Термодинамика и кинетика сорбции поллютантов сточных вод нетрадиционными материалами 02. 00. 04 физическая химия



страница1/4
Дата04.05.2016
Размер0.49 Mb.
ТипАвтореферат диссертации
  1   2   3   4

На правах рукописи




Сазонова Анна Владимировна


ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА СОРБЦИИ
ПОЛЛЮТАНТОВ СТОЧНЫХ ВОД
НЕТРАДИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ



02.00.04 - физическая химия

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Курск - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» на кафедре общей и неорганической химии





Научный руководитель


- доктор химических наук, профессор

Ниязи Фарух Фатехович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образованию «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), Курск







Официальные оппоненты:

- доктор химических наук, профессор

Заиков Геннадий Ефремович

Федеральное бюджетное учреждение науки «Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук» (ИБХФ РАН), Москва









- доктор химических наук, профессор

Комиссаров Геннадий Германович

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук» (ИХФ РАН), Москва







Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт элементоорганических соединений Российской академии наук им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук» (ИНЭОС РАН), Москва

Защита состоится 20 марта 2013 года в 12 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.039.01 при Федеральном Государственном бюджетном учреждении науки Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук по адресу: 119334, Москва, ул. Косыгина, д. 4.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук.
Автореферат разослан 23 января 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.039.01,

кандидат химических наук Мазалецкая Л.И.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: На сегодняшний день охрана окружающей среды является приоритетной задачей. Загрязнение водных объектов приводит к необходимости разработки новых способов очистки сточных вод. Актуальность данной работы не вызывает сомнения, поскольку изучение кинетических и термодинамических характеристик сорбции поллютантов относится к ключевым вопросам при очистке сточных вод. Особый интерес представляет использование в качестве сорбента природных материалов. Определение термодинамики и кинетики сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами является необходимым и важным этапом при выявлении эксплуатационных возможностей сорбентов нового типа и оптимизации сорбционного процесса.

Связь работы с научными программами: Работа выполнена в рамках проекта «Реализация молодежного научно-исследовательского проекта «Индиго» по теме №1.135.12 П «Мониторинг объектов окружающей среды и продуктов питания. Поиск нетрадиционных способов очистки водных ресурсов различного происхождения» по мероприятию «Активизация и вовлечение молодежи в научные процессы Университета».

Цель настоящей работы: изучение особенностей сорбционного взаимодействия карбонатных пород и поллютантов сточных вод, оценочным критерием которого являются термодинамические и кинетические характеристики сорбции, а также установление механизма процесса.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить химический состав и адсорбционно-структурные характеристики карбонатных пород.

2. Определить влияние состава и свойств поверхности карбонатных пород, а также термической и химической модификации на сорбционные свойства поллютантов сточных вод.

3. Рассмотреть термодинамические и кинетические параметры сорбции в качестве научного обоснования использования данного сорбента.

4. Предложить механизм процесса сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами.



Научная новизна:

1. Определены термодинамические, кинетические характеристики сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами.

2. Предложен механизм процесса сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами.

3. Показана перспективность использования карбонатных пород - мергеля мелоподобного и мергеля глинистого для удаления различных поллютантов из водных объектов окружающей среды.



Научно-практическая значимость работы заключается в развитии научной базы для изучения термодинамических и кинетических закономерностей сорбции поллютантов при очистке сточных вод.

Найденные оптимальные условия, а также выявленные закономерности и количественные характеристики сорбции могут служить основой для разработки технологических схем очистных сооружений гальванических цехов при удалении из сточных вод ионов тяжелых металлов, текстильных и деревообрабатывающих предприятий - при извлечении органических веществ.

Количественные характеристики сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами могут быть использованы при изучении дисциплин: «Физико-химические методы анализа», «Методы очистки сточных вод», «Системы защиты среды обитания (гидросфера)», «Химия воды». Внедрение в учебный процесс полученных результатов положительным образом скажется на качестве подготовки студентов и будет стимулировать их интерес к научно-исследовательской работе.

Методы исследования и контроля: При выполнении диссертационной работы использованы статический и кинетический методы исследования с привлечением химических (гравиметрия, титрование) и физико-химических (потенциометрия, спектрофотометрия, ИК-спектроскопия, поляризационно-интерференционная микроскопия) методов анализа. Для обработки результатов применяли методы математического моделирования и многомерного статистического анализа с помощью программ MathCad 2001, Statistica 6.0, MicrosoftExcel 2007.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается совпадением данных многих независимых экспериментов, применением современных апробированных методов исследования, поверенной измерительной техники и приборов, позволяющих провести эксперимент с допустимой погрешностью, компьютерной обработкой результатов эксперимента, проверкой и подтверждением выводов в промышленных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования химического состава и адсорбционно-структурных свойства карбонатных пород.

