Исследование экстрактов из отходов деревопереработки (опилки коры дуба) для удаления ионов хрома (VI) из модельных растворов

УДК 628.345.1

А. И. Багаува, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАКТОВ ИЗ ОТХОДОВ ДЕРЕВОПЕРЕРАБОТКИ

ИЗ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

Ключевые слова: опилки коры дуба, экстракт, ионы хрома (VI), очистка.

Исследована очистка модельных вод от ионов Cr6+ (1000 мг/л) при различных дозировках экстрактов из опилок коры дуба, полученных при различных значениях рН. Найдено, что наибольшая степень удаления ионов хрома наблюдается при использовании щелочного экстракта.

Key words: sawdust of the bark oak, extract, ions of chrome (VI), purification

Studied purification of model water from ions Cr 6+ (1000 mg /1) at different doses of extracts of sawdust oak bark, obtained at different pH values. The highest degree of removal of chromium ions is observed when using the alkaline extract.

В последние годы существенно обострились проблемы, связанные с загрязнениями воды. Сброс неочищенных или плохо очищенных сточных вод (СВ) в различные водоемы только из-за нехватки кислорода может привести к угнетению гидробионтов.

Современный уровень технологии очистки СВ позволяет получить воду практически любой степени чистоты. Поэтому можно считать, что загрязнение водоемов происходит по причине не технического, а экономического характера. Из СВ легче всего удаляются органические вещества, труднее всего - соединения тяжелых металлов, которые абсолютно чужды экосистемам, вред от них более существенен, а последствия их воздействия на биоту довольно часто непредсказуемы.

Ионы тяжелых металлов (ИТМ) относятся к одной из наиболее опасных групп веществ, загрязняющих биосферу. Наибольший вклад (80 %) в загрязнение окружающей среды ИТМ вносят гальванические производства. Так, ежегодно в окружающую природную среду выбрасывается до 1 км3 токсичных гальваностоков, содержащих 50 тысяч тонн тяжелых металлов; 25-30 % этих стоков попадает в водные бассейны.

При недостаточной очистке стоков от ИТМ, попадая в водоемы, отрицательно влияют на обитающие в них одноклеточные организмы, растения и животные. В трофической цепи питания ионы металлов, попадая в организм человека, вызывают различные заболевания, примерами которых служат болезни Минамото, Итай-итай и другие. Поэтому очистка СВ от ИТМ становится первоочередной задачей охраны гидросферы.

В этой связи кардинальное решение проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов и производств.

Некоторые виды деревьев являются промышленно значимыми породами и интенсивно используются в народном хозяйстве. При переработке дерева в производство поступает всего 34 % древесины. Отходы древесины состоят из: 10 % коры, 3 % щепы и стружек, 8 % опилок и 45 % образцов, горбыля и др. [1]. Следует отметить, что все отходы переработки товарной древесины можно разделить на две большие группы. К отходам первой группы относятся продукты механической обработки древесины (опилки, ветки, сучья, щепа, кора и т.д.), к отходам второй группы - продукты химической обработки древесины (лигнин). Уже несколько десятилетий интенсивно разрабатываются методы их использования для очистки СВ различных производств, изучаются факторы, влияющие на степень очистки и способы модернизации для повышения их эффективности.

Огромное количество коры, образующейся при окорке деловой древесины, ежегодно скапливается в Российской Федерации в количестве до 10 млн. т, практически не используется, собирается в отвалы, где загнивает, или сжигается. В то же время кора -реальный сырьевой ресурс - богатейший источник многих уникальных природных соединений. Использование различных растворителей позволяет извлекать из коры, в частности, смолистые вещества, в состав которых входят и терпеноиды, фенольные соединения, танниды, пектины.

В тоже время, например экстракт из коры дуба - перспективный материал для удаления из СВ вредных поллютантов.

Учитывая вышеизложенное, в продолжение работ [2-4] по изучению возможности использования отходов деревопереработки в качестве реагентов для удаления ИТМ из водных

Г* **6+

сред, исследована очистка модельных стоков от ионов Ог с использованием экстрактов из опилок коры дуба.

Исследования проводились с модельным раствором с исходной концентрацией ионов хрома (VI), равной 1 г/л. Для приготовления последнего 1,92 г ОгОз растворялось в 1 л дистиллированной воды.

Для приготовления экстракта использовались измельченные опилки коры дуба. Соотношение объема дистиллированной воды, нагретой предварительно до 90 °С, к весу опилок составило 10:1 соответственно. Экстракция проводилась в течение 30 минут для наиболее полного извлечения органической составляющей в водную среду. С целью определения наиболее эффективного удаления ионов хрома в зависимости от рН среды экстрагента и экстракции органической компоненты в дистиллированную воду добавлялась серная кислота или щелочь (ЫаОИ) до значений рН 2,0 и 9,0 соответственно. Физикохимические показатели экстрактов из опилок коры дуба, полученные в нейтральной, кислой и щелочной средах, получившие условные обозначения ЭКД, ЭКДк и ЭКДщ соответственно, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические показатели модельного хромсодержащего раствора и экстрактов

Показатель Модельный раствор ЭКД ЭКДк ЭКДщ

рН 2,67 4,71 2,04 8,54

Плотность, г/мл 0,9920 1,0003 0,9922 1,0026

ХПК, мг О2/л 80 10150 9600 11160

Светопропускание (Т), % 75 32 35 18

Цвет оранжевый коричневый темно- коричневый черный

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, наибольшая степень извлечения органических компонентов в водную среду наблюдается при использовании щелочного экстрагента, о чем можно судить по значениям ХПК экстрактов.

