Рассмотрена проблема загрязнения водных ресурсов органическими веществами. Адсорбционные методы позволяют решить данную проблему с использованием углеродных материалов, исключая образование вторичных загрязнений. Изучена адсорбция толуола на углеродных волокнистых адсорбентах.
Проблема сохранения и реабилитации окружающей среды, обеспечения снижения антропогенной нагрузки была и остается крупномасштабной задачей, актуальность которой возрастает с каждым годом. Органические вещества одни из представителей высокотоксичных отходов производств и являются наиболее широко распространёнными загрязнителями поверхностных и сточных вод [1]. Источниками таких загрязнений являются предприятия химической, нефтехимической, коксохимической, химико-фармацевтической промышленности. Особую опасность представляют стоки данных предприятий, так как содержат преимущественно растворенные вещества [2].
В практике очистки природных и промышленных сточных вод широко применяются методы адсорбции. [3]. Адсорбционные методы характеризуются высокой эффективностью, способностью очищать воду, содержащую малые концентрации органических веществ, до величины ПДК и ниже, позволяют концентрировать и выделять ценные продукты из водных растворов. Адсорбционные методы решают проблему образования вторичных загрязнений при очистке сточных вод, за счет возможности регенерации сорбентов, т.е. извлечении вещества с поверхности адсорбента и его утилизации, в том числе и деструктивной, при которой извлеченные из воды загрязнения уничтожаются как не представляющие технической ценности [2].
К числу обычно используемых методов десорбции при очистке промышленных сточных вод можно отнести [4]:
1. Термическую десорбцию за счет повышения температуры слоя сорбента.
2. Химическую десорбцию, которая заключается в обработке сорбента жидкими или газообразными органическими или неорганическими реагентами, в результате чего сорбат претерпевает химическое превращение и десорбируется.
3. Десорбцию, осуществляемую за счет перепада давлений.
4. Реагентную (вытеснительную) десорбцию, осуществляемую за счет более высокого сродства реагента к адсорбенту.
5. Экстракционную десорбцию, суть которой заключается в растворении адсорбата экстрагентом.
В настоящее время разработаны более интенсивные, не приводящие к образованию вторичных загрязнений, методы регенерации адсорбентов, обеспечивающих ускорение процесса и снижение потерь энергии. К таким методам относятся [4]:
- регенерация в электромагнитных полях;
- регенерация под действием ВЧ и СВЧ;
- регенерация световым излучением;
- электрохимическая регенерация.
В лаборатории адсорбции продолжительное время исследовали и продолжают исследовать процесс электросорбции органических веществ на углеродных сорбентах. Перспективный метод электрохимической регенерации углеродных адсорбентов заслуживает внимания, так как обладает высокой экологичностью по сравнению с традиционно применяемыми реагентными методами восстановления адсорбционной емкости углеродных сорбентов. Кроме того, метод электрохимической регенерации позволяет совместить в одном аппарате стадии концентрирования и утилизации органического компонента, поглотительная способность восстанавливается более чем на 90% после 10 циклов его использования. Однако применимость этого метода ограничивается недостаточной изученностью процесса в динамике. Поэтому исследование электрохимической регенерации сорбентов, насыщенных органическими веществами, представляет несомненный интерес [5, 6]. Прежде чем приступать к изучению процессов регенерации необходимо изучить адсорбцию и десорбцию в статических условиях.
Наибольшее распространение в качестве адсорбентов для извлечения органических веществ из водных растворов получили углеродные материалы, поскольку энергия
ван-дер-вальсового взаимодействия молекул органических веществ с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного больше энергии взаимодействия этих атомов с молекулами воды [7].
Углеродные волокнистые материалы, широко применяемые в настоящее время в различных областях промышленности и медицины, обладают рядом ценных свойств, выгодно отличающих их от гранулированных углеродных адсорбентов. Развитая пористость, высокая кинетика сорбции и десорбции, возможность регенерации делают группу углеродных волокнистых материалов реальной альтернативой традиционным активным углям [8]. Поэтому представляет интерес разработка научных основ для создания процессов очистки природных и сточных вод от органических загрязнителей активированными углеродными волокнистыми адсорбентами, обеспечивающих охрану окружающей среды, ресурсосбережения и сохранения здоровья населения [2].
