АДСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО ШУНГИТА

Соболева Ольга Александровна

студентка 3 курса, кафедра химии БГУ, г. Брянск

E-mail:

Щетинская Ольга Стефановна

научный руководитель, канд. химических наук, доцент БГУ, г. Брянск

Академик А.Е. Ферсман назвал воду «самым важным минералом на Земле, без которого нет жизни». Однако промышленные революции и переход к индустриальному обществу привели значительному загрязнению гидросферы.

За последние десятилетия во всем мире отмечается ин­тенсивный рост техногенного химического загрязнения во­доемов, используемых населением.  Основными источниками такого загрязнения являются промышленные предприятия, и в первую очередь, химические производства, предприятия нефтеперерабатываю­щей и нефтехимической промышленности, производства но­вых синтетических материалов, ядохимикатов, заводы по термической обработке твердого и жидкого топлива. Их сбросы неочищенных или плохо очищенных стоков представляют значительную угрозу для здоровья населения.

Наибольшую опасность несут сточные воды, содержащие тяжелые металлы, в частности соединения хрома (VI). Существует большое количество методов очистки водных стоков от хрома (VI): адсорбционный, реагентный, жидкостной экстракции, ионообменный, гальванокоагуляционный, электрофлотационный, электрокоагуляционный и т.д., но ни один из них не является универсальным. Кроме этого, большинство из этих способов дорогостоящие, сложные в исполнении, ориентируются на импортное оборудование и дефицитные реагенты. Поэтому разработка более эффективного и в тоже время экономически выгодного способа очистки сточных вод от содержания шестивалентного хрома, основанного на использовании местного сырья и отходов промышленности, является приоритетным направлением фундаментальных исследований.

Актуальность работы определяется выбранным методом очистки. В работе были проведены исследования адсорбционного метода очистки с использованием шунгита Зажогинского месторождения. Выбор сорбента выгоден и с экономической точки зрения, так как большое число туристов Карелии активизирует производство сувениров из природного шунгита, при этом образуется много отходов в россыпи с различным размером частиц.

Цель настоящей работы – очистка сточных вод от хрома (VI) адсорбционным методом, используя природный сорбент - шунгит.

Полученные данные могут представлять широкий научный и практический  интерес  в области очистки и утилизации хромсодержащих сточных вод.

Шунгитовый углерод - это окаменевшая древнейшая нефть. Он представляет собой аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный углерод, содержание которого в породе составляет около 30%, а 70% составляют силикатные минералы - кварц, слюды. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO2 (57,0%), TiO2 (0,2%), Al2O3 (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), К2О(1,5%), S (1,2%) [1].

При проведении исследований процесса адсорбции шунгитом хрома (VI) были использованы описанные в литературе спектрофотометрические методы, а именно определение Cr (VI) с дифенилкарбазидом (ДФК) [3,4] с максимумом поглощения 540 нм, и экспресс-метод непосредственного определения Cr (VI) по собственной окраске его растворов [2, 5]. Анализ проводили на однолучевом  сканирующем спектрофотометре UV-VIS Unico-2800.

Адсорбцию проводили в статическом режиме. К определенной массе шунгита приливали раствор, содержащий Cr (VI) и при перемешивании выдерживали определенное время при комнатной температуре. По ходу процесса адсорбции отбирались пробы, в которых контролировалась остаточная концентрация Cr (VI). Для сорбции использовалась выделенная из россыпи фракция шунгита с размером частиц 2 мм.

Нами было исследовано влияние на адсорбцию Cr (VI) кислотности раствора, массы сорбента, времени сорбции. Анализ проводился на искусственных образцах сточных вод, приготовленных из кристаллического дихромата калия (K₂Cr₂O₇) марки «ХЧ».

Предварительно были проведены исследования по влиянию кислотности на процесс сорбции. Исходная концентрация раствора K₂Cr₂O₇ составляла 10^-4 моль/л (концентрация Cr⁺⁶ при этом равна10,4 мг/л), масса шунгита – 1 г на 50 мл раствора, рН устанавливали – 2 (кислая среда), 7 (нейтральная), 10 (щелочная), время адсорбции - 24 часа. Первые 3 часа pH контролировали с помощью pH-метра, а затем растворы оставляли на сутки. В результате проведенной серии экспериментов было установлено, что лучше всего сорбция Cr (VI) шунгитом проходила в кислой среде при pH=2. При этом остаточная концентрация Cr (VI) составила 1,2 мг/л, в то время как в нейтральной – 8 мг/л, в щелочной – 8 мг/л. Исходя из полученных данных, был сделан вывод: процесс сорбции проходит интенсивнее в кислой среде, поэтому для проведения дальнейших исследований было выбрано значение pH, равное 2.