Ход проведения эксперимента заключался в следующем: в мерные цилиндры объемом 100 мл приливалось 50 мл модельного стока, затем к последнему при перемешивании добавлялись экстракты в соотношениях 10 : 1-10 соответственно. При добавление экстрактов в течении некоторого времени наблюдалось образование хлопьев во всем объеме смесевой жидкости. По истечении 6 часов после начала экспериментов образовавшийся осадок отфильтровывался, сушился и взвешивался, а смесевой фильтрат анализировался на изменение физико-химических показателей.

Графики изменения значений ХПК смесевых фильтратов в зависимости от вида экстракта и их дозировок приведены на рисунках 1-3.

Объем добавленного ЭКД к 50 мл модельного раствора, мл —— ХПКэкспер. —О— ХПКхол.опыт

Рис. 1 - Зависимости изменений значений ХПК экспер. и ХПКхол. опыт от объема добавленного нейтрального ЭКД

Объем добавленного ЭКД к 50 мл модельного раствора, мл

ХПКэкспер. —О— ХПКхол. опыт

Рис. 2 - Зависимости изменений значений ХПКэкспер. и ХПКхол. опыт от объема добавленного кислого ЭКД

Объем добавленного ЭКД к 50 мл модельного раствора, мл

—О— ХПКэкспер —О— ХПКхол.опыт

Рис. 3 - Зависимости изменений значений ХПКэкспер. и ХПКхол. опыт от объема добавленного щелочного ЭКД

Верхние линии показывают изменение зависимости значений ХПК, получившихся в результате смешения дистиллированной воды с экстрактами в результате простого разбавления в указанных ранее пропорциях. Нижние графики демонстрируют зависимость изменения значений ХПК смесевых фильтратов после отделения образовавшегося осадка. Разница между значениями ХПК холостого опыта и смесевого фильтрата показывает, какое количество органических соединений, входящих в состав экстракта, участвует в комплексообразовании с ионами хрома с образованием нерастворимых соединений, выпадающих в осадок.

Изучив зависимости изменения ХПК смесевых фильтратов от объема добавленных экстрактов, очевидно, что наибольшее количество органической компоненты вступило в реакцию с ионами хрома в случае использования щелочного экстракта. Данное обстоятельство способствует более полному удалению ионов хрома из смесевого раствора, что подтверждается графиками изменения остаточных количеств хрома в зависимости от дозировок добавляемых экстрактов, представленных на рисунке 4.

Как следует из приведенных на рисунке 4 зависимостей, с увеличением дозировок экстрактов концентрация ионов хрома понижается, что вполне закономерно. Наименьшая степень удаления от ионов хрома достигается при приливании кислотного экстракта из опилок коры дуба, наибольшая, как отмечалось ранее - щелочного экстракта. По всей видимости, дополнительная очистка от ионов хрома достигается за счет образования в щелочной среде дополнительно с реакциями комплексообразования малорастворимого гидроксида хрома, что способствует улучшению очистки. Следует отметить, что соли хрома проявляют кислотные свойства наиболее полно в щелочной среде.

Значения массы образовавшихся осадков в зависимости от дозировок приливаемого экстракта приведены в таблице 2.

1000 900

E

^ 800

5! 700

о

>< 600 я

§ 500

s

g 400

Я

H 300

13

£ 200 W

« 100

0

0 10 20 30 40 50

Объем добавленного ЭКД к 50 мл модельного раствора, мл ♦ нейтр. ЭКД —— кисл. ЭКД - -Л - щелоч. ЭКД

Рис. 4 - Зависимость остаточной концентрации ионов хрома (VI) смесевых стоках, от объема добавленного экстракта

Таблица 2 - Массы образовавшихся осадков в зависимости от дозировок приливаемого экстракта

Масса осадка, г/л Соотношение модельный раствор : ЭКД

50:5 50:10 50:20 50:30 50:40 50:50

ЭКД 1,118 1,52 2,9 2,92 3,35 3,7

ЭКДк 0,16 2,46 2,70 3,47 3,74 3,98

ЭКДщ 0,28 1,89 2,65 3,01 3,23 3,25

Как следует из приведенных в таблице 2 данных, с увеличением дозировок приливаемых экстрактов массы выделенных осадков увеличиваются, что вполне закономерно. Вопреки ожидаемому, наибольшие по массе осадки образовались в случае добавления к модельному раствору экстракта, полученного в кислой среде.

Таким образом, по результатам проделанной работы можно сделать вывод, что экстракты из опилок коры дуба способствуют удалению ионов хрома из водных сред и наиболее эффективна очистка с использованием щелочного экстракта.

Литература

1. Akarakiri, J.B. An industrial evaluation of wood residue as raw material / J.B/ Akarakiri //Mater. and Soc. - 1986. - vol. 10. - № 1. - P. 67-73.

2. Багаува, А.И. Возможность использования экстракта коры дуба для очистки вод от ионов тяжелых металлов / А.И. Багаува, И.Г. Шайхиев // Экология и промышленная безопасность. - 2010. - № 3. -С.13-14.

3. Багаува, А.И. Исследование возможности использования отходов деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов. 1. Исследование

возможности применения коры дуба в качестве реагента для удаления ионов железа (III) из модельных вод/ А.И. Багаува, И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. -№ 10. - С. 64-71.

4. Багаува, А. И. Исследование возможности использования отходов деревоперерабатывающей промышленности для очистки модельных вод от ионов тяжелых металлов. 2. Исследование экстрактов из отходов деревопереработки (коры дуба) для удаление ионов Cu (II) / А.И. Багаува, И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. - С. 49-54.

© А. И. Багаува - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ; С. В. Степанова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; И. Г. Шайхиев - канд. техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru