VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД КРАСИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бактиярова А.Е. 1

---

1НИШ ХБ

Садаукасова Зайраш Амангельдиновна 1Абылкасова Г.Е. 2

---

1НИШ ХБН

2ВКГУ им.С.Аманжолова

Работа в формате PDF

113.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Окружающая среда Восточного Казахстана в течение продолжительного времени подвергается мощному антропогенному воздействию со стороны горно-добывающей, металлообрабатывающей, машиностроительной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Все это приводит к загрязнению рек региона высокотоксичными веществами неорганического и органического происхождения, в том числе и красителями.

За последние несколько лет основные и малые реки Восточного Казахстана претерпевают серьезные физико-химические изменения [1].

Учитывая общую загрязненность рек можно сделать вывод, о том, что основные реки Восточного Казахстана – Иртыш и Ульба относятся, действительно, к загрязненным рекам. Загрязнителями этих вод ионами тяжелых металлов являются горнодобывающая промышленность, металлургический комплекс, а так же сточные воды, содержащие органические красители больших и малых предприятий, особенно, связанных с красильным производством.

Одной из важнейших проблем современного этапа развития текстильного производства является разработка способов и методов очистки сточных вод и газовоздушных выбросов, позволяющих, проникновение промышленных отходов в окружающую среду, и прежде всего в гидросферу.

Данная проблема актуальна для предприятий текстильной промышленности, так как при обработке текстильного сырья образуется значительное количество сточных вод, что объясняет отнесение текстильного производства к числу наиболее влагоемких.

В большинстве технологических операций по производству и применению синтетических красителей образуются загрязненные сточные воды, характерной особенностью которых является их интенсивная окраска. Наряду с красителями, окрашенные сточные воды содержат и другие сопутствующие органические и минеральные загрязнения.

Это, в первую очередь: поверхтностно-активные и текстильно-вспомогательные вещества (ПАВ и ТВВ) красильно-отделочных производств [2, 3].

В связи с этим, выбранная тема для научного исследования, является весьма актуальной.

Для получения экспериментальных результатов научного проекта была поставлена соответствующая цель: разработка эффективного метода очистки сточных вод, содержащих красители с использованием сорбентов, которые обладают достаточной сорбционной емкостью, доступностью и дешевизной.

Поставленная цель определила следующие основные задачи исследований:

Изучение возможности применения коагулянтов для очистки сточных вод от активных красителей.

Изучение возможности использования в качестве сорбентов дешевых природных материалов (сульфоуглей) в процессах очистки сточных вод от активных красителей.

Определение оптимальных параметров сорбционного процесса – массы сорбента, времени контакта сорбента с раствором, расхода сорбента.

Разработка методических рекомендаций по применению в качестве сорбентов дешевых природных материалов (сульфоуглей) в процессах очистки сточных вод от активных красителей.

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КРАСИТЕЛЯХ

Радость от восприятия цвета – одно из старейших культурно- эстетических чувств человека. Уже в древние времена люди заботились о том, чтобы окрасить или раскрасить одежду и предметы домашнего обихода в красивые, по их мнению, цвета. Во все времена окраска имела символическое значение, как это сейчас выражается в цветах гербов и национальных флагов. Если проследить развитие искусства крашения на протяжении столетий, то можно отметить два периода.

Исключительное применение красителей минерального, растительного или животного происхождения охватывает период, начиная с зарождения человечества и вплоть до 1859г. в старинных культурах Европы, Египта, Азии, Центральной и Южной Америки были известны методы крашения хлопка, шерсти, шелка и льна.

2) Применение искусственных (синтетических) красителей началось с открытия мовеина. В1856г. Перкин попытался синтезировать хинин, для которого в то время была известна только молекулярная формула. По установления формулы бензола, было получено множества искусственных красителей.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

Серьезную опасность загрязнению водоемов представляют красильно-отделочные операции предприятий легкой промышленности, так как особенностью текстильного производства является то, что здесь применяют специальные окислительные красители. Известно, что химический состав и свойства соединений исходного и отработанного красильных растворов существенно различаются. Отработанные красильные растворы содержат продукты совместного окисления, которые по цвету значительно интенсивнее продуктов окисления каждого вводимого в красильный раствор вещества в отдельности. Все это объясняет то, что сточные воды текстильных предприятий, как правило, сильно окрашены. Цветность отработанных растворов при крашении в черный цвет в зависимости от вида окрашиваемого полуфабриката колеблется от 1:10000 до 1:30000. Кроме того, в сточных водах наряду с синтетическими красителями содержатся и другие сопутствующие органические соединения [18].

