Очистка модельных сточных вод, содержащих фенол и формальдегид, отходами валяльно-войлочного производства в режиме динамической адсорбции

Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №21 УДК 628.316.13: 547.562

Р. З. Галимова, И. Г. Шайхиев, А. С. Гречина ОЧИСТКА МОДЕЛЬНЫХ СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ ФЕНОЛ И ФОРМАЛЬДЕГИД, ОТХОДАМИ ВАЛЯЛЬНО-ВОЙЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В РЕЖИМЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ АДСОРБЦИИ

Ключевые слова: фенол, формальдегид, отходы переработки шерсти, сорбция.

Исследована сорбция формальдегида и фенола в динамических условиях с использованием в качестве сорбционных материалов отходов валяльно-войлочного производства - «кнопа» и «угара». Последние подвергались обработке 5 %-ными растворами минеральных кислот (H2SO4, HNO3 и HCl). Определено, что кноп, модифицированный 5 %-ным раствором азотной кислоты проявляет наилучшие сорбционные показатели по отношению к фенолу, в то время как, кноп, модифицированный 5 %-ным раствором соляной кислоты одинаково хорошо поглощает и фенол и формальдегид.

Key words: phenol, formaldehyde, wool processing waste, sorption.

The sorption offormaldehyde and phenol using felt industry wastes such as flock and loss in yarn as sorption materials was studied under dynamic conditions. The latter were treated with 5 % solutions of mineral acids (H2SO4, HNO3 and HCl). It is determined that flock modified with 5 % nitric acid solution exhibits the best sorption characteristics to phenol, whereas flock modified with 5% solution of hydrochloric acid absorbs phenol and formaldehyde equally well.

Фенол и формальдегид являются одними из наиболее токсичных органических поллютантов, попадающих в поверхностные воды со стоками химических, нефтехимических, фармацевтических и других производств [1]. Наиболее эффективными являются адсорбционные методы очистки сточных вод [2].

С целью удешевления процесса адсорбционной очистки сточных вод активно развивается новое направление - создания дешевых и доступных сорбционных материалов на основе отходов производств [3]. В качестве последних, для адсорбционной очистки фенолсодержащих сточных вод хорошо зарекомендовали себя отходы валяльно-войлочного производства [4]. Следует отметить, что отходы от переработки шерсти являются хорошими сорбционными материалами по отношению к ионам тяжелых металлов [5-8], красителям [9, 10], нефти и маслам[11-14].

Ранее в работах [15-17] изучены сорбционные свойства нативных и модифицированных кератинсодержащих материалов по отношению к фенолу в режимах статической и динамической адсорбции. Однако реальные сточные воды являются многокомпонентными, то есть содержащими большое разнообразие различных растворенных и взвешенных веществ, наличие которых может влиять на степень очистки от фенола [18].

В качестве реальных сточных вод рассмотрены ливневые сточные воды, образующиеся на производстве строительных теплоизолирующих материалов, характеристика которых представлена в таблице 1.

Как видно из таблицы, основными токсикантами, содержащимися в данных сточных водах является фенол и формальдегид, которые образуются, по всей видимости, в результате гидролиза фенол-формальдегидных смол, применяемых в основном производстве в качестве связующего.

Таблица 1 - Состав ливневых сточных вод производства строительных теплоизолирующих материалов

Определяемые показатели Содержание в сточных водах ПДКрх.

рН 8,82 6,5-8,5

Взвешенные вещества, мг/дм3 0,15 10

Фенол, мг/дм3 0,5 0,001

Формальдегид, мг/дм3 1,0 0,1

Хлорид-ионы, мг/дм3 55,9 300

Сульфат-ионы, мг/дм3 47,9 100

Нитрат-ионы, мг/дм3 37,8 40

Аммоний-ионы, мг/дм3 20,2 0,5

На основании рассмотренного, изучены сорбционные свойства нативных и модифицированных кератинсодержащих отдохов валяльно-войлочного производства (угара и кнопа) по отношению к фенолу и формальдегиду в режиме динамической адсорбции на модельных сточных водах - водном растворе фенола и формальдегида с начальными концентрациями 0,5 мг/дм3 и 1,0 мг/дм3, соответственно.

Режим динамической адсорбции осуществлялся с использованием проточного адсорбера объемом 250 дм3, высотой слоя адсорбента 20 см и диаметром колонны 13 см. При этом, сорбционный материал помещался в колонну до полного заполнения, с уплотнением материала с помощью постукивания колонны о деревянный диск. При таком заполнении масса сорбционного материала в колонне составляла 20 - 25 г.

Значения остаточных концентраций фенола и формальдегида при пропускании различных объемов модельных растворов сточных вод через слой адсорбентов на основе отходов валяльно-

войлочного производства (угара и кнопа) представлены на рисунках 1-4.

Рис. 1 - Значения остаточных концентраций фенола при пропускании различных объемов модельных растворов сточных вод через слой: 1 - нативного угара и угара, модифицированного 5 %-ными растворами: 2 - H2SO4, 3 - HCl, 4 -HNO3

Рис. 2 - Значения остаточных концентраций формальдегида при пропускании различных объемов модельных растворов сточных вод через слой: 1 - нативного угара, и угара, модифицированного 5 %-ными растворами: 2 -H2SO4, 3 - HCl, 4 - HNO3

По данным рисунков 1-4 видно, что при очистке модельной сточной воды, содержащей фенол и формальдегид, концентрация остаточного фенола в растворе после пропускания 1 дм3 раствора через слой адсорбента остается в пределах ПДКр.х. только при использовании в качестве сорбционного материала кнопа, модифицированного 5 %-ным раствором азотной кислоты. В тоже время, концентрация остаточного формальдегида в растворе остается в пределах ПДКр.х. при использовании в качестве сорбционного материала угара, модифицированного 5 %-ным раствором серной и соляной кислот, а также кнопа, модифицированного 5 %-ными растворами серной и соляной кислот.

