В настоящее время одной из основных проблем развития цивилизации является глобальная экологическая. Вследствие интенсивного антропогенного воздействия особое место занимает необходимость снижения проникновения отходов в гидросферу [3, с. 111].
Сточные воды текстильного производства содержат такие загрязнители как красители, поверхностно-активные вещества, вредные органические соединения и др. Их очистка является важной задачей инженерной экологии на предприятиях.
Анализируя современное состояние методов очистки сточных вод от красителей, следует отметить их разнообразие, при этом сохраняется актуальность оптимизации существующих и поиск новых методов очистки, а также создание новых высокоэффективных и экономически рациональных технологий обезвреживания сточных вод от красителей [1, с. 763; 2, с. 2]. Перспективным направлением для удешевления процесса сорбционной очистки является использование, с одной стороны, дешёвых, с другой — доступных сорбционных материалов [4, с. 69]. Проводимые в последние годы исследования свидетельствуют о большом внимании, уделяемом использованию техногенных образований и отходов агропромышленного комплекса растительного происхождения [5, с. 329].
Целью данной работы является изучение кинетики сорбции кислотных красителей из водных растворов модифицированными осиновыми древесными опилками, а именно:
— обычный сорбент (о.с.) — древесные опилки с размером частиц 1,2≤l≤3,2 мм, промытые дистиллированной водой;
— измельченный сорбент (и.с.) — древесные опилки с размером частиц 0≤l≤1,2 мм, промытые дистиллированной водой;
— модифицированный сорбент (м.с.) — древесные опилки с размером частиц 1,2≤l≤3,2 мм, обработанные 0,01 н. раствором HCl.
Одноступенчатую статическую сорбцию проводили из модельных водных растворов кислотных красителей (ярко-оранжевый, ярко-синий, зелёный). Концентрация кислотных красителя составляла 0,01 г/л, объём раствора — 0,03 л, масса сорбента — 0,6 г, температура 298 К. Концентрацию водных растворов красителей определяли фотометрическим методом по стандартной методике при максимуме светопоглощения для каждого красителя: для ярко-оранжевого — 395 нм, для зеленого — 615 нм, и ярко-синего — 625 нм. Степень сорбции (S, %) кислотных красителей древесными опилками рассчитывали по формуле
(1)
где: С0— исходная концентрация, г/л;
Ср— равновесная концентрация, г/л.
Эффективность процесса сорбции в некоторой степени определяется её скоростью. Известно, что исследование кинетики сорбции позволяет получить большую информацию о процессе в целом (скорость достижения равновесия, механизм сорбции, сорбционная емкость сорбента, лимитирующая стадия процесса сорбции), поэтому знание механизма и кинетических параметров различных стадий необходимо для установления оптимальных параметров сорбции.
Сорбционная способность является важной характеристикой любого сорбента и имеет как практическое, так и теоретическое значение, поскольку позволяет оценить перспективность и целесообразность его применения при очистке сточных вод. В работе изучена кинетика сорбции кислотных красителей (ярко-синего, ярко-оранжевого и зеленого) модифицированными древесными опилками (обычными и измельченными, а также модифицированными кислотой) из водных растворов. Кинетические кривые сорбции кислотных красителей древесными опилками приведены на рисунке 1.
Согласно рисунку 1, кинетические кривые сорбции при использовании обычного и измельченного сорбента имеют прямолинейный, для модифицированных древесных опилок – более сложный ступенчатый вид. Степень сорбции ярко-оранжевого красителя обычным и измельченным сорбентом медленно возрастает не более чем на 50%. Модифицированные древесные опилки при сорбции кислотного ярко-оранжевого из водных растворов обладает наибольшей сорбционной способностью (S=80%).
Степень сорбции кислотного ярко-синего красителя обычными древесными опилками медленно возрастает от 6-17%, а измельченными — практически не изменяется и не превышает 48%. Наибольшей сорбционной способностью (S=90%), как и для ярко-оранжевого, обладает модифицированный сорбент.
Степень сорбции кислотного зеленого красителя измельченными древесными опилками увеличивается и достигает 62%, для обычного сорбента изменяется незначительно и возрастает до 23%, для модифицированного сорбента является наибольшей — 90%, что подтверждает эффективность сорбции красителей модифицированными древесными опилками из водных растворов.
Критерием определения стадии, лимитирующей скорость поглощения, служит соблюдение прямых зависимостей в координатах -ln(1-F) от t и Гt от t1/2.
Для внешнедиффузионных процессов, когда стадией, которая контролирует скорость всего процесса, является диффузия в неподвижной пленке вокруг зерна сорбента, кинетическая кривая описывается уравнением
(2)
где: t — время, мин;
γ — некоторая постоянная для данных условий величина;
F -степень достижения равновесия, рассчитываемая как F = Гt/Гe;
Гt — количество сорбированного вещества в момент времени t, ммоль/г;
Гe — количество сорбированного вещества в состоянии равновесия, ммоль/г.
С целью подтверждения влияния внешней диффузии, была проведена обработка кинетических кривых и установлена прямолинейность. Зависимости -ln(1-F) от t сорбции кислотных красителей древесными опилками приведены на рисунке 2.