2. Данные о влиянии условий сорбции на степень извлечения ионов тяжелых металлов, промышленных красителей и фенола карбонатными породами.

3. Термодинамические и кинетические параметры процесса сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами.



4. Представление механизма сорбции поллютантов сточных вод карбонатными породами.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы представлены на конференциях: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2009-2012); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (Курск, 2009, 2011); Научной студенческой конференции «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009); Второй Всероссийской конференции «Химия в нехимическом вузе» (Москва, 2010); Международной научно-практической конференции «Применение инновационных технологий в научных исследованиях» (Курск, 2010-2012); XI Международной научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2011); Международной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Математика и её приложение в современной науке и практике» (Курск, 2011-2012); Международной научно-инновационной конференции аспирантов, студентов и молодых учёных «Теоретические знания - в практические дела» (Омск, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология и биомедицинская инженерия» (Курск, 2011); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011 г.); Международна научна практична конференция «Динамиката на съвременната наука» (София, 2011); Международной научно-практической конференции «Современная наука: тенденции развития» (Краснодар, 2012); IV Международной молодежной научной конференция «Молодежь и XXI век - 2012» (2012, Курск); VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Менделеев-2012» (Санкт-Петербург, 2012); VIII Международной научно-практической конференции «Дни науки-2012» (Прага, 2012); VIII Международной научно-практической конференции «Европейская наука ХХІ века - 2012» (Пшемысь, 2012).

Публикации: По результатам диссертации опубликовано 25 печатных работы, в том числе 3 в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение РФ.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, трёх глав обсуждения результатов, выводов, списка использованной литературы (207 источников). Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 32 таблицы.

Личный вклад автора состоит в проведении экспериментов, обобщении, анализе и трактовке полученных результатов, формировании положений, выносимых на защиту, выводов работы и практических рекомендаций. В работах, выполненных в соавторстве, соискатель участвовала на всех этапах исследований - от постановки эксперимента до обсуждения, оформления, публикации результатов и представлении их на конференциях.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана её научная новизна и практическое значение, сформулирована цель работы и задачи исследования.

В главе 1 (литературный обзор) диссертационной работы рассмотрены современные методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и органических веществ.

Представлены физико-химические основы сорбционной очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов и органических веществ. Систематизированы литературные данные о сорбентах ионов тяжелых металлов, промышленных красителей и фенолов. Рассмотрены сорбционные свойства природных сорбентов по отношению к различным загрязняющим веществам. Показана перспективность их использования для очистки сточных вод. Однако в литературе отсутствуют сведения по изучению термодинамики и кинетики сорбции карбонатными породами поллютантов сточных вод. На основании анализа и обобщения литературных данных сформулированы задачи работы, направленные на изучение процессов сорбции с использованием нетрадиционных природных материалов (карбонатных пород) для очистки сточных вод от поллютантов (ионов тяжелых металлов, промышленных красителей, фенола) с использованием закономерностей кинетики и термодинамики процесса сорбции.



В главе 2 дана характеристика объектов исследования, используемых растворов, рассмотрены экспериментальные методы исследования.

Объектами исследования настоящей диссертационной работы были природные неорганические сорбенты - карбонатные породы Курской области.

В качестве сорбатов использовали промышленные красители различных классов (катионный синий 2К, катионный красный 14, кислотный антрахиноновый ярко зелёный Н4Ж и кислотный антрахиноновый синий), фенолы, тяжёлые металлы (Cu2+, Fe2+, Fe3+, Cr3+) квалификации «х.ч.» и «ч.д.а.».

В работе использован метод одноступенчатой статической сорбции.

Для определения концентраций загрязняющих веществ выбраны химические и физико-химические методы исследования: спектрофотометрическое определение ионов тяжёлых металлов и красителей; бромирование и йодометрическое титрование фенолов.

В главе 3 рассмотрены результаты исследования химического состава и адсорбционно-структурных характеристик карбонатных пород, а также выбраны оптимальные условия сорбции в системе «сорбент-поллютант».

Перспективным направлением для удешевления процесса сорбционной очистки является поиск дешёвых и доступных материалов, обладающих высокой сорбционной емкостью. Представляло интерес использовать природные породы в качестве сорбентов поллютантов сточных вод. Наличие в Курской области месторождений карбонатных пород значительно повышает актуальность диссертационной работы. При этом доступность месторождений и относительно невысокая стоимость минералов придает полученным результатам практическую значимость. Возможность использования природных залежей карбонатных пород без дополнительной обработки делает данный сорбент экономически выгодным.

Был проведен анализ химического состава карбонатных пород Юго-Западной части Курской области (п. Духовец, Конышовский, Беловский и Медвенский районы) (табл. 1).