Рис. 3 - Значения остаточных концентраций фенола при пропускании различных объемов модельных растворов сточных вод через слой: 1 - нативного кнопа, и кнопа модифицированного 5 %-ными растворами: 2 -H2SO4, 3 - HCl, 4 - HNO3

Рис. 4 - Значения остаточных концентраций формальдегида при пропускании различных объемов модельных растворов сточных вод через слой: 1 -нативного кнопа, и кнопа модифицированного 5 %-ными растворами: 2 - H2SO4, 3 - HCl, 4 - HNO3

Для оценки влияния содержания формальдегида в растворе на сорбционные свойства исследуемых материалов, полученные данные сопоставлялись с ранее полученными данными по адсорбции фенола из модельных водных растворов в режиме динамической адсорбции с аналогичными начальными концентрациями фенола в растворе нативными и модифицированными

кератинсодержащими отходами валяльно-войлочного производства (угаром и кнопом). В результате установлено, что наличие формальдегида в сточных водах практически не влияет на адсорбцию фенола исследуемыми материалами.

Оценка эффективности адсорбции в динамическом режиме определялась по степени извлечения фенола и формальдегида (R, %) (формула 1):

где R - степень извлечения (%), С - начальная концентрация фенола/формальдегида в растворе (ммоль/дм3), Се - равновесная концентрация фенола/формальдегида в растворе (ммоль/дм3).

Расчет необходимой степени очистки модельной сточной воды для достижения ПДКрх. фенола и формальдегида показал, что по фенолу степень очистки должна быть не менее 99,8 %, по формальдегиду - не менее 90,0 %.

Таблица 2 - Значения степеней извлечения фенола и формальдегида при пропускании 1 дм3 модельных растворов сточных вод через слой сорбционного материала

Сорбционный материал Степень извлечения R, %

Фенол Формальдегид

Угар-нативный 86,4 67,0

Угар-И2804 95,6 91,0

Угар-HCl 74,8 96,3

Угар-ИШ3 88,6 88,0

Кно п-нативный 83,6 76,0

Кноп-И2804 91,6 93,0

Кноп-HCl 97,4 97,4

Кноп-нда3 100 86,0

По данным таблицы 2 видно, что кноп, модифицированный 5 %-ным раствором азотной кислоты, проявляет наилучшие сорбционные свойства по отношению к фенолу, в то время как, кноп, модифицированный 5 %-ным раствором соляной кислоты одинаково хорошо поглощает и фенол и формальдегид.

Литература

1. A.O. Eremina, V.V. Golovina, M.L. Shchipko, E.V. Burmakina, Russian Journal of Applied Chemistry, 73, 2, 266-268 (2000).

2. B. Subramanyam, A. Das, Desalination, 249, 3, 914-921 (2009).

3. T.R. Denisova, G.V. Mavrin, R.Z. Galimova, I.G. Shaikhiev, Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 7, 5, 1765-1771 (2016).

4. Р.З. Галимова, И.Г. Шайхиев, сборник статей V Международной научно-практической конференции «European Scientific Conference»: в 3 частях, 2017. часть

1. С. 57-60.

5. И.Г. Шайхиев, дисс... докт. техн. наук, Казань, КГТУ, 2011. 357 с.

6. И.Г. Шайхиев, Г.Р. Нагимуллина, Р.Х. Низамов, Все материалы. Энциклопедический справочник, 7, 19-27 (2008).

7. A.A. El-Sayed, M. Salama, A.A.M. Kantouch, Desalination and Water Treatment, 56, 4, 1010-1019

(2015).

8. M.S. Masri, M. Friedman, Advances in Experimental Medicine and Biology, 48, 551-587 (1975).

9. Y.J. Kim, K. Kono, T. Takagishi, Textile Research Journal, 61, 8, 476-482 (1991). '

10. Y.J. Kim, K. Kono, T. Takagishi, Textile Research Journal, 62, 5, 275-278 (1992).

11. V. Rajakovic, G. Aleksic, M. Radetic, Lj. Rajakovic, Journal of Hazardous Materials, 143, 1-2, 494-499 (2007).

12. H. Fattahi, M. Koselou, Y.M. Oskoei, Polymerization, 6,

2, 15-28 (2016).

13. И.Г. Шайхиев, Р.Х. Низамов, С.В. Степанова, Экспозиция. Нефть. Газ, 4, 11-14 (2010).

14. И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И.Г. Гафаров, Вестник Казанского технологического университета, 15, 4, 126-128 (2012).

15. Р.З. Галимова, И.Г. Шайхиев, Г.А. Алмазова, Вестник технологического университета, 19, 14, 169-171 (2016).

16. Р.З. Галимова, И.Г. Шайхиев, Г.А. Алмазова, С.В. Свергузова, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 10, 179-184

(2016).

17. Р.З. Галимова, Е.Ю. Костина, Г.А. Алмазова, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 20, 12, 147-151 (2017).

18. Б.Б. Дамаскин, Электрохимия, 44, 8, 1025-1028.

© Р. З. Галимова - аспирант кафедры инженерной экологии КНИТУ; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; А. С. Гречина - студентка той же кафедры.

© R. Z. Galimova - post-graduate student of the Department of Engineering Ecology of Kazan National Research Technological University; I. G. Shaikhiev - Ph.D., Head of the Department of Engineering Ecology of the same University, ildars@inbox.ru; A. S. Grechina - a student of the Department of Engineering Ecology of the same university.