Очистка сточных вод от примесей толуола и ацетона электролизом под давлением кислорода

Раздел III. Чистая вода и чистый воздух

Д.С. Алиева, А.Б. Исаев, З.М. Алиев

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ПРИМЕСЕЙ ТОЛУОЛА И АЦЕТОНА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ КИСЛОРОДА

Ацетон и толуол являются многотоннажными продуктами органического синтеза и находят применение в различных отраслях народного хозяйства. В результате технологических процессов ежегодно в окружающую среду попадает около двадцати миллионов тонн суммарного количества выбросов ацетона, остальные выбросы ацетона, подлежащие оценке, связаны с образованием побочных продуктов, образующихся в результате фоторазложения органических соединений (около двадцати миллионов тонн в год) или попадают в окружающую среду из промышленных предприятий в виде конечного продукта (59 тыс. тонн в год) [1].

Исходя из этого представляет большой практический интерес разработка эффективных технологий очистки сточных вод, содержащих указанные органические растворители.

Для обезвреживания сточных вод, содержащих данные органические соединения, успешное применение находят электрохимические методы. Однако недостатком этих методов является относительно высокий расход электроэнергии. Кроме того, полезное применение нашел только анодный процесс, а катодной реакцией является выделение водорода.

В последние годы возник существенный интерес к развитию эффективных деструктивных электрохимических технологий, позволяющих полезно использовать оба электродных процесса за счет одновременного использования анодного окис -ления органических соединений и их непрямого окисления продуктами катодного восстановления кислорода, обладающих высокой окислительной активностью [2].

В отличие от прямого электрохимического окисления органических веществ, протекающего в области высоких анодных потенциалов, где практически всегда существуют проблемы коррозионной стойкости электродных материалов, термодинамической устойчивости водных растворов электролитов, при непрямом окислении такие проблемы не возникают, так как процесс катодной генерации окислителей протекает при сравнительно высоких катодных потенциалах, а химическая реакция протекает в гомогенной среде [3].

Известно [3], что расход электроэнергии для обезвреживания органических токсикантов в сточных водах пропорционален их концентрации и числу электронов, необходимых для деструкции до углекислого газа. Расход электроэнергии на электросинтез пероксида водорода из кислорода, согласно [4], составляет около 4,5 кВт-ч в расчете на один килограмм 100% Н202. Отсюда следует, что использование метода непрямого окисления при низких концентрациях (перед направлением на биологические очистные сооружения) органических субстратов - «хвостов», содержащихся в сточных водах, электрохимически генерируемым H202 экономически целесообразно.

Поскольку при атмосферном давлении катодное восстановление кислорода протекает с низким выходом по току, перспективным является проведение процес-

са при повышенном давлении. Преимущества электролиза под давлением перед проведением процесса при атмосферном давлении известны [5, 6]. В этом случае открываются новые возможности осуществления электродной реакции с участием газообразного кислорода, растворимость которого при повышенных давлениях возрастает и соответственно при этом снижаются диффузионные ограничения подачи кислорода к электродной поверхности.

Настоящая работа, нацеленная на решение задачи максимального полезного использования как катодного, так и анодного электродных процессов, развивает направление исследований по интенсификации технологии очистки сточных вод.

Давление в системе для проведения исследований электрохимических процес -сов создается подачей кислорода в автоклав из баллона высокого давления или за счет накопления газа в автоклаве при протекании электролиза. Вентиль для впуска и выпуска газа и манометр закреплялись непосредственно на корпусе автоклава. Здесь же крепились и изолированные выводы электродов. В работе использовали автоклав ёмкостью 500 мл, рассчитанный на 10,0 МПа.

Электролиз проводили в автоклаве - электролизёре с мембраной, схема которого приведена на рис. 1. Мембраной служила катионообменная мембрана марки МК-40. Объём анодной камеры - 300 мл, катодной - 250 мл. В качестве анода служил платиновый электрод площадью 8 см2, в качестве катода использовали графитовую ткань с видимой поверхностью 50 см2. Электролиз проводили под давлением 0,5 МПа, при плотности тока 0,1 А/см2, в течение одного часа. После электролиза растворы из анодной и катодной камер анализировали на остаточное содержание толуола и ацетона на газовом хроматографе TRACE-2000 (фирма «CE Instruments», Италия) с пламенно-ионизационным детектором.