Окислительные красители относятся к третьей группе загрязнений. Данная группа включает частицы размером менее 10^-9 м, которые находятся в молекулярной и/или ионной форме. В осадок эти загрязнения могут перейти при химическом взаимодействии с образованием малорастворимых соединений. Для более полного удаления этих загрязнений из растворов, прошедших химическую обработку, возможно, использовать также адсорбцию, обратный осмос и другие методы очистки.

Ингредиенты сточных вод после процесса крашения в большинстве своем являются токсичными и биологически трудноокисляемыми, что обуславливает высокую опасность и чрезвычайную сложность обезвреживания данной категории промышленных сточных вод [19].

2.1 ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ КРАСИТЕЛИ

Сточные воды текстильных предприятий представляют собой сложную систему, содержащую большое количество разнообразных минеральных и органических примесей. Загрязнения сточных вод могут быть в грубодисперсной, коллоидной, молекулярной и ионной формах.

Сточные воды текстильных производств характеризуются присутствием таких загрязняющих веществ, как соли хрома (III) и (VI), жиры, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и красители. Их концентрация зависит от вида перерабатываемого сырья и принятой технологической системы.

В процессах крашения ткани используются большое количество окислительных красителей-полупродуктов. Это анилиновая соль, пирокатехин, резорцин, пирогаллол, красители для ткани: черный, серый, желтый и коричневый. Все эти вещества являются ароматическими углеводородами, в которых имеется бензольное кольцо. Эти соединения очень стойки к биохимическому окислению при сочетании заместителей: СООН-SO₃H, NO₂-NO₂, NH₂-NH₂, SO₃H-SO₃H [20].

При крашении используются прямые (анионные) красители. Наряду с красителями, окрашенные сточные воды содержат и другие сопутствующие органические и минеральные загрязнения. Это, в первую очередь, СПАВ, ароматические углероды, органические и минеральные кислоты, хлориды, сульфаты, ионы тяжелых металлов.

Критерием загрязненности сточных вод при сбросе красителей в водоемы является ухудшением качества природных вод вследствие изменения их органолептических свойств, появления вредных веществ для человека, животных, птиц, кормовых и промысловых организмов, а также нарушение процесса самоочищения и санитарного режима поверхностных источников. Содержание загрязнений в сточных водах меховой промышленности столь велико, что в случае поступления последних в водный объект может вызвать необратимые процессы, включая полное разрушение в сложившейся экосистеме.

Окрашенные сточные воды создают неблагоприятное эстетическое восприятие, влияющие на кислотный режим водоема и угнетающие самоочищение, вследствие адсорбции солнечного света и нарушение процессов фотосинтеза. Вред, наносимый сбросом окрашенных сточных вод в водоемы, помимо указанного отрицательного влияния на светопроницаемость воды и на ассимиляцию водорослей, проявляется в повышении минерализации, а это отрицательно сказывается на вкусовых качествах воды при использовании водоисточника для питьевых целей. Кроме того, увеличение минерализации может угнетать биохимическую жизнь в водоеме. Показано, что красители при концентрации более 0,1 мг/дм³ влияют на кислородный режим воды, ХПК, БПК5 и особенно на процессы аммонификации и нитрификации в воде. Определены предельно допустимые концентрации красителей, не влияющие на процессы самоочищения воды, которые составляют менее 0,001 мг/дм³ [22].

2.2 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Все известные методы физико-химической очистки сточных вод, содержащих красители, ПАВ и другие сопутствующие им загрязнения, можно разделить на три основных группы.

Первая группа методов обеспечивает извлечение загрязнений переводом их в осадок или флотошлам путем сорбции на хлопьях гидроксидов металлов, образующихся при реагентной обработке стоков. Методы этой группы включают коагуляцию, реагентную напорную флотацию, электрокоагуляцию. Однако им присущи следующие недостатки: невысокая степень очистки, особенно по обесцвечиванию; необходимость эмпирического подбора реагентов и материала электродов, что усложняет обработку стоков с изменяющимся составом и создает трудность при автоматизации дозировки реагентов; образование значительного количества влажных осадков или флотошлама и необходимость в дополнительных сооружениях для их складирования или захоронения.

