Введение к работе
Актуальность. При современных темпах развития промышленного и
сельскохозяйственного производства становится всё более актуальной проблема очистки поверхностных и сточных вод. Одним из высокотоксичных загрязнителей, попадающих в водоемы и водотоки со сточными водами химических и нефтехимических предприятий, является фенол (ПДКр.х. = 0,001 мг/дм3). Сброс фенолсодержащих вод в водоемы и водотоки резко ухудшает их общее санитарное состояние, оказывая негативное влияние на живые организмы не только своей высокой токсичностью, но и значительным изменением режима потребления биогенных элементов и растворенных газов (О2, СО2).
Наиболее эффективным методом очистки сточных вод от фенола является адсорбция последнего с помощью активированных углей, недостатком которой является высокая стоимость и необходимость регенерации адсорбентов.
На основании рассмотренного, особую актуальность приобретают работы, направленные на получение и исследование адсорбционных свойств дешёвых и доступных материалов на основе отходов промышленного и сельскохозяйственного производств для очистки фенолсодержащих сточных вод.
В данном направлении имеется ряд публикаций отечественных и зарубежных авторов, однако информации по исследованию сорбционных свойств широко распространенных в России нативных и модифицированных отходов переработки сельскохозяйственного сырья растительного и животного происхождения в литературе отсутствуют.
Цель работы – минимизация антропогенного воздействия предприятий различных
отраслей промышленности на окружающую среду за счет применения научно обоснованных
технологических решений адсорбционной очистки сточных вод от фенола
модифицированными природными сорбционными материалами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
получить модифицированные сорбционные материалы из отходов переработки сельскохозяйственного сырья (плодовые оболочки зерен пшеницы, овса, ячменя) и валяльно-войлочного производства (кноп и угар), исследовать их основные характеристики и сорбционные свойства по отношению к фенолу в статических и динамических условиях;
провести математическую обработку полученных изотерм адсорбции согласно мономолекулярным моделям Ленгмюра, Фрейндлиха, Дубинина-Радушкевича, Темкина;
- исследовать термодинамику и кинетику процессов адсорбции фенола нативными и
модифицированными сорбционными материалами;
- провести адсорбционную очистку реальных ливневых сточных вод ООО «Завод
Техно», г. Заинск от фенола с использованием в качестве адсорбционного материала кнопа,
модифицированного 5 %-ным раствором азотной кислоты;
- разработать технологическую схему адсорбционной очистки ливневых сточных вод
ООО «Завод Техно», г. Заинск с использованием в качестве адсорбционного материала
кнопа, модифицированного 5 %-ным раствором азотной кислоты и предложить возможный
способ утилизации отработанного сорбционного материала;
- провести укрупненную оценку предотвращенного экологического ущерба,
полученного при очистке ливневых сточных вод ООО «Завод Техно», г. Заинск
разработанными сорбционными материалами.
Объекты исследования: модельные и ливневые фенолсодержащие сточные воды ООО «Завод Техно», г. Заинск, нативные и модифицированные целлюлозо- и кератинсодержащие природные адсорбционные материалы.
Методы исследования:
- ИК-спектроскопия на ИК Фурье-спектрометре марки «Avatar-360»;
- электронная микроскопия на сканирующем зондовом микроскопе марки «Innova»
(Bruker);
электронная микроскопия на микроскопе Olympus СX31;
флуориметрия на анализаторе марки «Флюорат 02-2М»;
фотоэлектроколориметрия на фотоколориметре марки «КФК-3».
Научная новизна:
- исследована адсорбция фенола из модельных водных растворов с использованием в
качестве адсорбционного материала нативных и модифицированных отходов
сельскохозяйственного (плодовые оболочки зерен пшеницы, овса, ячменя) и валяльно-
войлочного (кноп и угар) производств в статических и динамических условиях;
рассчитаны уравнения, наиболее адекватно описывающие процессы адсорбции, изучены кинетика и термодинамика процессов адсорбции фенола исследуемыми адсорбционными материалами;
определено, что наилучшие адсорбционные свойства по отношению к фенолу проявляет кноп, модифицированный 5 %-ным раствором азотной кислоты.
