WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Пластинина Наталья Андреевна ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ФЕНОЛА И СПАВ В СОВМЕЩЕННЫХ ПЛАЗМЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ 03.00.16 – Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Иваново - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Ивановский государственный химико-технологический университет” доктор химических наук, профессор

Научный консультант:

Гриневич Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Светцов Владимир Иванович доктор технических наук, доцент Корчагин Владимир Иванович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева”, г. Москва

Защита состоится 26 октября 2009 г. в _10_ часов в ауд. _Г-205_ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Ивановский государственный химико-технологический университет” по адресу:

153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу:

153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан “ ” 2009 г.

Учёный секретарь совета, д.т.н., ст.н.с. Гришина Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сложившаяся ситуация, связанная с загрязнением источников водоснабжения и, следовательно, с проблемами в обеспечении населения качественной питьевой водой, стала привлекать к себе внимание исследователей и специалистов различных областей науки и техники ввиду необходимости её быстрого разрешения.

Качественно новым направлением в области очистки воды является применение неравновесных газовых разрядов, активные частицы которых способны разложить любое органическое вещество. Однако из-за сложности таких систем кинетические закономерности протекающих процессов, особенно, что касается промежуточных и конечных продуктов, изучены чрезвычайно слабо. Также недостаточно исследованы возможности методов, основанных на комбинации уже существующих способов очистки. Таким образом, как разработка новых, так и совершенствование существующих методов очистки сточных вод является актуальной природоохранной задачей.

Целью работы было установление кинетических закономерностей процессов деструкции водных растворов синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) и фенола под действием активных частиц диэлектрического барьерного разряда (ДБР), ДБР, совмещенного с катализом (СПКП), а также при комбинированном с озонированием электрохимическом воздействии (КМ) с последующей оценкой на этой основе экологической целесообразности применения того или иного метода.

Поставленная цель достигалась путём решения следующих задач:

- определение эффективности и скоростей деструкции СПАВ и фенола;

- выявление состава основных промежуточных и конечных продуктов разложения;

- определение эффективности применения ДБР для разложения органических соединений, содержащихся в ливневом стоке;

- оценка токсичности обработанных растворов методом биотестирования.

Научная новизна работы. Впервые проведены исследования кинетики разложения СПАВ в ДБР и СПКП, а также кинетики образования промежуточных и конечных продуктов разложения. Показано, что применение различных оксидных катализаторов, если и не изменяет механизм разложения СПАВ в ДБР, то оказывает влияние на лимитирующую стадию процесса, а также на скорости процессов деструкции. Установлено, что в процессах деструкции фенола и СПАВ наряду с озоном, принимают участие и другие активные частицы, а также тот факт, что в окислительной среде наряду с процессами деструкции органических соединений протекают и обратные процессы. Впервые показано, что токсичность модельных растворов и реальных сточных вод после обработки их в СПКП уменьшается в среднем в 2,5 раза.

Работа поддерживалась индивидуальным грантом по программе “УМНИК”, грантом РФФИ и правительства Ивановской области № 08-08-97511.

Практическая значимость. Предлагаемые методы (ДБР, СПКП, КМ) позволяют получать высокие степени очистки модельных растворов (до 99 %) от фенола и СПАВ в широком диапазоне их концентраций. Выбраны оксидные катализаторы, обладающие высокой каталитической активностью и устойчивостью в условиях воздействия активных частиц ДБР (более 600 часов). Применение СПКП для очистки реальных сточных вод (ливневый сток) от органических соединений также оказалось весьма перспективным (степень разложения нефтепродуктов, фенолов и СПАВ составляла соответственно 98, 98 и 82 %).

Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на ряде конференций и симпозиумов, в том числе Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, Москва, 2007; Proceedings of the V China-Russia-Korea Symposium on Chemical Engineering and New Materials Science, Ivanovo, ISUCT, 2007;

7-ом и 8-ом Международных конгрессах “Вода: экология и технология «ЭКВАТЭК – 2006»” и “Вода: экология и технология «ЭКВАТЭК – 2008»”, Москва; 5-ом Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново, 2008.

По результатам работы опубликовано 5 статей в журналах и 18 тезисов докладов.

Достоверность результатов работы обеспечивалась использованием современных методов исследований и обработки результатов, проверкой их на воспроизводимость, а также отсутствием противоречий с теми сведениями, которые ранее были известны.