Вторая группа включает сепаративные методы, такие как сорбция на активных углях и макропористых ионитах, обратный осмос, ультрафильтрация, пенная сепарация. Эти методы, исключая последний, обеспечивают высокую степень очистки, однако перед их применением необходима предварительная механохимическая обработка для удаления нерастворимых примесей, что влечет за собой все недостатки, присущие первой группе.

Третья группа объединяет деструктивные окислительно-восстановительные методы, вызывающие глубокие превращения органических соединений. Эти методы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с рассмотренными выше. В первую очередь, это их высокая эффективность и технологичность, компактность, простота автоматизации и управления. В большинстве случаев при их реализации не образуются осадки, которые в виде хлоридных, сульфатных и прочих ионов получаются при реагентной обработке. При деструктивной очистке органические красители расщепляются до более простых, легкоокисляемых органических продуктов или минеральных соединений, а ПАВ разрушаются с потерей поверхностноактивных свойств. Из деструктивных методов наиболее широко применяют обработку сточных вод окислителями, электрохимическое или электрокаталитическое воздействия [23].

На практике обычно сочетают те или иные способы в зависимости от вида и характера загрязнений с учетом объема очищаемых стоков.

2.3 КОАГУЛЯНТЫ И СУЛЬФОУГЛИ, ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

В технике водоочистки в качестве коагулянтов широко применяют сульфат алюминия, сульфат и хлориды железа, алюминиевые квасцы, смесь хлорида и сульфата железа, соли магния, цинка и титана.

1) В большинстве случаев коагулянты представляют собой соли слабых оснований и сильных кислот. При растворении их в воде происходит гидролиз, и образуются мало растворимые основания – гидроксиды алюминия или железа. При этом в результате смещения равновесия диссоциации в воде накапливаются ионы водорода, и в растворе появляется кислота. Растворимость гидроксидов алюминия или железа чрезвычайно мала. Они выделяются из раствора, образуя сначала коллоидные частицы, которые под влиянием электролитов, растворенных в воде, коагулируют и выпадают вместе с коллоидами, загрязняющими воду в осадок. Этот осадок содержит связанную воду, а также несколько слоев молекул «неструктурной» воды, адсорбционно связанной с поверхностью осадка силами различной прочности. [24].

2) В последнее время для очистки воды все большее применение находят природные сорбенты естественного происхождения, такие как бентонитовые глины, цеолиты, шунгизиты, и другие глинистые породы, которые обладают достаточно высокой сорбционной емкостью, катионообменными свойствами, сравнительно низкой стоимостью и доступностью, особенно в тех случаях, когда месторождения приближены к промышленным предприятиям, на которых могут использоваться данные сорбенты.

Одним из наиболее распространенных углеродных адсорбентов для сорбционной очистки воды являются активные угли – пористые твердые тела, получающиеся из различных видов органического сырья: твердого топлива, древесного материала, отходов промышленности. Для сорбции из водных растворов используют гранулированные и порошкообразные активные угли, а также углеродные волокна.

Наиболее дешевыми и доступными углеродными адсорбентами являются сульфоугли. Они обладают теми же физико-химическими свойствами, что и активные угли. Так же сульфоугли могут поглощать органические молекулы, имеющие большие размеры.

Химическим подтверждением графитной структуры сульфоуглей является возможность образования соединений внедрения; так, по Фреденхагену удалось получить соединение щелочного металла с графитом, а Руфф получил фторированный графит.

То есть в настоящее время сульфоуголь относят к группе микрокристаллических разновидностей углерода. В большинстве сульфоуглей одновременно присутствуют поры различной формы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОЧИСТКИ МОДЕЛЬНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

3.1 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ КОАГУЛЯНТОВ И ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ

В результате научно-исследовательской работы было проведено удаление красителей из модельных сточных вод методом коагуляции, которая является достаточно эффективным. На эффективность очистки влияет в значительной мере агрегатное состояние красителей в растворе. Удаление красителей при коагуляции продуктов гидролиза солей алюминия и железа происходит в результате сорбции их на хлопьях гидроксидов или соосаждения скоагулировавших в присутствии солей трехвалентных металлов высокодисперсных частичек или крупных ассоциированных агрегатов красителей.

Для проведения эксперимента были взяты приготовленные модельные окрашенные воды, состав которых приведен таблице 1.