Далее были проведены исследования по определению оптимальных условий сорбции: массы сорбента, времени сорбции и исходной концентрации Cr (VI). Условия эксперимента: pH=2, концентрация K₂Cr₂O₇ =  10^-4 моль/л (концентрация Cr⁺⁶ = 10,4 мг/л), время сорбции – 1 сутки, масса шунгита менялась: 0,1 г, 0,5 г и 1,0 г на 50 мл раствора. Остаточная концентрация хрома (VI) составляла 2,96; 2,61; 2,25 мг/л соответственно, т.е. лучшая сорбция наблюдается при массе шунгита 1 г на 50 мл. Для анализа дальнейшего процесса сорбции растворы оставляли еще на сутки, после чего остаточная концентрация хрома (VI) снижалась до 0,77 мг/л. При этом наблюдалось изменение окраски с желтой на голубую, свойственную хрому (III). Можно предположить, что наряду с сорбцией идет восстановление Cr (VI) в Cr (III) за счет углерода шунгита.

В результате проведенных исследований было установлено, что при адсорбции Cr (VI) при начальной концентрации K₂Cr₂O₇, равной 10^-4 моль/л (концентрации шестивалентного хрома 10,4 мг/л), рН – 2, массе шунгита – 1 г на 50 мл раствора, времени – 24 часа степень конверсии составила 78,5%, а за 2 суток степень конверсии увеличивалась до 92,6%.

Так как достигнутая степень очистки составила только 92%, было решено увеличить массу шунгита до 3, 5, 7, 10 г на 50 мл раствора, остальные условия эксперимента не менялись. Было установлено, что увеличение массы шунгита свыше 1 г на 50 мл приводит к образованию в растворах коллоидов, которые рассеивают свет в области поглощения Cr (VI) - 350 нм (рис. 1).

Рис. 1. Процесс адсорбции хрома (VI) шунгитом: а) через час; б) через 2 часа; в) через 3 часа; г) через сутки сорбции.

Чтобы исключить влияние коллоидов далее, массу сорбента ограничили 5 г на 50 мл, а в качестве метода контроля остаточной концентрации хрома (VI) использовали метод с ДФК с максимумом поглощения Cr (VI) – 540 нм. При этом была увеличена исходная концентрация K₂Cr₂O₇ до 10^-3 моль/л (концентрация Cr (VI) составляла при этом - 104 мг/л), как близкая к концентрации Cr (VI) в промышленных сточных водах. pH раствора поддерживали в районе 2, время сорбции контролировали через 1, 2, 3, 24 часа, 3 суток. Масса шунгита составляла 1 г на 50 мл и 5 г на 50 мл. В результате после 3-х суток выдержки удалось снизить концентрацию Cr (VI) со 104 мг/л до 28 мг/л  при массе шунгита, равной 1 г и до 27 мг/л при массе шунгита – 5 г на 50 мл раствора. Соответственно степень очистки составила 74% и 75%.

В результате проведенных экспериментов нами рекомендованы следующие условия очистки хромсодержащих сточных вод на шунгите:

• при начальной концентрации Cr (VI) 10, 4 мг/л: рН – 2, масса шунгита – 1 г на 50 мл раствора, время сорбции – 24 часа, степень конверсии достигает при этом 78,5%, а за 2 суток степень конверсии увеличивалась до 92,6%;
• при начальной концентрации Cr (VI) 104 мг/л: рН – 2, масса шунгита – 1 г на 50 мл раствора, время – 3 суток, степень очистки составила 74%.

Исследования будут продолжены.

Список литературы:

1. Игнатов И., Мосин О.В. Состав и структурные свойства природного фуллеренсодержащего минерала шунгита. Математическая модель взаимодействия шунгита с молекулами воды // Науковедение. – 2014. – Т. 21. – №2. – С. 114.
2. Калюкова Е. Н., Иванская Н. Н. Сравнительная характеристика эффективности очистки воды природными сорбентами от ионов хрома (III, VI) // Современные наукоемкие технологии. – 2009. – №7. – 80 с.
3. Марченко З. Фотометрическое определение элементов. – М.: Мир, 1971. – 501 с.
4. Нистратов А. В., Клушин В. Н., Ерофеева В. Б. Способ углеадсорбционной очистки от хрома (VI) сточных вод гальванического производства // Современные направления теоретических и прикладных исследований 2012: тезисы докл. конф. (Одесса, 23-31 марта 2012г.). – Одесса, 2012. – С. 57-60.
5. Саранчина Н.В. Определение хрома (VI) с использованием 1.5-дифенилкарбазида, иммобилизованного в полиметакрилатную матрицу // Аналитика и контроль. – 2014. – Т. 18. – №. 1. – С. 105-111.