Личный вклад автора. Анализ литературных источников, выбор объектов исследований с учетом их специфики, экспериментальные исследования выполнены лично автором. Постановка цели и задач исследования, интерпретация и анализ полученных результатов, формулирование основных выводов диссертационной работы, проведены соискателем и совместно с научным руководителем.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 160 стр., содержит 16 табл., 73 рис. и состоит из введения, литературного обзора, методики исследований, обсуждения результатов эксперимента, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 134 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной тематики, приведены цели и задачи работы.

В первой главе приводятся литературные данные, показывающие высокую эффективность окислительной деструкции органических примесей, содержащихся в воде, при использовании методов фото-, плазмо-, радиационной химии, а также при сочетании традиционных способов очистки воды. Показано, что методы химии высоких энергий (ХВЭ), характеризуются высокой эффективностью разложения обрабатываемых соединений. Их можно применять как индивидуально, так и в сочетании с традиционными методами. В частности, методы ХВЭ с использованием катализаторов могут быть перспективными в применении для очистки стоков от критериальных загрязнителей (в частности, фенола, СПАВ, нефтепродуктов) с точки зрения экологоэкономической эффективности. Однако данных о применении совмещенных методов, например, плазменно-каталитических способов очистки воды от органических соединений и совмещении современных окислительных методов в литературе не много.

Как правило, имеются лишь сведения о кинетике деструкции основного органического соединения, а данные о продуктах его разложения крайне отрывочны.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, а также методик нанесения катализаторов и определения концентраций веществ в растворах и газовой фазе.

Плазмохимической обработке подвергался как реальный поверхностный сток, так и водные растворы, моделирующие его. Основными загрязняющими соединением в модельных растворах были фенол, лаурилсульфат натрия и сульфонол (СПАВ) с концентрациями от 0,5 до 50 мг/л.

Обработку исследованных растворов проводили в реакторе с коаксиальным расположением электродов (рис. 1) при атмосферном давлении. Барьерный разряд возбуждался приложением переменного напряжения 16 кВ с частотой 50 Гц. Расход плазмообразующего газа (технический О2) варьировался в диапазоне 0,28 - 3,36 см3/с при н.у., а объёмный расход растворов органических соединений составлял 0,01 0,см3/с. Раствор в пленочном режиме стекал по поверхности пористого материала – стеклоткани.

Катализаторы на основе оксидов никеля, меди и серебра наносили на стеклоткань химическим методом в щелочной среде из соответствующих нитратов с последующей прокалкой. Катализатор из оксида титана стехиометрического состава получали магнетронным реактивным распылением Ti в среде Ar-O2. Химический состав катализаторов подтверждался методом ЭСХА (спектрометр ESCALAB MK II, V.G.

Scientific LTD, East Grinstead UK (Mg K 1253 eV, 90), а фазовый – рентгеноструктурным методом (дифрактометр ДРОН-2).

Ввод обрабатываемого раствора вход газа выход газа катод Диэлектрический Выход барьер газа отведение (стеклянная трубка) раствора Внешний электрод Разрядная зона П ористый материал ввод обрабаты Вход газа ваемого раствора Отведение анод раствора Внутренний электрод Рис. 1. Элемент реактора с коаксиРис. 2. Схема электрохимической ячейки альным расположением электродов Разложение вышеупомянутых веществ комбинированным методом - КМ (электрохимический, совмещенный с озонированием) проводили на установке (рис. 2) основной частью которой являлась электрохимическая ячейка. Аноды были изготовлены из титана, катоды из алюминия. Установка подключена к источнику постоянного тока. Напряжение устанавливалось равным 30.3 В. Для генерации озона использовали лабораторный озонатор.

Концентрации фенола, СПАВ, альдегидов, нефтепродуктов находились флуориметрическими методами (Флюорат-02). Концентрации карбоновых кислот, нитритов, нитратов, ионов аммония определялись стандартными фотометрическими методами.