Теоретическая значимость исследования заключается в выявлении
закономерностей механизмов, термодинамики и кинетики процессов адсорбционной очистки фенолсодержащих сточных вод с использованием отходов сельскохозяйственного и промышленного производства, а также их модификатов, полученных путем обработки поверхности адсорбционных материалов растворами серной, соляной и азотной кислот.
Практическая значимость работы:
- определена эффективность адсорбционной очистки ливневых фенолсодержащих
сточных вод, образующихся на ООО «Завод Техно», г. Заинск, кнопом, модифицированным
5 %-ным раствором азотной кислоты;
- рассчитан предотвращенный экологический ущерб от сброса в водоём
фенолсодержащих ливневых сточных вод за счёт внедрения адсорбционной очистки стоков
кнопом, модифицированным 5 %-ным раствором азотной кислоты, который составил более
269 тыс. руб/год;
- показано, что оптимальным способом утилизации отработанных адсорбционных
материалов является сжигание последних в печах с принципом пульсирующего горения при
температуре выше 550 оС; образуемая зола относится к III классу опасности;
- предложена принципиальная технологическая схема очистки ливневых сточных вод
ООО «Завод Техно», г. Заинск, с использованием в качестве адсорбционного материала
модифицированного кнопа.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модификация плодовых оболочек зерновых культур (пшеницы, овса, ячменя) и отходов валяльно-войлочного производства (кнопа и угара) растворами кислот, позволяет увеличить адсорбционную емкость исследуемых материалов по отношению к фенолу.
-
Процессы адсорбции фенола из водных растворов исследуемыми материалами относятся к процессам физической адсорбции и лимитируются внешней (для плодовых оболочек зерновых культур) и смешанной (для угара и кнопа) диффузией, что подтверждается рассчитанными значениями термодинамических величин и коэффициентов Био.
-
Увеличение адсорбционной ёмкости материалов происходит за счет увеличения площади поверхности материалов, что подтверждается результатами метода атомно-силовой микроскопии.
4. Разработанная принципиальная технологическая схема очистки ливневых
фенолсодержащих сточных вод ООО «Завод Техно», г. Заинск, с использованием в качестве
адсорбционного материала кнопа, модифицированного 5 %-ным раствором азотной кислоты
позволяет достичь степень очистки 99,9 % по фенолу и 91,7 % по формальдегиду.
Личный вклад автора заключается в обсуждении целей и задач диссертации, аналитическом обзоре методов очистки фенолсодержащих сточных вод, проведении экспериментальных работ, обобщении и обсуждении полученных результатов исследований и формулировка основных выводов, а также опубликование результатов исследований по теме диссертации и представление их на конференциях.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность работы обеспечена: применением аттестованных методик,
государственных стандартов; использованием исходных данных, описывающих
технологические процессы, полученных на действующих промышленных предприятиях. Экспериментальные исследования выполнены с использованием средств современного оборудования и средств измерения, методик количественного и качественного химического анализа с применением высокочувствительных экспериментальных методов. Результаты экспериментов получены в результате многократных измерений и последующей обработки с применением методов математической статистики. Воспроизводимость результатов не выходит за пределы допустимых погрешностей и подтверждена промышленными испытаниями.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XIV
Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение»
(г. Казань, 2014 г.); заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы теории и практики медицины, фармации и образования» (г. Пенза, 2015 г.); VI молодежной конференции с международным участием «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (г. Тольятти, 2017 г.); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, студентов и школьников (с международным участием) «Химия. Экология. Урбанистика» (г. Пермь, 2017 г.); V Международной научно-практической конференции EUROPEAN SCIENTIFIC CONFERENCE (г. Пенза, 2017 г.), а также ежегодно на отчетных научных сессиях ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 6 статей, из них 1 статья в журнале из списка Web of Science, 1 статья в журнале из списка SCOPUS и 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, из них 3 по специальности 03.02.08 - Экология.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, насчитывающих 145 библиографических ссылок. Диссертация изложена на 128 страницах, содержит 40 рисунков, 16 таблиц и 1 приложение.