Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 9
1.1 Понятия и теория адсорбции 9
1.2 Сорбционные материалы
1.2.1 Активированные угли 17
1.2.2 Сорбенты на основе природных материалов 22
1.2.3 Сорбционные материалы на основе отходов агропромышленного комплекса 30
1.2.4 Очистка сточных вод с помощью биосорбентов 48
Выводы по главе 52
2 Мониторинг образования отходов по саратову и Саратовской области 53
2.1 Характеристика обращения с отходами по Саратовской области 53
2.2 Обращение с отходами в городах области 56
2.3 Переработка и обезвреживание отходов 58
2.4 Обращение с отходами, систематизированное по видам экономической деятельности 58
Выводы по главе 60
3 Методика эксперимента 61
3.1 Объекты исследования 61
3.1.1 Сырье для получения сорбентов 61
3.1.2 Методика приготовления модельных растворов 61
3.2 Технология получения сорбентов из отходов агропромышленного комплекса 63
3.2.1 Методика модифицирования сорбентов 63
3.2.2 Технология изготовления композиционных материалов с различными связующими 63
3.2.3 Технология изготовления композиционных фильтров 65
3.3 Методики определения физико-химических свойств образцов сорбентов 66
3.4 Приборы и методы исследования 69
3.4.1 Приборы и методы исследования сорбентов 69
3.4.2 Приборы и методы контроля содержания вредных веществ тяжелых металлов и нефтепродуктов в водных растворах 74
3.4.2.1 Инверсионно- вольтамперометрический метод 74
3.4.2.2 Фотометрические методы анализа 77
3.4.2.3 ИК-спектрофотометрические методы анализа 79
3.5 Методика определения токсичности сточных вод 82
Выводы по главе 83
4 Экспериментальная часть 84
4.1 Влияние термообработки на эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов 84
4.2 Сравнительная характеристика модифицированных отходов при сорбции ионов тяжелых металлов из сточных вод 94
4.2.2 Изучение сорбционных свойств материалов 98
4.3 Применение отходов ткацкого производства в качестве сорбентов 104
4.4 Создание композиционных материалов из отходов производства с добавлением связующего компонента 109
4.5 Создание послойного фильтра 112
4.6 Влияние факторов на эффективность очистки сточных вод 115
4.7 Определение токсичности вод методом биотестирова ния 121
Выводы по главе 122
5 Технологическая схема изготовления послойного фильтра, рекомендации по его регенерации и утилизации, экологическое обоснование 124
5.1 Технологическая схема изготовления фильтра 124
5.2 Регенерация и утилизация фильтра 125
5.3 Экономические расчеты стоимости послойного фильтра. 130
Расчет предотвращенного эколого- экономического
ущерба водным ресурсам, загрязненными
нефтепродуктами на примере предприятия ОАО
«СарНПЗ» и ИП Вакуленко «Автомойка» Выводы по главе 139
Общие выводы по работе 140
Библиографический список
- Сорбенты на основе природных материалов
- Переработка и обезвреживание отходов
- Технология получения сорбентов из отходов агропромышленного комплекса
- Сравнительная характеристика модифицированных отходов при сорбции ионов тяжелых металлов из сточных вод
Введение к работе
Актуальность темы. Очистка сточных вод и утилизация отходов являются актуальными экологическими проблемами не только в Российской Федерации, но и в мире. Основными загрязнителями сточных вод (СВ) химической и нефтехимической промышленности являются ионы тяжелых металлов (ИТМ) и нефтепродукты (НП). Тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий и др.) представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. Нефтепродукты, попадая в водоемы, приводят к нарушениям экологического баланса и делают невозможным нормальное функционирование биологических систем.
Для минимизации воздействия на водные объекты химической и нефтехимической отраслей на российском и зарубежном рынках имеется большое разнообразие сорбционных материалов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов. Сорбенты создаются на основе активированных углей, природных материалов, наноматериалов и др. Многие из них являются достаточно эффективными и обладают высокой сорбционной емкостью, однако, зачастую энергетические и материальные затраты на их производство определяют высокую стоимость продукта, что не удовлетворяет требованиям потребителей. Вместе с тем перспективные и экономически выгодные сорбенты представляется возможным изготавливать из вторичного сырья. Данные материалы позволяют решить сразу две проблемы: очистка воды и одновременно утилизация отходов. Однако применение исходных материалов в качестве сорбентов малоэффективно, поэтому работы, направленные на создание новых дешевых и высокосорбционных материалов, полученных при активации отходов, весьма актуальны и имеют большое научное и практическое значение.
В настоящей диссертационной работе исследована возможность использования в качестве сорбционного материала для НП и ИТМ отходов агропромышленного комплекса. Таким образом, в работе комплексно решается экологическая задача: отходы предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, деревообработке, производству хлопчатобумажных тканей переводятся в ранг вторичных материальных ресурсов, что также определяет актуальность работы в экологическом плане.
Целью настоящей работы являлось решение экологических проблем, связанных со снижением негативного воздействия нефте- и металлсодержащих сточных вод химических и нефтехимических предприятий на гидросферные комплексы по результатам разработки и применения ресурсосберегающих перспективных сорбентов на основе активированных целлюлозо- и лигнинсодержащих отходов (ЦЛО) переработки сельскохозяйственной продукции, деревообработки, производства хлопчатобумажных тканей.
В связи с этим в работе решались следующие задачи:
1) провести мониторинг твердых промышленных и сельскохо-зяйственных отходов, образующихся на территории Саратовской области;
2) проанализировать снижение влияния на водные экосистемы ИТМ и НП в составе сточных вод при использовании различных сорбционных материалов, полученных при активации и модификации отходов агропромышленного комплекса;
3) провести оценку токсичности вод до и после очистки СВ послойными фильтрами (ПФ) и изучить влияние внешних факторов: рН среды, температуры раствора, напряженности постоянного магнитного поля на эффективность удаления ИТМ из стоков;
4) разработать технологические рекомендации по созданию ресурсосберегающих сорбционных материалов и дать эколого-экономическое обоснование их разработки и изготовления;
5) предложить способы утилизации отработанных сорбентов и оценить предотвращенный экономический ущерб.
Работа выполнена на кафедре «Экология и охрана окружающей среды» Саратовского государственного технического университета (СГТУ) в соответствии с планом НИР СГТУ по научному направлению: 14 В 03. «Разработка экологосберегающих технологий, способов контроля, очистки и обеззараживания воды, почвы, переработки и утилизации техногенных образований и отходов в товары народного потребления» и в рамках конкурса «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в целях развития общероссийской мобильности в области естественных и гуманитарных наук» (г. Белгород).
Научная новизна работы
Установлено, что максимальное снижение влияния ИТМ и НП в сточных водах химических и нефтехимических предприятий на водные объекты наблюдается в случае применения сорбционных материалов, полученных в результате термической обработки отходов производства хлопчатобумажных тканей (хлопкосодержащего волокна (ХСВ)) и ЦЛО.
Показана возможность снижения токсичности СВ после очистки от ИТМ разработанными послойными фильтрами (ПФ) на основе термо-обработанных ЦЛО и термообработанных ХСВ, обладающих высокими сорбционными свойствами (Анп от 14 до 27 г/г и Аитм от 12 до 14 мг/г).
Установлено, что эффективность очистки СВ от ИТМ и НП послойными фильтрами зависит от состава среднего слоя в фильтре и условий проведения процесса очистки СВ: рН среды, температуры раствора, дополнительной обработки сточных вод магнитным полем и времени выдержки.
Практическая значимость работы
Предложено использование отходов агропромышленного комплекса для минимизации антропогенного воздействия объектов нефтехимических отраслей промышленности на гидросферные комплексы.
Разработаны технологические рекомендации по изготовлению экологически безопасных, ресурсосберегающих сорбционных материалов (послойные фильтры) из активированных отходов агропромышленного комплекса для очистки СВ от ИТМ и НП.
Проведенные эколого-экономические расчеты показали, что стоимость послойного фильтра составляет ~ 29 рублей за кг, срок окупаемости капитальных затрат не превышает 5 лет, ежегодный предотвращенный экономический ущерб водным ресурсам, загрязненным НП, рассчитанный для ОАО «СарНПЗ», составляет 2,3 млн. рублей, а для предприятий Саратовской области, специализирующихся на мойке автотранспорта, – 1,6 млн. рублей.
