Использование железомарганцевых конкреций для очистки сточных вод предприятий минерально-сырьевого комплекса от фенолов

Использование железомарганцевых конкреций для очистки сточных вод предприятий минерально-сырьевого комплекса от фенолов

1 2 3

Сулимова М. А. , Литвинова Т. Е. , Луцкий Д. С.

2Сулимова Мария Алексеевна / Sulimova Maria Alekseevna - инженер-лаборант, учебно-научная лаборатория теоретической и прикладной химии;

2Литвинова Татьяна Евгеньевна /Litvinova Tatiana Evgenyevna - доктор технических наук, доцент;

3Луцкий Денис Сергеевич /Lutskyi Denis Sergeevich - кандидат технических наук, доцент, кафедра общей и физической химии,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: приведен способ использования железомарганцевых конкреций в качестве сорбента для очистки сточных вод от фенолов. Приведены результаты исследования железомарганцевых конкреций нанотомографом. Установлено, что ЖМК могут использоваться в качестве сорбента для сточных вод. Ключевые слова: фенолы, ЖМК, сорбция, кинетика, железо, марганец, сточные воды.

В сточных водах коксохимического производства, металлургического, а также некоторых химических производств, загрязняющими веществами являются роданиды, фенолы, азотосодержащие соединения, цианиды, ароматические и другие органические вещества. Большинство из этих веществ затрудняют вовлечение сточных вод в оборотный цикл производства. Наиболее опасными соединениями являются фенолы и цианиды, относящиеся к четвертому и ко второму классам опасности соответственно.

В стоках промышленных предприятий содержание фенолов достигает в некоторых случаях десятков и сотен микрограммов в 1 литре. При очистке стоков фенол окисляют до гидрохинона или п-бензохинона, ПДК которых составляет 0,2 мг/л.

Фенол содержится в сточных водах коксохимических, гальванических, и нефтехимических производств. Наиболее распространенные концентрации фенолов для стоков нефтеперерабатывающих заводов менее 50 мг/л-1 для дистилляции, от 50 до 500 мг/л-1 для каталитического крекинга и висбрекинга и более 500 мг/л-1 в щелочных растворах, для стоков коксохимических производств при процессах конверсии угля от 200 до 500 мг/л [1, 2].

Наиболее широко используемыми при очистке фенольных сточных вод и экономически альтернативными в силу своей невысокой себестоимости являются такие процессы, как использование биореакторов [3, 4]. Биологические методы применимы для промежуточных концентраций в пределах от 5 до 500 мг/л [5, 6]. Таким образом, необходим предварительный этап очистки сточных вод при использовании биохимических методов [7]. Для предварительной очистки сточных вод от фенолов используют электрокаталитическое окисление с марганецсодержащим катализатором (пиролюзит) [8].

Одним из наиболее эффективных способов очистки промышленных стоков является адсорбция активированным углем [9, 10]. Являясь наиболее часто используемым адсорбентом, использование гранулированного активированного угля остается достаточно дорогим, не только из-за его рыночной цены, но и из-за стоимости его регенерации [11].

Применение природных сорбционных материалов перспективно в силу их низкой стоимости, однако ограничено их невысокой емкостью по отношению к органическим загрязнителям.

Повсеместное распространение фенолов, их токсичность даже в следовых концентрациях и строгие экологические нормы делают необходимым разрабатывать новые сорбенты для удаления фенолов из сточных вод.

Для обеспечения необходимой степени очистки сточных вод от фенолов и цианидов, а также продуктов их окисления, сорбент должен обладать следующими свойствами:

1) высокоразвитой поверхностью;

2) окислительной способностью для преобразования фенолов в менее опасные соединения;

3) высоким сродством к фенолам и продуктам их окисления для возможной реализации их сорбции.

Большинству вышеприведенных требований отвечают железомарганцевые конкреции (ЖМК). ЖМК

являются основной фракцией железомарганцевых образований (ЖМО) мирового океана и представляют собой донные минеральные ассоциации оксид железа (III) и оксид марганца (IV). Железомарганцевые конкреции по их сорбционным характеристикам по отношению, например, к активированным углям или цеолитовым глинам оказываются перспективным сорбентом для очистки сточных вод от фенолов. Железомарганцевые конкреции финского залива можно использовать в качестве марганецсодержащего окислителя. Содержания пиролюзита в составе ЖМК дает возможность вести процесс при низких температурах (303-343 К), но с высокой скоростью окисления [13]. Объем ресурсов российской части Финского залива составляет порядка 11 млн. т. [12].

Методика эксперимента

В качестве сорбента с окислительной функцией были использованы железомарганцевые конкреции Финского залива. Поверхность ЖМК изучена методом рентгеновской нанотомографии, которая позволяет сканировать и создавать 3D модели образцов без разрушения внутренней микроструктуры объектов.

Фазовый состав образцов ЖМК определен методами комбинационного рассеяния и термического анализа. Удельная поверхность сорбента была определена по сорбции метиленового голубого (МГ) из водного раствора [14], т. к. размеры молекул МГ и фенола близки. Сорбция фенолов на ЖМК изучена в статических и динамических условиях. Содержание фенола выполнено методом спектрофотометрии по поглощению в ультрафиолетовой области спектра при длине волны 235 нм [15] и методом люминесцентного анализа. Контроль неорганических составляющих в водном растворе после сорбции (анализ марганца и железа) выполнен методом ренгено-флуоресцентного спектрального анализа. Этот же метод использован для установления элементного состава образцов ЖМК.

Результаты эксперимента и обсуждение

Основной элементный состав образца ЖМК Финского залива, полученный методом рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного анализа, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав конкреций Финского залива

Компонент Средняя массовая доля, %

Mn 44,5

Fe 43,2

Р 1,52

Al 1,7

S 1,18

Ca 2,57

Sr 1,32

Cl2 0,85

K 1,73

Zn 0,19

Ni 0,14

Состав и структура ЖМК финского залива отличаются по составу и структуре от океанических конкреций, в частности тем, что соединения марганца (IV) в ЖМК финского залива находятся в аморфном и полуаморфном состояниях (рис. 1).

Рис. 1. Морфология внешней и внутренней поверхностей пор ЖМК. Внутренняя часть гранулы более рыхлая, по сравнению с поверхностью образца

Таблица 2. Данные анализа образца ЖМК, полученные в результате томографии

Наименование Количество

Объем удельной поверхности 3116 ммУг

Количество закрытых пор 46564 шт.

Удельный объем закрытых пор 3,2 мм3/г

Удельная поверхность закрытых пор 345,9 мм2/г

Закрытая пористость 0,64 %

Удельный объем открытой пористости 2620,5 мм3 /г

Пористость открытая 84,11 %

Общий удельный объем порового пространства 2623,7 мм3/г

Общая пористость 84,21 %

Наличие развитой площади поверхности, высокая поверхностная активность, большое количество активных центров свидетельствуют о высокой сорбционной способности ЖМК. Наличие MnO2 в ЖМК невелико в сравнении с другими марганецсодержащими сорбентами как природными, так и синтетическими, однако благодаря наличию MnO2 в аморфной форме, возрастает окислительная способность конкреций.

При взаимодействии с оксидом марганца (IV) фенол окисляется преимущественно до гидрохинона (90 %) и частично до п-бензохинона (10 %) [16].

Кинетика окисления фенола на поверхности ЖМК исследована при температуре от 293 до 353 К при рН водной фазы 5,5±0,5. Экспериментальные зависимости концентрации фенола от времени приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость концентрации фенола от времени

Экспериментальные зависимости аппроксимируются кинетическим уравнением второго порядка (рис. 2). При сорбции фенола на поверхности ЖМК происходит его окисление, протекающее за счет наличия в составе ЖМК оксида марганца (IV). Лимитирующей стадией окисления фенола является поверхностно-химическая реакция [16].

Суммарное уравнение реакции с учетом предварительного гидролиза поверхности и диссоциации манганиольных групп:

MnO2 + 2 С6Н5ОН + Н2О = MnO + 2НО—С6Н5—ОН + 2Н+аф

Катионы марганца (II) в раствор не переходят. Они остаются на поверхности твердой фазы и в дальнейшем окисляются растворенным кислородом до MnO2. В отличие от процесса окисления на MnO2 [17], энергия активации окисления фенола на поверхности ЖМК имеет более низкое значение. Понижение энергии активации от 42,0 до 17,48 кДж/моль может объясняться каталитическим действием оксида Fe2O3.

Получена изотерма сорбции фенола на поверхности железо-марганцевых конкреций, показанная на рис. 3 (а).