Состав


Карбонатные породы Курской области

Конышовский р-н

Беловский р-н

Медвенский р-н

п. Духовец

CaCO3, %

49,500

48,210

45,950

43,540

SiO2, %

9,850

10,580

11,200

23,490

Аl2O3 и Fe2O3, %

1,573

1,840

1,530

3,390

Нерастворимый остаток, %

11,075

12,950

13,566

26,240

Водорастворимые вещества, %

3,1823

1,170

2,1599

1,600

Содержание влаги, %

9,623

7,360

6,313

1,080

Сульфат-ионы, %

0,005

0,007

0,014

0,009

Хлорид-ионы, %

0,005

0,003

0,002

0,001
Таблица 1. Химический состав карбонатных пород Курской области

Согласно классификации Вишнякова С.Г. карбонатные породы разделяют в зависимости от соотношения карбонатной и терригенной (глинистой) составляющей. Изучаемые карбонатные породы Курской области относятся к разным видам мергеля: порода п. Духовец - к глинистому мергелю (CaCO3 - 43,54%; Аl2O3 и Fe2O3 - 3,39%; SiO2 - 23,49%); породы Конышовского, Медвенского и Беловского районов - к мелоподобным мергелям (CaCO3 - от 45,95 до 49,5 %; Аl2O3 и Fe2O3 - от 1,53 до 1,84%; SiO2 - от 9,85 до 11,2%). Согласно классификации Дыбкова В.Ф. и Карякина А.Е. все изучаемые карбонатные породы Курской области относятся к мергелистым сланцам («трескунам») с содержанием CaCO3 - 39-60%.

Структурные и микроскопические характеристики карбонатных пород определяли, используя поляризационно-интерференционный метод однородного поля. Установлено, что исходные карбонатные породы слагаются тригональными кристаллами кальцита и ромбическими кристаллами доломита.

Рассматривая карбонатные породы в качестве сорбента, можно предположить, что их сорбционные свойства обусловлены наличием на карбонатной части поверхности карбонатных, бикарбонатных и гидроксильных групп (R2-CO3, R-HCO3, R-OH), способных к образованию водородных связей с молекулами поллютантов сточных вод. Помимо карбонатной части в сорбенте важной составной частью являются глинистые вещества. Наличие в составе сорбента SiO2 позволяет рассматривать его как гидратированный аморфный кремнезём с низкой удельной поверхностью, на которой расположены силанольные (Si-OH) и силоксановые (-Si-O-Si-) группы. Гидроксильные группы поверхности сорбента обладают слабокислотными свойствами и играют важную роль при сорбции веществ, способных к донорно-акцепторному взаимодействию. Содержание в карбонатном сорбенте Аl2O3, Fe2O3 и других металлов также ведёт к донорно-акцепторному взаимодействию и образованию водородных связей.

Глинистый мергель п. Духовец имеют максимальное содержание оксидов алюминия и железа (до 3,39%) и нерастворимого в соляной кислоте остатка (26,24%). Мелоподобные мергели отличаются низким содержанием нерастворимого остатка (от 11,075 до 13,566%), что подтверждает присутствие других минералов (фосфатов, ангидридов, гипса и др.). В данных породах содержание полуторных оксидов Аl2O3, Fe2O3 меньше (от 1,53 до 1,84%).

Установлены адсорбционно-структурные характеристики карбонатных пород с размером частиц 0,2-2,0 мм (табл. 2). Сорбент IV обладает наибольшей адсорбционной активностью: по йоду - 0,450% (микропоры - 0,6-1,5 нм) и по метиленовому голубому (МГ) - 17,125 мг/г (мезопоры - 1,5-50 нм), а также наибольшей удельной площадью поверхности (30,807 м2). Меньшей удельной площадью поверхности (21,84% м2) и адсорбционной активностью (по йоду - 0,375% и по МГ - 12,14 мг/г) обладает сорбент I с меньшим содержанием CaCO3 - 43,54%, но большим количеством SiO2 - 23,49% и Аl2O3, Fe2O3 - 3,39%. Сорбенты II и III обладают промежуточными значениями и подчиняются такой же закономерности: с увеличением содержания карбонатов в сорбенте и уменьшением содержания песка и полуторных оксидов возрастают адсорбционная активность, удельная поверхность, следовательно, и сорбционная способность.



Таблица 2. Адсорбционно-структурные характеристики карбонатных пород с размером частиц 0,2-2,0 мм


Сорбент


Карбонатная порода

Адсорбционная активность

Удельная площадь поверхности, м2

по МГ, мг/г

по йоду, %

I

п. Духовец

12,140

0,375

21,841

II

Беловский р-н

14,351

0,370

25,818

III

Медвенский р-н

15,570

0,210

28,010

IV

Конышовский р-н

17,125

0,450

30,807

V


Конышовский р-н,

обработанный кислотой


63,491

0,835

114,222

VI


Конышовский р-н,

прокаленный


89,047

0,766

160,196



  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал