Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение экономически эффективного и экологически безопасного водопользования, защита водных ресурсов от истощения, загрязнения и деградации - одна из наиболее важных задач современности. В настоящее время наблюдается высокий уровень загрязнения водных ресурсов Кузбасса, обусловленный хозяйственной деятельностью.
Река Томь - основная водная магистраль Кузбасса. Ее водопотре- бителями являются 37 предприятий городов (Кемерово, Новокузнецк, Междуреченск, Ленинск-Кузнецкий, Мыски, Юрга) и районов.
На территории Кемеровской области ежегодно сброс загрязненных промышленных вод составляет 680-700 млн.м3, при этом 400-450 млн.м3 из них сбрасывается в водоемы без очистки.
Особую опасность для водных объектов представляют стоки предприятий химической, коксохимической, химико- фармацевтической промышленности, содержащих преимущественно токсичные органические вещества, в том числе фенол и пиридин.
Загрязняющие компоненты сточных вод изменяют химический состав и снижают качество воды, негативно влияют на природные экосистемы, неблагоприятно воздействуют на организм человека. Пиридин и фенол токсичны: влияют на центральную нервную систему, пищеварительный тракт, печень, почки.
Для решения проблемы защиты водных ресурсов необходимо исключить сброс сточных вод и уменьшить забор свежей воды за счет создания экологически безопасных производств с замкнутыми водо- оборотными циклами и утилизацией опасных компонентов.
В связи с этим исследование, направленное на разработку адсорбционной технологии очистки сточных вод от фенола, пиридина и наиболее сложного варианта - сточных вод коксохимического производства, содержащие фенол, пиридин, аммиак, роданиды является актуальным.
Цель работы: разработка адсорбционной технологии очистки малоконцентрированных органоминеральных сточных вод, обеспечивающей защиту водных объектов и ресурсосбережение.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ состояния водно-ресурсного потенциала Кемеровской области;
изучить адсорбцию пиридина и фенола из индивидуальных растворов и их смеси, а также в присутствии минеральных компонентов;
установить механизмы адсорбционного взаимодействия исследуемых органических веществ с активным углем из индивидуальных водных и органо-минеральных растворов;
исследовать кинетику процесса адсорбции смеси органических веществ из водно-солевых растворов на угольном сорбенте; определить лимитирующую стадию массопереноса;
изучить динамику адсорбции и подтвердить возможность использования фундаментальных уравнений адсорбции для моделирования процесса непрерывной очистки;
-провести оптимизацию параметров сорбционного фильтра и режимов очистки на основе модели слоя равновесной адсорбции;
-предложить способы регенерации отработанных сорбентов, позволяющие осуществлять многократное их использование без снижения адсорбционных свойств;
-на основе результатов исследований разработать адсорбционную технологию очистки сточных вод коксохимических предприятий, обеспечивающую защиту водных ресурсов и ресурсосбережение.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования равновесия, кинетики, динамики адсорбции органических веществ из индивидуальных растворов и орга- но-минеральных смесей промышленным активным углем марки СКД-515;
теоретическое обоснование механизма адсорбционного взаимодействия пиридина и фенола в присутствии солей с поверхностью активного угля;
способы повышения адсорбционной емкости методами реа- гентного модифицирования;
возможность оптимизации параметров адсорбционного фильтра и режима очистки органоминеральных сточных вод коксохимического производства путем математического моделирования;
адсорбционная технология очистки органоминеральных сточных вод от фенола и пиридина, обеспечивающая защиту водных объектов от загрязнения токсичными веществами, сохранение качества воды и ресурсосбережение.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые установлены закономерности и особенности адсорбции пиридина и фенола из органо-минерального раствора активным углём;
установлены особенности механизма адсорбции смеси на активных углях;
выявлено, что механизм адсорбции пиридина, фенола и их смеси из органо-минеральных растворов носит конкурентный характер и определяется, в основном, физической адсорбцией, обусловленной неспецифическим и специфическим взаимодействиями органических компонентов с поверхностью активного угля. Неспецифическое взаимодействие характерно для фенола, тогда как пиридин адсорбируется преимущественно за счёт специфического взаимодействия с кислородсодержащими поверхностными группами адсорбента;
выявлено, что предельная адсорбционная емкость активного угля марки СКД-515 по отношению к органическим компонентам при адсорбции из индивидуальных растворов различного минерального состава изменяется в ряду:
для пиридина - NH4Cl + KSCN > NH4Cl > KSCN >H2O,
для фенола - H2O > KSCN > NH4Cl + KSCN > NH4Cl,
что обусловлено различным влиянием минеральной составляющей раствора на структуру водных ассоциатов;
разработаны способы повышения адсорбционной способности по пиридину и фенолу путём химического модифицирования с учётом свойств сорбента;
разработана технология адсорбционной очистки органомине- ральных сточных вод коксохимических предприятий активными углями;
предложен эффективный способ регенерации активного угля потоком воздуха при 300С в течение 4 часов.
Методы исследования. В работе использовались следующие методы анализа: фотоколориметрия, порометрия, потенциометрия, термографический анализ и спектроскопия - в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частях спектра.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждаются использованием современных методов анализа, аттестованных метрологической службой измерительных приборов, применением фундаментальных уравнений, описывающих сорбционные процессы.
Практическая значимость:
разработана адсорбционная технология очистки водных растворов, содержащих пиридин, фенол, ионы аммония, роданида, которая может быть использована для очистки сточных вод коксохимического производства, а также химической и фармацевтической промышленности;
предложены способы регенерации отработанных сорбентов, обеспечивающие их многократное использование;
Реализация результатов работы:
адсорбционная технология очистки от фенолов внедрена на предприятии МУП ЖКХ п.г.т. Белогорск;
результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах: физической и коллоидной химии, аналитической химии и экологии.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2005-2008, 2010, 2011); Международном конгрессе «ЭКВАТЕК - 2006. Вода: экология и технология» (Москва, 2006); III Международной научно- практической конференции «Технологии очистки воды. Техновод- 2006» (Кисловодск, 2006); VII Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2007); Международной научно-практической конференции "Современное состояние и перспективы развития науки, образования в центральном Казахстане" (РК, Караганда, 2008); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования "III тысячелетие - новый мир" (Москва, 2008); Международной научно-практической конференции "Инженерные системы - 2009" (Москва, 2009); Международной научно-практической конференции "Чистая вода" (Кемерово, 2009); VII Международной научно-практической конференции "Наука и её роль в современном мире" (Караганды, 2010), Международной научно- практической конференции (Прага, 2011); II Международной Казах- стано-Российской конференции "Химия и химическая технология" (Караганды, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 31 научная работа, в том числе: 1 монография и 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), экспериментальной части (главы 2-4), выводов, списка литературы, включающего 139 библиографических ссылок и приложений. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 58 рисунков.
