензамида гидрохлорид

35,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,000

0,010 ± 0,001

0,010 ± 0,001

0,030 ± 0,001

99,00

99,80

99,70

Амиодарон

[2-бутил-3-бензофуранил]-[4-(2-диэтиламиноэтокси)-3,5-дийодфенил]-метанон гидрохлорид

27,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,00

0,010 ± 0,001

0,060 ± 0,003

0,120 ± 0,003

99,00

98,80

98,80

Психотропные лекарственные средства. Нейролептики.

Применяются в качестве успокаивающих препаратов

Аминазин

2-хлор-10-(3-диметиламинопропил)-фенотиазина гидрохлорид

35,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,000

0,010 ± 0,001

0,020 ± 0,002

0,050 ± 0,002

99,00

99,60

99,50

Трициклические антидепрессанты. Ингибиторы нейронного захвата

Амитриптилин

5-(3-диметиламинопропилиден)-10,11-дигидродибензоциклогептена гидрохлорид

30,00

0,000

5,000

10,000

50,000

0,000

0,020 ± 0,001

0,060 ± 0,002

0,050 ± 0,007

99,60

99,40

99,90

Транквилизаторы. Применяются в качестве успокоительных, противосудорожных и психотропных средств, при невротических и неврозоподобных расстройствах

Феназепам

7-бром-5-(орто-хлорфенил)-2-3-дигидро-1H-1,4-бензодиазепин-2-он

20,00

0,000

1,000

5,000

10,000

30,000

0,000

0,020 ± 0,001

0,020 ± 0,003

0,090 ± 0,002

0,120 ± 0,005

98,00

99,60

99,10

99,60

Окончание табл. 2

1

2

3

4

Антигистаминные препараты. Блокаторы H1-гистаминовых рецепторов. Применяются при лечении аллергических заболеваний

Дипразин

10-(2-диметиламинопропил)-фенотиазина гидрохлорид

25,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,000

0,010 ± 0,001

0,050 ± 0,003

0,070 ± 0,003

99,00

99,00

99,30

Гормоны коры надпочечников и их синтетические аналоги. Применяются в качестве противовоспалительных, антиаллергических, иммунодепрессивных препаратов

Гидрокортизон

17-оксикортикостерон

20,00

0,000

1,000

5,000

10,000

0,000

0,020 ± 0,001

0,030 ± 0,001

0,030 ± 0,001

98,00

99,40

99,70

В табл. 3 приведена сравнительная характеристика по эффективности очистки водных сред от органических соединений, нефтепродуктов и ионов металлов полученного нами углерод-минерального сорбента и сорбента, полученного из сапропеля [15].

Таблица 3

Сравнительная характеристика эффективности очистки водных сред предлагаемым сорбентом из тростника южного и сорбентом, полученным из сапропеля

Сорбент

Эффективность очистки водного раствора, %

Фенол

Нефтепродукты

Fe3+

Cu2+

Zn2+

Сорбент сравнения

73

95

93

87

35

Предлагаемый сорбент

99

100

96

94

99

В результате проделанной работы установлено, что углерод-минеральный сорбент, полученный из тростника южного, обладает умеренно распределенными размерами макро- и микропор. Наличие в структуре полученного сорбента двух составляющих – углеродной и силикатной – способствует сорбции фенолов, углеводородов, барбитуратов, производных холестерина, аминогликозидов, антрациклинов и других соединений, а также ионов тяжелых металлов, что позволяет использовать сорбент в химической отрасли для очистки сточных, природных вод и может быть предложено для очистки биологических жидкостей.