Рис. 3а. Изотерма орбции фенола на поверхности ЖМК

Рисунок 3б. Линейная форма уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра

Сорбция фенола на поверхности ЖМК описывается линейной формой уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра (рис. 1б):

1/Г = 0,016/С + 0,007,

из которого получены значение константы равновесия сорбции, равное 0,44, и величина предельной адсорбции, равная 142,86 моль/кг.

Полная емкость, определенная в динамических условиях, является важнейшим показателем эффективности сорбента в процессе очистки сточных вод от загрязнителей. Результаты эксперимента по определению ДОЕ и ПДОЕ представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Определение динамической обменной емкости до проскока и полной динамической обменной емкости

ДОЕ 0,2408 моль/кг

ПДОЕ 0,2298 моль/кг

Заключение

ЖМК обладают высокой удельной поверхностью, развитой пористой структурой, большим количеством активных центров, а также высокой поверхностной активностью. Эти свойства необходимы для дальнейшего их использования в целях очистки сточных вод от цианидов и фенолов. Можно заключить, что ЖМК можно рекомендовать к использованию в качестве окислителя фенола и цианидов в нейтральной и слабощелочной средах.

Литература

1. Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). Reference document on best available techniques for mineral oil and gas refineries. Seville, Spain, European Commission, Directorate general-JRC. Joint Research Centre, 2001.

2. Singer P. C. and Yu. Yen Chen Active Carbon-Adsorption of Organics Phase, Vol. 1., I. H. Suffet and M. J. McGuire, eds., Ann Arbor Science, Michigan, 1980, p 167.

3. Veeresh G. S., Kumar P., Mehrota L. Treatment of phenol and cresols in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) process: a review, Water. Res. 39 (2005) 154.

4. Limbergen, H. V., Verstraete E. M. T. W. Bioaugmentation in activated sludge: current features and future perspectives, Appl. Microbiol. Biotechnol. 50 (1998) 16.

5. Patterson, J. W., Treatment Technology for Phenols in Wastewater Treatment Technology, Ann Arbor Science Publishers, Ann Arbor, MI, 1975, предпочтительно не более чем 300 мг/л.

6. Design code for treatment of phenol-containing wastewater in coking plant and gas plant, China committee for engineering construction standardization, 1988.

7. Yang C., Qian Y., Zhang L., Feng J. Solvent extraction process development and on-site trial-plant for phenol removal from industrial coal-gasification wastewater, Chem. Eng. J. 117 (2006).

8. Патент RU № 2058265, опубл. 1996.04.20.

9. Metcalf L., Eddy H. Wastewater Engineering-Treatment and Reuse, fourth ed., McGraw-Hill International Edition, USA, 2004.

10. Ayg un, A., Yenisoy-Karakas S., Duman I. Production of granular activated carbon from fruit stones and nutshells and evaluation of their physical, chemical and adsorption properties, Microporous Mesoporous Mater. 66 (2003), 189-195.

11. Garcia-Mendieta A., Solache-R'ios M., Olgu'in M. T. Comparison of phenol and 4-chlorophenol adsorption in activated carbon with different physical properties, Sep. Sci. Technol. 38 (2003) 2549-2564.

12. Рогов В. С., Мотов А. П., Никольская Н. С. и др. Поиски, оценка и добыча железомарганцевых конкреций Финского залива. Полезные ископаемые континентальных шельфов. Санкт Петербург, ВНИИ Океанология, 2005. — С. 64-66.

13. Челищев Н. Ф., Грибанов Н. К., Новиков Г. В. Сорбционные свойства океанических железомарганцевых конкреций и корок. - М.: Недра, 1992. - С. 21, 317 с.

14. Климов Е. С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод / Е. С. Климов, М. В. Бузаева. -Ульяновск: УлГТУ, 2011. - 201 с.

15. Лурье Ю. Ю., Рыбникова А. И. Химический анализ производственных сточных вод / Изд. 4-е. М.: Химия. 1974. С. 271.

16. Суханов П. Т., Коренман Я. И. Концентрирование и определение фенолов / Воронеж: изд. Воронеж. Гос. Технол. Акад. 2005. 260 с

17. Chirkst D. E., Cheremisina O. V., Sulimova M. A. Kinetics of oxidation of phenol with manganese dioxide. // Russian Journal of General Chemistry_2011. V. 81. Issue 4. P. 704-709.

18. Cheremisina O. V., Chirkst D. E., Sulimova M. A. Kinetics of phenol oxidation with iron-manganese concretions // Russian Journal of General Chemistry. 2012. V. 82. Issue 4. P. 685-692.