В качестве объектов исследования использовались промышленные углеродные ткани марок ТМ-4 и ТР-3/2 полученные в результате термохимической обработки гидратцеллюлозных волокон по технологии карбонизации от 1500 °C до 2200 °C. Обычно с целью придания защитных жаростойких и антикоррозионных свойств ткани при их изготовлении покрывают такими соединениями как карбид кремния SiC и дисилицид молибдена MoSi2 [9]. В процессе производства УМ также могут применять кремнийсодержащие соединения для получения волокон с высокой степенью ориентации.
Для выбора условий очистки водных растворов от загрязнителей одним из контролирующих факторов является ПДК. Для толуола эта величина составляет 0,5 мг/л [10]. Определение адсорбции толуола на поверхности образцов проводили ампульным методом при 18-20 °С в закрытых стеклянных колбах, при соотношении твердой и жидкой фазы 1:2500. Была рассчитана степень поглощения и остаточная концентрация толуола при разных концентрациях исходного раствора (рис. 1).
Как видно из рисунка 1 наблюдается эффективное поглощение толуола всеми образцами (от 100 до 54 %) во всем диапазоне концентраций. Полное поглощение толуола на углеродных тканях наблюдается только до исходной концентрации толуола 0,27 ммоль/л. При повышении исходной концентрации эффективность поглощения толуола постепенно уменьшается, при этом повышается остаточная концентрация, которая больше величины ПДК.
Рис. 1 - Зависимость степени поглощения толуола (S, %) от исходных концентраций
(Сисх, ммоль/л)
Как было сказано ранее, углеродные сорбенты используются для доочистки водных растворов от органических загрязнителей, поэтому можно предположить, что углеродные ткани можно использовать для поглощения вредных органических веществ из природных вод с концентрацией толуола порядка 0,4 ммоль/л при этом эффективность будет не меньше 95 %, а остаточная концентрация не превысит ПДК толуола в растворе при соотношении твердой и жидкой фазы 1:2500.
Исследование сорбции и десорбции органических соединений, входящих в состав нефти на углеродных волокнистых сорбентах требует дальнейшего исследования с целью возврата углеродной ткани в дальнейшие процессы адсорбции, в частности в динамических условиях.
Литература:
- Темердашев З. А., Мусорина Т. Н., Киселева Н. В. Исследование сорбционных свойств углеродных материалов при очистке вод от органических загрязнителей // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2007. – №3. – С. 3-5.
- Краснова Т. А., Беляева О. В., Кирсанов М. П. Использование активных углей в процессах водоподготовки и водоотведения // Техника и технология пищевых производств. – 2012. – № 3. – С. 1-11.
- Киселева Н. В., Темердашев З. А., Мусорина Т. Н. Кинетика сорбции растворенных органических поллютантов углеродсодержащими материалами при очистке вод // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2012. – № 11. – С. 64-67.
- Подвязников М. Л., Самонин В. В., Шевкина А. Ю., Ченцов М. С., Ивачев Ю. Ю., Никонов В. Ю.А. Интенсивные методы регенерации сорбирующих изделий // Энергосбережение и водоподготовка. – 2007. – № 4. – С. 39-44.
- Шевелева И. В., Хабалов В. В. Электрохимическая регенерация нетканого углеродного волокна, насыщенного фенолом // Химия и технология воды. – 1990. – № 3. – С. 213-216.
- Пат. 2046014 Российская Федерация, МПК B01J20/34, B01J20/20. Способ регенерации углеродного сорбента, загрязненного органическими веществами / Лазарева Л.П., Лисицкая И.Г., Горчакова Н.К., Хабалов В.В.; заявитель и патентообладатель НИФТИ при ДВГУ. – № 5031794/26; заявл. 11.03.1992; опубл. 20.10.1995, Бюл. № 29. – 5 с.
- Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко Т. М., Рода И. Г. Адсорбция органических веществ из растворов. – Л.: Химия, 1990. – 256 с.
- Валинурова Э. Р., Кадырова А. Д., Кудашева Ф. Х. Адсорбционные свойства углеродного гидратцеллюлозного волокна // Вестник Башкирского университета. — 2008. – № 4. – С. 907-910.
- Кузнецова С. И., Петров А. Л. Применение лазерного излучения для модификации поверхности и раскроя углеродных композиционных материалов и углеродных тканей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2003. – № 1. – С. 46-54.
- ГОСТ 5789-78. Реактивы. Толуол. Технические условия. – Введ. 01.01.1979. – М.: ФГУП "Стандартинформ", 2008. – 8 с.