Кинетические кривые сорбции кислотных красителей древесными опилками описываются прямыми в указанных координатах практически на всем этапе сорбции, следовательно, в данных интервалах времени диффузия в пленке раствора вносит вклад в общую скорость процесса. Почти всегда зависимость -ln(1-F) от t не выходит из начала координат, а становится прямолинейной лишь спустя некоторое время после начала эксперимента, что возможно, если процесс сорбции кислотных красителей древесными опилками идёт в смешанно-диффузионном режиме.
Доказательством того, что стадией, лимитирующей сорбционный процесс, является внутренняя диффузия, служит соблюдение прямолинейной зависимости в координатах Гt от t0,5, так как количество сорбированных молекул красителя при диффузионно-контролируемом процессе как функция от времени. Зависимости Гt от t0,5 сорбции кислотного красителя древесными опилками представлены на рисунке 3.
Зависимости Гt от t0,5 при сорбции кислотных красителей древесными опилками представляют собой прямые, которые не выходят из начала координат, и описываются уравнением вида
(3)
где: Гt — количество сорбированного красителя на единицу массы сорбента;
Kd — константа скорости внутренней диффузии, ммоль∙г-1∙мин-0,5, определяют по тангенсу угла наклона зависимости Гt от t0,5 к оси абсцисс.
t — время, мин.
А — отрезок, отсекаемый продолжением прямой зависимости Гt=f(t) на оси ординат.
Кинетические параметры внутренней диффузию в системе «краситель-сорбент» представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Кинетические параметры внутренней диффузии в системе
«краситель-сорбент»
|
Краситель |
Сорбент | А·105 | Kd·103, ммоль∙г-1∙мин-0,5 |
R2 |
|
ярко-оранжевый |
обычный | — | 1,6003 | 0,985 |
| измельченный | 0,25 | 0,2679 | 0,990 | |
| модифицированный | 12,5 | 0,9004 | 0,955 | |
|
ярко-синий |
обычный | — | 0,4663 | 0,985 |
| измельченный | 15 | 0,5774 | 0,99 | |
| модифицированный | 5 | 0,8390 | 0,955 | |
|
зелёный |
обычный | — | 0,4663 | 0,951 |
| измельченный | 12,5 | 0,4663 | 0,969 | |
| модифицированный | 80 | 0,4663 | 0,969 |
Величина А пропорциональна толщине пленки, окружающей зерно сорбента. Согласно формуле (3) становится ясно, что чем больше А, тем больше влияние внешней (пленочной) диффузии на процесс сорбции кислотных красителей. Знак «-» в столбце 3 означает, что величина А имеет отрицательные значения, что хорошо видно по рисунку 3. Вероятно, что при сорбции изучаемых кислотных красителей древесными опилками с размером частиц 1,2≤l≤3,2 мм вклад в общую скорость процесса внешней диффузии минимален. Влияние внешней диффузии на процесс сорбции кислотных красителей модифицированными древесными опилками больше, чем для других сорбентов.
Внутренняя диффузия наибольший вклад вносит при сорбции ярко-оранжевого красителя обычным сорбентом. Для красителя кислотного ярко-синего внутренняя диффузия преобладает для модифицированного сорбента. Для кислотного зелёного вклад внутренней диффузии не зависит от способа модификации древесных опилок.
Прямые зависимости Гt от t0,5 имеют достаточно высокую величину доверительной аппроксимации R 2 = 0,951-0,990, что надежность проведенной обработки результатов.
Учитывая данные, полученные при обработке кинетические кривые в координатах -ln(1-F) от t и Гt от t0,5, можно сделать вывод, что в целом процесс сорбции идёт в смешанно-диффузионном режиме: обе стадии (внутренняя и внешняя диффузия) оказывают влияние на скорость суммарного процесса. Используя формально-кинетический анализ, изучена кинетики сорбции модифицированными древесными опилками кислотных красителей из водных растворов. Установлен механизм их взаимодействия с учетом вклада диффузионных процессов.
Таким образом, использование отходы производства лесной промышленности — древесных осиновых опилок, подвергшихся модификации является эффективным способом очистки сточных вод от кислотных красителей.
Список литературы:
1 Беляев Е.Ю., Беляева Л.Е. Использование растительного сырья в решении проблем защиты окружающей среды // Химия в интересах устойчивого развития. — 2000. -№8. — С. 763-772.
2 Багровская Н.А., Никифоров Т.Е., Козлов В.А. и Лилин С.А Сорбционные свойства модифицированных древесных опилок // Химия в интересах устойчивого развития. — 2006. №14 (1). — С. 1-7.
3 Евлантьев С. С., Войтюк А. А., Сахарова Н. А. Исследование методов очистки сточных вод текстильного производства от красителей // Научный потенциал регионов на службу модернизации. — 2012. — № 2 (3). — С 111-113.
4 Сазонова А.В. Адсорбция кислотных красителей природными карбонатными породами // Известия ЮЗГУ. Серия физика и химия. — 2014. — №1. — С. 69-74.
5 Niyazi F.F., Maltseva V.S., Sazonova A.V. Natural polymer sorbents for wastewater purification from industrial dyes // Kinetics, catalysis and mechanism of chemical reactions. From pure to applied science: Nova Science Publishers. New York. — 2012. — P. 327-333.[schema type=»book» name=»СОРБЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ КРАСИТЕЛЕЙ МОДИФИЦИРОВАННЫМИ ДРЕВЕСНЫМИ ОПИЛКАМИ » author=»Сазонова Анна Владимировна, Сотникова Евгения Юрьевна, Билибенко Наталья Михайловна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]