Разработанные научные положения диссертации апробированы и прошли испытания при очистке поверхностных и сточных вод на ООО «Саратовский нефтеперерабатывающий завод» («СарНПЗ», г. Саратов), ОАО «Арктика», ООО «Хенкель-Рус», ИП Вакуленко «Автомойка», МУП «Канализационно-очистные сооружения» (г. Энгельс); используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Техника защиты окружающей среды», «Основы водоподготовки и водоочистки», «Промышленная экология», в курсовом и дипломном проектировании в СГТУ.
Публикации и апробация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 15 статей, включая 5 статей в журналах по списку ВАК МинРФ и 10 статей в реферируемых сборниках. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 9 международных, российских и региональных научных конференциях и совещаниях. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 168 страницах, содержит 19 таблиц, 68 рисунков и 175 литературных источников.
Сорбенты на основе природных материалов
В настоящее время существует огромный выбор материалов для очистки сточных вод как природного, так и искусственного происхождения, но активированные угли занимают лидирующую позицию среди других сорбционных материалов.
Несмотря на большое разнообразие сорбентов природного и искусственного происхождения, активированный уголь занимает устойчивую позицию. Для сорбции используют гранулированные (ГАУ) и порошкообразные (ПАУ) угли, а также углеродные волокна [17].
Гранулированные активные угли имеют размер частиц 0,07-7 мм и могут самопроизвольно отделиться от воды. В зависимости от размера пор ГАУ используют для извлечения из воды загрязнений с различным размером молекул, грубодисперсных примесей и смесей полидисперсного состава. К порошкообразным активным углям относятся углеродные сорбенты с размером частиц менее 0,07-0,12 мм. Развитая внешняя поверхность позволяет сорбировать макромолекулы белков, красителей, жиров, нефтепродуктов [18]. Применение активных углей позволяет снизить до минимума все привкусы и запахи воды, значительно улучшить технологические показатели обработки воды другими реагентами, а также интенсифицировать обеззараживание в результате сорбции простейших. Для обработки питьевой воды используют в основном древесные активные угли: БАУ, ДАК, ОУ, разрешено применение угля АГ-3 [19,20].
Активированные угли получают карбонизацией твердых органических материалов и окислением образовавшегося угля-сырца кислородом воздуха, водяным паром, оксидом углерода (TV) или другими активирующими реагентами при температуре 700-1000 С. В результате такой активации часть органического материала выгорает, а остаток превращается в уголь, отличающейся развитой пористой структурой и обладающий большой внутренней поверхностью [21,22]. Структура активных углей представляет собой пакеты плоских слоев, образованных конденсированными гексагональными ароматическими кольцами атомов углерода. Размеры их плоскостей находятся в пределах 1-3 нм, т.е. они образованы 13-20 конденсированными гексагональными кольцами атомов углерода. Ориентация отдельных плоскостей в микрокристаллитах углерода довольно часто нарушена, и отдельные слои беспорядочно сдвинуты друг относительно друга, не всегда сохраняя при этом взаимное параллельное расположение, такая структура называется турбостратной.
Вследствие того, что на границах углеродных микрокристаллитов могут находиться углеводородные радикалы или кислородсодержащие функциональные группы расстояние между плоскостями углеродных колец в микрокристаллитах активированного угля колеблется от 0,344 до 0,365 нм. Общая толщина пакета плоскостей, образующих микрокристаллиты АХ составляет 1-1,3 нм, следовательно, каждый микрокристаллит образован всего 3-4 плоскими слоями гексагональных ароматических колец.
Исходные ароматические материалы, после карбонизации прокаливанием при t=850-900 С, состоят из кристаллитов углерода и аморфной части (30-60% от общей массы угля, представляют собой высокоуглеродные радикалы, связанные с атомами углерода призматических граней кристаллитов). Аморфные зоны имеют менее плотную структуру, чем кристаллиты, и размер этих зон приближается к размерам не очень сложных молекул или функциональных групп. Наибольшее количество кислорода, азота и водорода, присутствующие в АУ, входят в состав поверхностных групп. Существует мнение, что кристаллиты и аморфные фракции углерода связаны ковалентно, и в целом АУ представляет собой высокоуглеродный полимер. По другой теории имеются однородные углеродные вещества в виде молекулярно-. дисперсных беспорядочно переплетенных нитей, образованных графитовыми слоями.
В процессе активации угля пары воды и диоксид углерода диффундируют в поры карбонизованного материала и выступают в реакции окисления. При этом прежде всего, окисляется до газообразных продуктов наименее плотная часть материала зоны аморфного углерода и образуются поры молекулярных размеров нерегулярного строения. Вследствие низкой плотности аморфного углерода выгорание относительно небольшой массы приводит к возникновению довольно значительного объема таких пор.
На следующей стадии активации углей частично выгорают плоскости конденсированных ароматических колец в углеродных кристаллитах. При этом образуются щелевидные поры, как между стенками кристаллитов, так и в теле самих кристаллитов. Для характеристики щелевидных пор обычно используют два параметра: ширину поры и радиус круглого основания щелевидной поры.
Благодаря своей структуре активированные угли способны сорбировать как органические соединения, так и неорганические примеси. Сорбция неорганических соединений, и прежде всего тяжелых металлов, целесообразна в низко концентрированных растворах и обусловлена как физической сорбцией, так и хемосорбцией. В общем, физическая сорбция тяжелых металлов в виде комплексов значительно эффективнее, чем в свободном состоянии.
Переработка и обезвреживание отходов
Для модификации сорбентов использовали термическую и химическую активацию. Термическая активация образца проводилась в муфельной печи марки SNOL. Образец помещался в специальную металлическую ячейку, которая ограничивала доступ кислорода, и образец термически обрабатывался при заданной температуре в течение определенного времени.
Для активации образца в соляной кислоте 25 г шелухи пшеницы кипятили в течение 10 мин в 500 мл 0,2 н соляной кислоты, затем промывали дистиллированной водой до отрицательной реакции на хлорид - ионы (по качественной реакции с 10%- ным раствором нитрата серебра). Для отмывки 2,5 г сорбента потребовалось 200 мл воды. Затем сорбент высушивали при температуре ПО С в течение 1 часа. Сорбент становился белым без видимых следов растительных жиров.
При активации в фосфорной кислоте 25 г сорбента пшеница без термообработки погружаются в раствор концентрированной фосфорной кислоты объемом 500 мл на 30 минут. Затем раствор отфильтровывается и промывается дистиллированной водой до нейтральной реакции. На отмывку термообработанного сорбента потребовалось 520 мл воды. Сорбент высушивался и 0,1 г сорбента заливался 10 мл модельного раствора. 1. Пшеница термообработанная массой 5г смешивалась с парафином массой 1 г. Все тщательно перемешивалось и нагревалось на песчаной бане до расплавления полученной массы. Затем снова все перемешивалось, и полученный образец затвердевал в течение суток. 2. Термообработанная пшеница смешивалась с дибутилфталатом в пропорции 3:1. Все перемешивалось и тщательно растиралось. Отверждение проходило в течение 3 дней. 3.Сорбент массой 3 грамма смешивался с карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ) (сухая консистенция) массой 1 г. Сухая, смесь смешивалась с водой 70 С, излишки воды сливались, и полученная масса затвердевала.
В смеситель из загрузочного бункера, через объемный дозатор, загружается концентрированная H2SO4, а затем при работающей мешалке из бункера, через жидкостный расходомер, поступает фенол (предварительно нагретый до Т=60 С). Раствор серной кислоты с фенолом перемешивают 0,5- 0,7 часа, смеситель оснащен рубашкой темперирования для поддержания Т=25-;-300С. Полученная смесь в течение 1,5-К2 часов перемешивается при Т=85- 90С. Полученная парафенолсульфокислота подается в реактор, куда затем при работающей мешалке, через жидкостный расходомер, из бункера подается формалин. Процесс перемешивания протекает в течение 0,5-Н часа, при постоянном охлаждении, температура реакционной смеси не более 4(H45G. В качестве хладагента используется рассол.
Получившуюся конденсированную массу подают в смеситель. Далее полученный пропиточный состав самотеком подается в пропиточную ванну, с рулона с помощью тянущих вальцов поступает волокнистый холст для пропитки; Тянущие вальцы служат для подачи холста. Графит подается в пропиточную ванну из бункера через весовой мерник. Избыток пропиточного состава удаляется с помощью отжимных вальцов.