Таблица 1 Состав окрашенных модельных вод (МВ)

3.2 ВЛИЯНИЕ ЗНАЧЕНИЯ рН НА ПРОЦЕСС КОАГУЛЯЦИИ

По методике проведения эксперимента: измерялись рН модельных вод-МВ №1, МВ №2, МВ №3, МВ №4. Затем к окрашенным водам добавлялось определенное количество коагулянтов и измерялось время осадкообразования для каждого отдельного случая. Для эксперимента были взяты по 300 мл исследуемых вод. Также определялось значение рН окрашенных растворов после коагуляции.

Таблица 2 Значение рН окрашенных растворов

Таблица 3 Значения рН растворов после коагуляции

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КРАСИТЕЛЯ МЕТОДОМ КОАГУЛЯЦИИ

По методике эксперимента: определялась оптическую плотность окрашенных вод. В окрашенную воду, объемом 300 мл, добавлялось 1,75мл коагулянта, осадок отфильтровывали. Измерялась оптическая плотность фильтрата, определялась его пропускаемость и сравнивалась с оптической плотностью и пропускаемостью чистой воды [25]. Определяли степень извлечения красителя коагулянтом в каждом конкретном случае.

Для каждого случая строились аналогичные графики зависимости, как представлено на рисунке.

Рисунок. График зависимости оптической плотности от обьема коагулянта

Полученные экспериментальным путём результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 Степень извлечения красителя методом коагуляции

Выводы: по результатам экспериментов, посвященных методу коагуляции, видно, что количество вводимого коагулянта имеет огромное влияние на процесс коагуляции.

Самым оптимальным объемом является 1,75 мл коагулянта на 300мл окрашенной воды, что соответствует времени влияния на процесс коагуляции, что соответствует времени образования осадка 12-13 с. Так же после применения метода коагуляции рН среды окрашенных растворов в целом изменилась с кислой в более нейтральную.

Используя метод коагуляции для очистки окрашенных вод от красителей, достигли увеличения пропускаемости растворов до 53% и степени извлечения до 66-67%.

3.4 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФОУГЛЕЙ

Широкое применение в промышленности нашел продукт сульфирования углей – так называемый сульфоуголь, который используется в качестве ионитов. В качестве сырья для производства сульфатов служат каменные угли. Сульфирование осуществляется олеумом, при этом водород органической части угля заменяется сульфокислотной группой с образованием воды по реакции:

RH + HSO₃OH RSO₃H + H₂O

Образование сульфоуглей обладает значительной сорбционной способностью.

Определение рН возможно благодаря содержанию минеральных компонентов и присутствию поверхностных кислородных соединений углерода сульфоугли могут оказывать большое влияние на рН водных систем. Поскольку в химической промышленности сульфоугли применяются для обработки многих веществ, чувствительных к значению рН, определение этой величины нередко является важным критерием.

Таблица 5 Характеристика основных свойств сульфоуглей

3.5 ОБЕСЦВЕЧИВАЮЩИЕ СВОЙСТВА СУЛЬФОУГЛЯ

Для проведения эксперимента были использованы приготовленные окрашенные растворы (МВ №1, МВ №2, МВ №3, МВ №4).

Сначала измерили их оптические плотности. Затем предварительно взвешенную массу сульфоугля насыпали в стакан со стеклянным фильтром, после этого через слой сульфоугля пропускали каждую порцию испытуемой воды по 100 мл. Замеряли оптические плотности отфильтрованных растворов, если результаты были неудовлетворительными, массу сульфоуглей увеличивали. Так же необходимо измерить значение рН вод после прохождения через слой сорбента.

Этим экспериментом мы определили, какая масса угля может обесцветить 100 мл окрашенной воды, какова степень извлечения красителя и скорость прохождения воды через слой сульфоугля.

Таблица 6 Изменение оптической плотности в зависимости от массы вводимого сорбента

Таблица 7 Обесцвечивающая способность сульфоугля

Выводы: из экспериментальных данных видно, что сульфоуголь обладает очень хорошими сорбционными свойствами. Используя сульфоуголь, в качестве сорбента мы получили значение пропускаемости, равную 84,72%; степень извлечения 80% и рН – 5,7.

3.6 СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОАГУЛЯНТОВ И СУЛЬФОУГЛЕЙ

В ходе выполнения данной работы проводились исследования по совместному использованию коагулянтов и сульфоуглей. Данные представлены в таблице 8.

Таблица 8 Данные по совместному использованию коагулянтов и сульфоуглей

По результатам исследования можно сделать вывод: совместное использование метода коагуляции и сорбции дает возможность более полного извлечения красителей.

