WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

На правах рукописи

ТАРУШКИНА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ СТОЧНЫХ И ПРОМЫВНЫХ ВОД, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ИОНАМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

02.00.05 – Электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2009

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Научный руководитель - доктор химических наук, профессор

Ольшанская Любовь Николаевна

Официальные оппоненты - доктор технических, профессор

Шпак Игорь Евгеньевич

- кандидат химических наук

Брудник Виталий Валентинович

Ведущая организация – ОАО «Электроисточник», г.Саратов

Защита состоится «15» мая 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100, г. Энгельс Саратовской области, пл. Свободы, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 15 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета В.В.Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основными источниками загрязнения природных вод тяжелыми металлами (ТМ) являются сточные воды (CВ) гальванических цехов, предприятий горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Большинство известных способов очистки CВ от ионов ТМ являются дорогостоящими, сложными в исполнении, ориентируются на импортное оборудование и дефицитные реагенты. В последнее время в индустриально развитых странах интенсивно внедряется технология очистки СВ, загрязненных тяжелыми металлами, с помощью высших водных растений (ВВР), названная фиторемедиацией. Растительная клетка, представляющая собой природный биоэлектрохимический мембранный реактор, способна эффективно извлекать и утилизировать ТМ. При этом в окружающей среде не накапливаются побочные продукты, и возможно создание малоотходных безреагентных технологий извлечения ТМ из сточных и промывных вод. Установление закономерностей процессов электрохимической сорбции позволит целенаправленно подходить к выбору биосорбента для качественной селективной очистки водоемов от ТМ. Постановка таких работ актуальна, имеет большое научное и практическое значение.

Цель настоящей работы заключалась в разработке технологий и установлении влияния физико-химических и электрохимических факторов на процессы извлечения ТМ (цинк, медь, кадмий) из промывных и сточных вод методами биоэлектрохимической сорбции с помощью ВВР.

В связи с этим потребовалось решить следующие задачи: 1) исследовать влияние внутренних (природы биосорбента, концентрации и природы тяжелых металлов в составе сточных и промывных вод) и внешних факторов (рН среды, силы и направления магнитного поля, воздействие инфракрасного излучения) на кинетические закономерности и механизм процесса биоэлектрохимической сорбции; 2) определить закономерности изменения количественных параметров, скорости и полноты извлечения ИТМ от внешних и внутренних факторов; 3) изучить процессы миграции и метаболизма ТМ в воде и растениях; 4) разработать рекомендации по утилизации извлеченных компонентов из биосорбентов.

Работа выполнена на кафедрах: «Экология и охрана окружающей среды» и «Технология электрохимических производств» СГТУ в соответствии с планом НИР СГТУ по научному направлению: 08.В. «Разработка новых высокоэффективных материалов, технологий и оборудования для пищевой, химической, машиностроительной и легкой промышленности».

Научная новизна диссертационной работы подтверждается следующими положениями, выносимыми на защиту:

• Показано, что процесс биоэлектрохимической сорбции ионов тяжелых металлов (ИТМ) наиболее эффективно протекает в первые часы (1 - 5 ч) взаимодействия ИТМ с растениями.

• Впервые установлено, что по истечении определенного времени биоэлектрохимического процесса растения-сорбенты начинают активно освобождаться от избыточной концентрации ТМ в объеме фитомассы и сбрасывать токсичные дозы металлов обратно в раствор.

• Теоретически обосновано и практически доказано, что растительная клетка в процессе извлечения ТМ проявляет свойства биоэлектрохимического мембранного сенсора, распознающего металлы по принципу «свой-чужой». Например, в промывных водах, в отличие от ксенобиотика кадмия, медь, участвующая в жизненно важных биохимических процессах клетки, не отторгается растением даже в процессах цитоплазмолиза и некроза.

• Скорость извлечения ИТМ из загрязненных вод определяется природой биосорбента и растет в ряду: ряска > лимнофила > криптокарина.

• Показано, что сила и направление (параллельное или перпендикулярное) постоянного магнитного поля (ПМП) оказывают воздействие на эффективность извлечения ИТМ в процессе биоэлектрохимической сорбции. Лучшие количественные и качественные характеристики электросорбции получены в параллельном ПМП напряженностью 2 кА/м. Установлено, что при действии ПарПМП с более высокими скоростями извлекается кадмий, при действии ПерПМП – медь. При действии ПМП происходит более глубокое извлечение ИТМ растениями из сточных и промывных вод, что свидетельствует о благоприятном его воздействии на ростовые характеристики клетки и растения в целом.

Практическая значимость работы заключается:

• в разработке технологических рекомендаций биоэлектрохимического извлечения тяжелых металлов из промывных и сточных вод;

• в выборе оптимальных условий (времени извлечения, рН раствора, силы и направления магнитного поля и др.), повышающих эффективность и сенсорные свойства биоэлектрохимического реактора – растения;

• в замене трехкоридорного аэротенка на аэрируемый пруд-отстойник с ВВР для доочистки сточных и промывных вод. Показано, что в течение полугода за счет экономии электроэнергии и неиспользования активного ила можно получить экономическую выгоду в сумме 752400 руб. При этом фактическая производительность очистки практически не изменяется, а уровень очистки стоков значительно улучшается.

Разработанные научные положения диссертации внедрены в учебный процесс по дисциплинам «Химия окружающей среды», «Техника защиты окружающей среды», «Основы водоподготовки и водоочистки», используются при курсовом и дипломном проектировании, апробированы и внедрены в ФГНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (г. Энгельс) и «Саратовский район водных путей и судоходства»-филиал ФГУ «Волжское ГБУ» (г. Саратов) в процессах очистки поверхностных и сточных вод.

Публикации и апробация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 18 статей, включая 5 статей в журналах по списку ВАК и 13 статей в реферируемых сборниках. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 9 Международных, Российских и региональных научных конференциях и совещаниях. Основные публикации приведены в конце автореферата.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 187 страницах, содержит 27 таблиц, 89 рисунков и 163 литературных источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы, отражены научная новизна и практическая значимость, апробация работы, основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Литературный обзор

В главе рассмотрены методы очистки сточных вод, показаны возможности их применения для очистки гидросферы от различных загрязнителей, в том числе от тяжелых металлов. Показаны возможности применения для этих целей электрохимических методов. Систематизированы, проанализированы и обобщены результаты исследований, связанные с особенностями использования высших водных и наземных растений для очистки промышленных стоков от ИТМ методами фиторемедиации. Приведены сведения о строении и основных свойствах растительной клетки. Показано, что транспорт заряженных частиц через клеточную мембрану осуществляется за счет биоэлектрохимического потенциала, который обусловливает способность клеток и тканей быть источниками электрического тока и выступать в качестве электрических проводников второго рода с неоднородной структурой (в отличие от металлов, являющихся проводниками первого рода с однородной структурой). Разность потенциалов на сторонах мембраны влияет на направление движения заряженной молекулы, в том числе на проникновение ИТМ в клетку, за счет диффузии из-за образования концентрационного градиента на внешней и внутренней поверхности мембраны. Перенос катионов металлов через мембрану осуществляется за счет отрицательного заряда на ее внешней стороне и управляется электрохимическим градиентом.

Рассмотрено влияние магнитных полей (МП) на живые организмы, в том числе и на растения. Воздействие МП сопровождается многообразными эффектами – от изменений на молекулярном уровне до реакций целостного организма. Действие МП на растения, на их физиологические функции проявляется либо как результат влияния на генетический аппарат, например через деление клетки, либо как результат непосредственного вмешательства в обмен веществ. При этом на ход этих процессов оказывает влияние не только сила, но и направление магнитного поля.

Глава 2. Методика эксперимента

Глава посвящена описанию объектов и методов исследования.

Объектами исследования являлись: 1- биосорбенты ВВР (криптокарина, лимнофила и ряска малая), районированные в Саратовской области и используемые для очистки и обеззараживания воды; 2 - модельные растворы на основе СВ канализационных очистных сооружений г. Энгельса (содержащие необходимые питательные вещества и низкие концентрации металлов), в которые вводили сульфаты меди, цинка и кадмия с различной концентрацией ИТМ: 1000, 100, 5 и 1 мг/л Zn2+, Cu2+ и Cd2+.

Все методы анализа следовых количеств, в частности, электрохимические инверсионные методы предъявляют жесткие требования к чистоте посуды и реактивов. Посуду тщательно промывали бидистиллированной водой и перед измерением несколько раз приводили в контакт с исследуемым раствором для достижения равновесного состояния и предотвращения адсорбции исследуемого вещества стенками ячейки и частицами примесей.

Приведены методики приготовления рабочих растворов: KCl, HNO3, Hg(NO3)2; раствора красителя-сафранина, необходимого для проведения микроструктурного анализа при установлении цитоплазмолиза и некроза растений, методика приготовления экстракта из ряски и др. Для приготовления растворов использовали реактивы марок «хч» и «чда».

Дано описание используемых в работе электрохимических и физико-химических методов исследования (инверсионная хроновольтамперометрия, хронопотенциометрия, фотометрия, рН-метрия, оптическая микроскопия, постоянное магнитное поле), которые позволили достаточно полно изучить закономерности и механизмы процессов, протекающих при извлечении ИТМ высшими растениями. Представлены основные уравнения и методики для расчета эффективности очистки, содержания тяжелых металлов в фитомассе биосорбента и др. Значения потенциалов в работе приведены относительно водного хлорсеребряного электрода сравнения (ХСЭ).

Используемое в работе современное оборудование (роботизирован-ный комплекс «Экспертиза ВА-2D» с электродом «3 в 1», потенциостат П-5848, «Анализатор ВА-ТА-4», фотоэлектроколориметр КФК-3-01, микроскопы BIOLAR, Karl Caiz и др.) и проводимая на каждом этапе статистическая обработка экспериментальных данных позволили уменьшить общую погрешность результатов эксперимента до ~5% от измеряемой величины.

Глава 3

3.1. Влияние природы растения-биосорбента, природы катиона

и концентрации металла на электрохимическую сорбцию

ионов тяжелых металлов из промывных и сточных вод

Транспорт заряженных частиц, в частности, ионов тяжелых металлов (ИТМ) через биологическую мембрану - растительную клетку осуществ-ляется за счет биоэлектрического потенциала (рис.1), который создается на границе раздела клетка/раствор электролита и величина его достигает 60 – 200 мВ. Благодаря диффузионно-электрохимическому механизму проницаемости клеточных мембран растений они могут быть использованы для извлечения из сточных вод ИТМ. Растительная клетка при этом рассматривается как биоэлектрохимический нанореактор, аккумулирующий и утилизирующий загрязнения, в том числе и ТМ. Механизмы поступления металлов в растения различны. Попадая в клетку, они взаимодействуют с ее компонентами, инактивируя многие ферменты. Это вызывает разнообразные нарушения метаболизма клеток, с чем связана высокая токсичность тяжелых металлов. Представление об обязательной токсичности ТМ является

а б

Рис. 1. (а) – принципиальная схема работы биоэлектрохимического нанореактора - растительной клетки; (б) – распределение потенциала на клеточной мембране; 'в, ''в - граничные потенциалы; 'пов, ''пов – поверхностные скачки; im–внутримембранный потенциал; 'дип, ''дип – дипольные потенциалы

заблуждением, так как в эту группу попадают медь, цинк, железо и другие металлы, которые в небольших количествах необходимы, как животным, так и растениям. Среди ТМ, не относящихся к необходимым питательным элементам, наиболее распространены кадмий и свинец.

При разработке технологий очистки воды от тяжелых металлов биоэлектрохимическим способом необходимо владение закономерностями динамики накопления растениями ТМ. Известно, что некоторые растения проявляют значительную устойчивость к вспышкам загрязнений и могут накапливать их в больших количествах без видимых функциональных изменений. Все это предопределяет необходимость изучения накопительной способности природных сорбентов, что соответственно сопровождается снижением концентрации ТМ в водной среде.

В работе проведены исследования по изучению влияния природы биосорбента (криптокарина, лимнофила и ряска) и длительности процесса электрохимической фиторемедиации на процессы извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод. Анализ воды на остаточное содержание ИТМ проводили при температуре 298±1 К с использованием методов инверсионной хроновольтамперометрии и фотоэлектроколориметрии. По истечении определенного времени выдержки растений в воде, а именно, ч: 1, 5, 24, 144, 288, 432, 576 отбирали пробы воды в количестве 20 мл и для анализа снимали хроновольтамперометрические J, Е- кривые.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»