Пропитанное волокно поступает на резальный станок, где его режут на заготовки нужных размеров.
Нарезанные заготовки укладываются на специально оборудованные автокары, которые при помощи ленточного конвейера поступают в термокамеру для синтеза. Температура процесса Т=45±10С, время т=15мин. Это время необходимо для образования на поверхности и в структуре волокнистого наполнителя олигомеров линейного строения из исходного мономера.
Из термокамеры по окончанию синтеза автокара поступает в термокамеру для сушки, температура Т=60±1С, время т=30мин.
Далее автокара поступает в термокамеру на деполимеризацию, температура Т=115±1С, время отверждения т=24час. Полученный продукт отправляется на дополнительную обработку. Выделяющиеся в ходе процесса вредные вещества поступают на стадию очистки в адсорбер.
Технология получения сорбентов из отходов агропромышленного комплекса
Потенциостат предназначен для поддержания потенциала рабочего электрода по программе, задаваемой микропроцессором, измерения-тока, протекающего через электрохимическую ячейку, и передачи данных персональной ЭВМ. Персональная ЭВМ - компьютер с программой «Polar» и принтером обеспечивает автоматизацию как процедур измерений (от задания условий измерений до регистрации вольтамперограмм), так и полную обработку результатов анализа, формирование протоколов испытаний, создание отчетов и баз данных, вывод необходимой информации на монитор компьютера и принтер.
Отбор и подготовка проб Отбор проб и хранение производят по ГОСТу 51592-2000. При определении концентрации ионов тяжелых металлов вольтамперометрическим методом (ВАМ) предъявляются высокие требования к чистоте посуды, к квалификации реактивов и качеству дистиллированной и бидистиллированнои воды и к вспомогательному оборудованию. Новую и загрязненную посуду обрабатывают хромовой смесью, затем ополаскивают водопроводной и бидистиллированнои водой. Непосредственно перед анализом посуду обрабатывают азотной кислотой с молярной концентрацией 1 М и тщательно ополаскивают бидистиллированнои водой. Качество дистиллированной и бидистиллированнои воды контролируется в соответствии с ГОСТ 6709-72. и ГОСТ Р 52501-2005. Для анализа ВАМ используется отдельный набор посуды.
Для анализа готовят две параллельные пробы объемом 100 см , добавляют (1-2) см3 концентрированной азотной кислоты. Содержимое чашки выпаривают на песчаной бане до «влажных» солей. Затем пробу, упаренную досуха, прокаливают в муфельной печи при температуре не выше 450С в течение 30 мин. В чашку с солями добавляют 1 см3 соляной кислоты (1 М) и 5 см3 раствора фонового электролита. Содержимое чашки переносят через бумажный фильтр в колбу на 25см3 и доводят до метки фоновым электролитом. Одновременно готовят «нулевую» пробу, но вместо анализируемой воды берут бидистиллированную воду.
Регистрацию фонового электролита проводят следующим образом: 20 мл фонового электролита вносят в стеклоугаеродньш тигель. В соответствии с руководством программы «Polar» устанавливают параметры измерений и регистрируют цикл вольтамперограмм". Регистрируют не менее 3-ех вольтамперограмм и усредняют их. Аналогично регистрируют вольтамперограмму пробы. Затем в стеклоуглеродный тигель вносят растворы - добавки соответствующих ионов. Объем добавки подбирают экспериментально, таким образом, чтобы пик увеличился в 1,5-3 раза. Вносят добавки два раза и регистрируют каждый раз по три вольтамперограммы. Введение добавок позволяет определить массовую концентрацию элемента в пробе по площади пика. Компьютеризация метода позволяет автоматически рассчитать концентрацию элемента в пробе.
Метод инверсионной вольтамперометрии позволяет раскрыть концентрации ионов кадмия в диапазоне от 0,0005 мг/дм3 до 1,0 мг/дм3, медь и свинец - от 0,001 до 1,0 мг/дм3, цинка - 0,010 мг/дм3 до 10,0 мг/дм3.
Контроль качества результатов измерений в лаборатории осуществляют по ГОСТ Р ИСО 5725-6-2000, используя контроль стабильности среднеквадратического отклонения повторяемости и показателя правильности. Проверку стабильности осуществляют с применением контрольных карт Шухарта.
Определение концентрации вещества, в анализируемой пробе фотометрическим методом, включает в себя несколько стадий: 1. Растворение пробы и перевод определяемого компонента в окрашенное (светопоглощающее) соединение. 2. Разложение монохроматором света от источника освещения на отдельные спектральные компоненты, направляемые на кювету с определяемым веществом или раствором сравнения. Выбор оптимальных условий фотометрирования (длина волны, толщина кюветы, оптическая плотность). Определение оптической плотности определяемого вещества и стандартных растворов, а затем построение градуировочного графика:
Методы абсорбционной спектроскопии отличаются высокой чувствительностью, избирательностью, а также позволяет проводить измерения в сложных пробах без предварительного разделения сложных смесей. Данный метод находит широкое применение в экологических исследованиях при анализе проб воздуха, воды, отходов [128]. Методика работы на КФК-З-ОІ ІЗОМЗ» Принцип действия фотометра основан на сравнении потока излучения Фо, прошедшего через «холостую пробу» (растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение) и потока излучения Ф, прошедшего через исследуемый раствор. Потоки излучения Фо и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы U0, U и UT (UT - сигнал при неосвещенном фотоприемнике), которые обрабатываются встроенной микро-ЭВМ и представляются на экране в виде оптической плотности. Подготовка пробы к измерению Пробоотбор и подготовка пробы воды производится в соответствии с методикой ПНД Ф14.1:2.48—96 (издание 2004 г) определение меди в сточной воде. Следует соблюдать такие параметры, как длина волны, время экспозиции и размер кюветы
Предварительно строится градуировочный график (зависимость оптической плотности от концентрации раствора по которому определяется концентрация металла в анализируемой пробе). Каждый раз при определении концентрации в пробе готовится «нулевая» проба, которая проводится по всему ходу анализа. Ход работы на фотометре
Очистке кювет уделяют особое внимание, т.к. от этого зависит результат исследования. Кюветы тщательно очищают спиртоэфирной смесью1 и, берут кювету только за ребра. Наливают определяемый раствор в кювету точно до. метки. Ручкой установки длин волн устанавливают необходимую длину волны. Установить,в кюветное отделение кюветы с «холостой пробой» и исследуемым раствором. Выбрать режим оптическая плотность. Ручку перемещения кювет установить вправо до упора. При этом исследуемый раствор попадает в световой пучок. Фотометрирование повторяют три раза. Значение оптической плотности определяют как среднее арифметическое из полученных отсчетов.
Метод основан на зависимости интенсивности поглощения в инфракрасной области спектра СН-связей в метиленовых и метальных группах углеводородов, от концентрации нефтепродуктов. Нефтепродукты извлекают из пробы экстракцией четыреххлористым углеродом, затем экстракт очищают от полярных соединений на хроматографической колонке, заполненной оксидом алюминия. Полученный элгаат замеряют на концентратомере нефтепродуктов КН-2М (рис. 3.5) при длине волны 3,42 мкм в инфракрасной области [129].
Сравнительная характеристика модифицированных отходов при сорбции ионов тяжелых металлов из сточных вод
Для увеличения сорбционной емкости отходов и увеличения площади удельной поверхности предлагается химическая активация сорбентов. Из литературных источников известно, что в качестве активирующих агентов применяется широкий спектр неорганических веществ: фосфорная и серная кислота, хлорид цинка, роданид и. сульфид калия. Такие добавки как металлический натрий и калий, оксиды калия, кальция и натрия, гидрооксиды калия и натрия, карбонат калия, оксид кальция, аммиак, хлорид алюминия и хлорид аммиака. В качестве модификаторов были выбраны соляная (0,2н) и фосфорная кислота (85%). Так как анализ рентгенограмм показал, что состав используемых отходов после термической обработки становится практически идентичным, то дальнейшие исследования проводились на примере шелухи пшеницы и ее модифицированных аналогов:
Сорбент ШП-1 шелуха пшеницы, без модификации. Сорбент представлял собой частицы лузги желтоватого цвета, маслянистые на ощупь с размером порядка 4-5 мм длиной и 1,5- 2,5 мм шириной.
Сорбент ШП-2 - шелуха пшеницы после термической обработки при температуре 300 С в течение 20 мин в специальной форме с ограниченным доступом воздуха. Данные условия термообработки позволяют получить сорбент с более высокими сорбционными свойствами. Сорбент представлял крупнодисперсный порошок черного цвета. Сорбент ШП-3 - шелуха пшеницы активирована в 0,2 н растворе соляной кислоты. « Сорбент ШП-4 - шелуха пшеницы термообработана по условиям для сорбента ШП-2, а затем активирована соляной кислотой по условию для сорбента ШП-3. Сорбент представлял тонкодисперсный порошок черного цвета. Сорбент ШП-5 - шелуха пшеницы, активированная фосфорной кислотой
Анализ полученных данных свидетельствует, что наиболее высокую эффективность очистки по отношению к ИТМ показал сорбент ШП-2, ШП-4 и ШП-6, где присутствовала термообработка [142].
Механизм процесса сорбции предлагаемых сорбентов на основе модифицированной шелухи пшеницы можно объяснить следующим образом: основной состав пшеничной лузги составляют клетчатка и целлюлоза. Целлюлоза - длинноцепной полисахарид, состоящий из гликозидных остатков, связанных между собой эфирными мостиками (1,4 р-глюкозидными мостиками). Элементарные звенья целлюлозы — СбНі0О5 - соединяются в длинные линейные макромолекулы с помощью глюкозидной связи или кислородного мостика -О-. Характерной особенностью целлюлозы является наличие в каждом элементарном звене трех гидроксильных групп -ОН". Функциональная гидроксильная группа способна взаимодействовать с ИТМ, удерживая их в порах и на поверхности сорбента. Следовательно, механизм очистки ИТМ данными сорбентами происходит не только за счет физической сорбции, но и хемосорбции. Макромолекулы полимера взаимодействуют между собой с помощью Ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей, обусловленных наличием гидроксильных групп. После термической обработки происходит окисление и карбонизация полимера, что повышает физическую адсорбцию ИТМ сорбентом ШП-2 в сравнении с сорбентом ШП-1.
Структура молекулы целлюлозы Пшеничная лузга содержит и гидрофобные компоненты: липиды (эфирный экстракт), лигнин и воскообразные вещества, которые обуславливают гидрофобные свойства сорбента ПШ-1 (не обработанная лузга пшеницы), что затрудняет адсорбцию ИТМ из водных растворов. Из-за плохой смачиваемости сорбционного материала, замедляется скорость проникновения раствора вглубь сорбента. После кислотной обработки (сорбент ШП-3), помимо окисления полимера, происходит удаление гидрофобных веществ, что ведет к увеличению пористости и гидрофильности сорбента. При этом увеличивается доступность функциональных групп, что повышает хемосорбцию и способность связывать ИТМ. Поэтому после комплексной термической и кислотной модификации (сорбент ПГП-4) происходит улучшение его адсорбционных и хемосорбционных свойств.
Таким образом, полученные нами данные свидетельствуют о том, что модифицирование шелухи пшеницы приводит к изменению не только поверхности сорбента. Следовательно, механизм очистки ИТМ данными сорбентами происходит не только за счет физической сорбции, но и хемосорбции. Макромолекулы полимера взаимодействуют между собой с помощью Ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей, обусловленных наличием гидроксильных групп. После термической обработки происходит окисление и карбонизация полимера, что повышает физическую адсорбцию ИТМ сорбентом ШП-2 в сравнении с сорбентом ШП-1.
Структура молекулы целлюлозы Пшеничная лузга содержит и гидрофобные компоненты: липиды (эфирный экстракт), лигнин и воскообразные вещества, которые обуславливают гидрофобные свойства сорбента ПШ-1 (не обработанная лузга пшеницы), что затрудняет адсорбцию ИТМ из водных растворов. Из-за плохой смачиваемости сорбционного материала, замедляется скорость проникновения раствора вглубь сорбента. После кислотной обработки (сорбент ШП-3), помимо окисления полимера, происходит удаление гидрофобных веществ, что ведет к увеличению пористости и гидрофильности сорбента. При этом увеличивается доступность функциональных групп, что повышает хемосорбцию и способность связывать ИТМ. Поэтому после комплексной термической и кислотной модификации (сорбент ШП-4) происходит улучшение его адсорбционных и хемосорбционных свойств.