Рис. 1. Схема диафрагменного электролизера - автоклава: 1 - стальной корпус; 2 - мембрана; 3 - электроды; 4 - болты; 5 - манометр; 6 - трубка для регулирования подачи газа; 7 - вентиль

В связи с тем, что интенсификация электрохимического процесса направлена на повышение эффективности деструкции за счет полезного использования анодной и катодной реакций, была проведена серия экспериментов в диафрагменном электролизере под давлением 0,5 МПа. Результаты представлены на рис. 2 и 3 в виде зависимости концентрации толуола и ацетона от количества пропущенного электричества в катодной и анодной камерах.

С, мг/л

Рис. 2. Изменение концентрации ацетона в анодной (1) и катодной (2) камерах в зависимости от количества пропущенного электричества

Как видно из рис. 2, окисление ацетона протекает более интенсивно в анодной камере, что связано с прямой деструкцией ацетона на ОРТА. Одновременно с анодным разрушением в катодной камере также идет интенсивное разрушение ацетона, что связано с участием активных продуктов восстановления кислорода в окислительном процессе.

На рис. 3 представлены данные по изменению концентрации толуола в анодной и катодной камерах электролизера в зависимости от количества пропущенного электричества. Разрушение толуола в анодной камере идет более интенсивно чем в катодной камере, как и в случае с окислением ацетона.

Как видно из рис. 2 и 3 до 0,5 А-ч наблюдается практически прямолинейная зависимость между пропущенным количеством электричества и концентрацией растворителя, свидетельствующая о том, что практически весь ток идет на процесс деструкции. По мере увеличения количества электричества и снижения концентрации толуола наблюдается изменение прямолинейной зависимости. При этом часть тока тратится на процесс выделения кислорода и водорода.

Анализ содержания толуола в анодной камере показал, что разрушение толуола при пропускании 0,5 А-ч значительно более интенсивно, чем в катодной камере и после пропускания 1,0 А-ч.

Таким образом, полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что проведение электролиза под давлением кислорода позволяет интенсифицировать процесс за счет катодного восстановления кислорода до активных промежуточных продуктов, которые окисляют толуол и ацетон.

С, мг/л

Рис. 3. Изменение концентрации толуола в анодной (1) и катодной (2) камерах в зависимости от количества пропущенного электричества

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Toluene. Eur. Chem. 2002. 76, № 1995, прил., с.27.

2. Корниенко В.Л., Колягин Г.А. Непрямое электрохимическое окисление органи-

ческих веществ интермедиатами восстановления кислорода // Электрохимия. 2003. Т. 39. № 12. С. 1462 - 1470.

3. Do J - S., Yen W - S., In situ electro oxidative degradation of formaldehyde with

electro generated hydrogen peroxide and hypochlorite ion // I . Appl. Electro -chem. -1998. V. 28. Pp. 703 - 710 .

4. Химия и технология пероксида водорода / Под ред. Г. А. Серышева. - Л.: Хи-

мия, 1984 . 200 с.

5. Алиев З.М., Харламова Т.А., Томилов А.П. Научные основы и перспективы ис-

пользования электролиза при повышенном давлении // Изв. вузов Сев.-Кав. региона. Техн. науки. 2004. Спец. выпуск. - С.44 - 51.

6. Харламова Т.А., Алиев З.М., Исаев А.Б. Очистка сточных вод от красителей

электролизом под давлением // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2004. Т. 47. Вып. 8. С. 56 - 58.

Д. В. Сущёв

РЕАКЦИИ ЭНТОМОФАУНЫ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ

Состояние энтомофауны в условиях городской среды изучено недостаточно. В первую очередь это касается урбанизированных территорий Сибири. Важную роль в поддержании нормального существования и видового разнообразия фитоценозов в городах играют дневные бабочки. Бабочки выступают в качестве опылителей цветковых растений, их гусеницы, являясь активными фитофагами, способны приносить серьезный ущерб зеленым насаждениям городов. Имеющиеся в литера-