Пропускаемость увеличилась до 96,00%, степень извлечения повысилась до 98,60%.

ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что:

Использование коагулянтов значительно улучшает рН среды модельных вод, приближая их значения к нейтральной среде. Так же метод коагуляции показал, что красители хорошо образуют осадок даже при небольшом количестве коагулянта.

Сульфоугли обладают очень хорошими обесцвечивающими способностями. Степень извлечения красителя из модельных вод при использовании этого сорбента составляет 80%. Кроме того, сульфоуголь подвергается регенерации.

Совместное использование метода коагуляции и сорбции дает положительные результаты как в отношении степени извлечения – 98,60%, так и в отношении пропускаемости модельных вод – 96,00% и рН – 6,62.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработка и совершенствование методов извлечения из сточных вод высокотоксичных веществ, в том числе органических красителей является важнейшей экологической задачей. Стоки, содержащие красители подлежат обязательной глубокой очистке перед их сбросом в поверхностные источники. Так как окрашенные стоки создают не только не приятное эстетическое восприятие, но и такие сбросы очень вредны для водной флоры и фауны.

Для решения указанных проблем предложены два метода: коагуляция и сорбция сульфоуглем, совместное использование которых показало их эффективность при очистке сточных вод от красителей.

Таким образом, для очистки стоков, содержащие красители можно рекомендовать в качестве метода совместного использования коагуляции и сорбции. В качестве коагулянтов можно предложить соли железа (III) и слои алюминия, так как именно с ними красители связываются и образуют комплексные соединения. А в качестве сорбционного материала были выбраны сульфоуголь, который обеспечивает достаточную степень обесцвечивания и очистки воды, отличается низкой стоимостью, доступностью и безопасностью

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей /Б.И.Степанов. – М.: Химия, 1997.-488с.

Сайт Интернета http.: meteo. host. KZ /pages/ envr _gidro.htm. Дата обращения [15.02. 2015]

Николадзе Г.И., Минц Д.М. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. – М.: Высшая школа, 1994.-256с.

Сапаргалиев Е.М. Создание экологически чистых технологий на основе природных сорбентов /Экосфера: ВК информационно-аналитический ежегодник.- Усть-Каменогорск, 2005.-С42-43

Экология Восточного Казахстана: проблемы и решения /Справочно-информационный вестник./ ВКО ТУООС. - Усть-Каменогорск, 2000-2005гг. С44-58.

Когановский А.М., Клименко Н.А. и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. – М.: Химия, 1993.

Аширов А.А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов.- Л.: Химия, 1983.-293 с.

Когановский А.М. Адсорбция и ионный обмен в процессах водоподготовки и очистки сточных вод.-1983. -240 с.

Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. – Л.: Химия, 1982.-264 с.

Пугачев Е.А. и др. Очистка сточных вод предприятий первичной обработки шерсти.- : Легпромбытиздат, 1986, - 232с.

Златаев З. Загорский В. Очистка сточных вод неорганическими сорбентами / Реферативный журнал «Химия», 1981 г. -№2.-С44-46.

Карелин Я.А. Евсеева Л.А. Глубокая очистка сточных вод адсорбционным методом /Водоснабжение и санитарная техника, 1974, № 12- С.12-14.

Ходоров Е.И., Семерикова В.В. Адсорбционная очистка производственных сточных вод /Водоснабжение и санитарная техника, 1985, №-20-21.

Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел /Под ред.Парфита Г., Рочесте К. –М.: 1996.- 488 с.

Грег С., Смит К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - Мир, 1984. – 310 с.

Дубинин М.М. Физико-химические основы сорбционной техники.-М.:Госхимиздат, 1982. -382 с.

Гриссбах Р. Теория и практика ионного обмена. – М.:Иностранная литература,1973.-499с.

Аппельбаум Д., Арменгхаус Ф., Энштейн Г. Теория хемосорбции.- М.: Мир,1995.-336с.

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: химия, 2012.-574с.

Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. – М.:Химия,1984.-592с.

Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1990.-568с.

Ксенофонтов Б.С. Проблемы очистки вод. – М.: Знание, 1991.

Ливчак И.Ф., Воронов Ю.Ф. Охрана окружающей среды. – М.: Колос, 1995. – 165с.

Справочник по очистке природных и сточных вод. – М.: Высшая школа, 1994. – 351с.

Бабушкин А.А. Методы спектрального анализа / А.А. Бабушкин. - М.: МГУ,1982.- 425 с.