Изменение окисляемости воды (ХПК) определяли перманганатным методом; концентрацию хлоридов, активного хлора, а также диоксида углерода в газовой фазе – титриметрически, концентрацию карбонат- и гидрокарбонат-ионов в жидкой фазе – потенциометрически. Концентрация озона в газовой и жидкой фазах измерялась йодометрическим титрованием. Токсическое действие растворов определялось расчетным методом (расчет потенциальной токсичности - ПТ) и методом биотестирования (тест-объекты - Daphnia Magna и Poecillia Reticulata Peters (гуппи)).

Описана процедура математической обработки кинетических кривых разложения исследуемых органических соединений в воде для определения скоростей процессов и их констант.

В третьей главе проводится обсуждение полученных экспериментальных результатов.

§ 3.1. Роль химически активных частиц в процессах очистки воды от СПАВ Эксперимент показал, что барьерный электрический разряд является источником образования озона. В ходе исследований было установлено, что при использовании в качестве плазмообразующего газа О2 концентрация О3 в газовой фазе при обработке водных растворов СПАВ в ДБР в среднем 22-25 раз больше, чем в жидкой.

При увеличении времени контакта раствора с зоной разряда происходило накопление озона в жидкой фазе, причем наибольшее количество озона (~ 230 мкмоль/л) наблюдалось при обработке в ДБР дистиллированной воды. Содержание озона в растворе, подвергшемся обработке в ДБР, ниже, чем в дистиллированной воде, что может объясняться тем, что часть озона, как окислителя, расходуется на разложение СПАВ. Показано, что озон является не единственным окислителем, отвечающим за процессы деструкции органической молекулы. На основании экспериментальных данных была оценена концентрация других основных активных частиц в газовой фазе при ДБР: [HO2•]= 4,15 мкмоль/л, [•OH]= 0,12 мкмоль/л.

В ходе проведения эксперимента по очистке воды от СПАВ также были определены концентрации озона в жидкой фазе при озонировании и электрохимическом комбинированным с озонированием методами – в слабощелочной (с добавкой ОН-) и слабоминерализованной среде (с добавкой Cl-) (КМ). Изменения концентрации озона описывались кривой с насыщением при всех видах воздействия. Максимальное содержание озона в растворе при обработке сульфонола наблюдалось при озонировании и составляло 75 мкмоль/л, что в 1,4 и 1,6 раз больше, чем при комбинированном воздействии с хлорид- и гидроксид- ионами соответственно.

§ 3.2. Обработка модельных растворов фенола и СПАВ при озонировании и комбинированном воздействии электрического поля и озона Для проведения исследования по разложению органических соединений были выбраны следующие методы: озонирование; озонирование совместно с электрохимической обработкой в среде Сl (КМ + Cl-) и ОН (КМ + ОН-).

Экспериментально установлено (рис. 3), что при увеличении начальной концентрации поллютанта в 75 раз (от 0,2 до 15 мг/л) степень деструкции (, %) снижалась.

Максимальное снижение степени деструкции в зависимости от начальной концентрации загрязнителя в растворе, с 99,9 до 20 %, наблюдалось при озонировании лаурилсульфата натрия. Однако в диапазоне начальных концентраций загрязнителя в растворе от 0,2 до 5 мг/л комбинированный метод как в среде ОН, так и Cl- является более эффективным, чем озонирование.

, %, % а) б) 40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 4 6 8 10 12 14 Сн, мг/л Сн, мг/л Рис. 3. Степень разложения поллютантов в зависимости от их исходной концентрации при обработке в КМ + Cl- (а) и озонировании (б): 1 – фенол, 2 – лаурилсульфат натрия, 3 – сульфонол; к.ж. = 520 с Обнаружено, что увеличение времени контакта жидкости с приэлектродной областью в 3 раза (от 200 до 600 с) приводило к снижению концентрации загрязнителя в растворе в среднем в 3 раза, независимо от способа обработки. Максимальная степень разложения – = 90 % (рис. 4) наблюдалось при обработке сульфонола комбинированными методами (КМ + Cl- и КМ + ОН-). При максимальных временах контакта степени превращения всех соединений близки и составляют от 80 до 90 %, причем минимальные степени превращения характерны все же для фенола (80 %), в то время как для СПАВ они могут достигать и 90 %.

По степени устойчивости к электрохимической деструкции совместно с озонолизом изученные соединения можно расположить в следующей последовательности:

фенол - лаурилсульфат натрия - сульфонол.

Pages:     || 2 | 3 |






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