Дипломная работа по сорбции. Выпускная квалификационная работа бакалавра
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» Кафедра фундаментальной химии и химической технологии ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА на соискание квалификации (степени) бакалавра_________________________ __________________________________________________________________ (техники и технологии, менеджмента, экономики, юриспруденции и т.д.) Поиск оптимальных условий сорбционной очистки сточных вод от промышленных красителей отходами деревообрабатывающей промышленности (название темы) по направлению подготовки 240100.62 химическая технология (код, наименование) Автор работы ________________________________ Гатилова О. В. (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Группа ХТ-11б Руководитель работы __________________________ Бурыкина О. В. (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Нормоконтроль _____________________________ _____________________ (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Работа допущена к защите Заведующий кафедрой __________________________ Миронович Л. М. (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Оценка _________________ Протокол ГЭК № _______ от_____________ Председатель ГЭК_____________________________ ____________________ (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Курск 2015г. МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» Кафедра фундаментальной химии и химической технологии
ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА Студент (слушатель) Гатилова О. В. шифр 240100.62 группа ХТ-11б (фамилия, инициалы) 1. Тема поиск оптимальных условий сорбционной очистки сточных вод от промышленных красителей отходами деревообрабатывающей промышленности утверждена приказом по ЮЗГУ от «____» ___________ 20___ г. № _______ 2. Срок представления работы к защите «_____» _____________ 20 ___ г. 3. Исходные данные: ________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 4. Содержание работы (по разделам): 4.1. Введение 4.2. Литературный обзор 4.3. Методическая часть 4.4. Обсуждение результатов 5. Перечень графического материала: не предусмотрено Руководитель работы _______________________ О. В. Бурыкина (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Задание принял к исполнению ______________________ О. В. Гатилова (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Реферат Выпускная квалификационная работа, объёмом 84 страниц, содержит 14 таблиц, 20 рисунков, 75 использованных источника, 1 приложение. Ключевые слова: сорбция, краситель, отходы, дубовые опилки, сточные воды, кинетика, термодинамика, изотермы, рентгенограмма. Объектом изучения выпускной квалификационной работы является сорбционная очистка модельных cточных вод красильного цеха. Целью выпускной квалификационной работы является поиск оптимальных условий сорбционной очистки сточных вод от промышленных красителей отходами деревообрабатывающей промышленности. Для достижения поставленной цели проводился сбор информации о производстве красильных предприятий, рассмотрены методики определения показателей адсорбции и сорбционной емкости сорбента. Проблема разработки способов повторного использования дубовых опилок является весьма актуальной для современной промышленности. Принимая во внимание быстрое загрязнение экологии, очевидно, что проблема сохранения окружающей среды будет стоять ещё долгий период времени на первом месте для человека. Содержание
Обозначения и сокращения ПДК - предельно допустимая концентрация ХПК - химическое потребление кислорода БПК - биологическое потребление кислорода ПАВ - поверхностно - активные вещества ПНВ - поверхностно - не активные вещества ПИВ - поверхностно-инактивные вещества БЭТ - классификация Брунауэра, Эммета и Теллера. НПЗ – нефтеперерабатывающий завод АЗС - автозаправочная станция РФА - рентгенофазовый анализ ВКР - выпускная квалифицированная работа Введение На сегодняшний момент промышленные предприятия очень часто используют различные типы красителей. В производственных процессах некоторый процент используемых красителей попадают в сточные воды Большинство органических красителей высокотоксичны. Кроме того, они нарушают кислородный режим водного объекта, который необходим для жизнедеятельности организмов водоема. Перспективным направлением, которое поможет сделать процесс сорбционной очистки более дешевым является использование, с одной стороны, дешёвых, с другой - доступных сорбционных материалов. Сейчас сорбенты производят из различных видов материала: древесина, целлюлоза, природный уголь, полимеры, углеводороды, разные техногенные отходы. Использование в качестве сорбентов отходов предприятий местного региона позволит сделать сорбционный процесс экономически выгодным, кроме того позволит снизить загрязнение окружающей среды. Целлюлоза обладает большой сорбционной способностью ко многим загрязняющим веществам, поэтому использование отходов деревообрабатывающей промышленности (дубовых опилок) является интересным. Важнейшим этапом для выявления оптимальных условий сорбционного процесса является определение эффективности сорбента, которое проводится на основании исследования кинетических и термодинамических характеристик процессов сорбции. Исследования сорбционных свойств дубовых опилок по отношению к промышленным красителям, а также определение оптимальных условий (масса сорбента, температура, время контакта) сорбции проводится в статических и динамических условиях. Разработка способов повторного использования дубовых опилок является актуальной задачей. Обзор литературы Проблемы загрязнения окружающей среды За последнее время во многих регионах Российской Федерации наблюдается ухудшение экологической ситуации. Объекты окружающей среды подвергаются большому антропогенному воздействию, что приводит к их загрязнению веществами различного происхождения, которые могут приводить к отравлениям, хроническим заболеваниям, оказывать токсическое и мутагенное действие на организм. Например, ионы тяжелых металлов, таких как свинец, ртуть, медь и др., накапливаясь оказывают токсическое действие на биообъекты. Продукты разложения хлорпроизводных ароматических углеводородов, которые используются при производстве гербицидов, - хлордиоксины, токсичны для человека и животных. Они вызывают поражение иммунной системы, печени и почек даже при низких концентрациях. Источниками загрязнения окружающей среды – диоксинами являются: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, отходы и побочные продукты металлургической, целлюлозно-бумажной промышленности. Вмешательство в природные циклы веществ за счет сельскохозяйственной деятельности, а также образование отходов жизнедеятельности человека наносит не меньший вред окружающей среды и здоровью человека, чем загрязнение синтетическими веществами. На рисунке 1 распределение отраслей промышленности, загрязняющие атмосферу [1].  Рисунок 1- Основные отрасли промышленности, загрязняющие атмосферу Химическая промышленность не является главным поставщиком загрязнений, но для нее характерны выбросы, наиболее опасные для природной среды, человека, животных и растений, которые называют «опасные отходы». Эти отходы наносят вред здоровью человека и окружающей среде при их хранении, транспортировке, переработке. К ним относятся воспламеняющиеся отходы, токсичные вещества, отходы, вызывающие коррозию и другие химически активные вещества. На рисунке 2 показан вклад отраслей промышленности в загрязнение окружающей среды опасными отходами [1].  Рисунок 2 –Основные отрасли промышленности, имеющие опасные отходы В зависимости от площади поражения (загрязняющее вещество может распространяться по всей планете, на определенную значительную территорию или иметь локальный характер) экологические проблемы бывают трех видов - глобальные, региональные и локальные. Многие отходы промышленных предприятий и транспорта относятся к загрязнениям регионального масштаба, на первом месте среди них находятся серный и сернистый ангидриды, которые вызывают образование кислотных дождей, нарушающие рост растительности, поражающие организмы животных, вызывающие заболевания населения [2]. На распространение образующихся оксидов серы влияют природные условия, поэтому происходит их неравномерное распределение по территории и ущерб наносится отдельным районам региона. Существует три основных пути решения природоохранных проблем, связанных с оксидами серы: 1) создание очистительных сооружений, применение малосернистого топлива, уничтожение и переработка мусора, строительство дымовых труб высотой 200-300 м и более, рекультивация земель; 2) разработка и применение природоохранной («чистой») технологии производства, разработка оборотных методов водоснабжения и т.д. Этот путь не просто уменьшает загрязнение природных объектов, а предупреждает их загрязнение; 3) глубоко продуманное, рациональное размещение «грязных» производств, оказывающие неблагоприятные воздействия на окружающую среду. 1.2 Антропогенные загрязнения окружающей среды Загрязнение окружающей среды - нежелательное изменение ее свойств в результате антропогенного поступления различных веществ и соединений в природные объекты. Загрязнение приводит к вредному воздействию на литосферу, гидросферу, атмосферу, на биосферу, на здания, конструкции и материалы, а в конечном итоге и на самого человека. Главным источником такого загрязнения является возвращение в природу огромной массы отходов, образующихся в процессе производства и потребления человеческого общества. Загрязняющие вещества условно можно разделить на несколько групп: 1) по физическому состоянию: - нерастворимые примеси; -коллоидные частицы; - растворимые примеси. 2) по химической природе: - минеральные; - органические; - бактериальные; - биологические. Важной причиной загрязнения почв являются промышленные отходы, неправильное внесение удобрений, бытовой мусор. Главными загрязнителями являются тяжелые металлы и их соединения, радиоактивные вещества, удобрения, ядохимикаты. Загрязнение почвенного покрова происходит в результате нерационального природопользования, которое возникает в результате безграмотного ведения сельского хозяйства, нарушения земель, в процессе строительства и горных разработок [3]. В результате возникают мало продуктивные и непродуктивные земли, и возникает ландшафт - «дурных земель» (бедленд). В настоящее время они занимают 1% поверхности суши. Загрязнение гидросферы происходит, в результате сброса в реки, озера и моря сточных вод. Их общий объем достигает 1 тыс. м3 в год. Для их нейтрализации методом разбавления требуется около 10 тыс. м3чистой воды. Наиболее загрязнены такие реки как Ганг, Рейн, Дунай, Сена, Дон, Миссисипи, Огайо, Волга, Днепр, Днестр, Нил, Тибр [4]. Загрязнение Мирового океана стремительно растет, в него попадает около 100 млн. т отходов. Большой вред наносит нефтяное загрязнение. В Мировой океан ежегодно попадает 3-4 млн. т нефтепродуктов и нефти [4]. Считается, что 1/3 поверхности Мирового океана покрыто маслянистой пленкой. Вредные компоненты и вещества, попадающие вводный объект, приводят к загрязнению воды. Многие виды человеческой деятельности, такие как стирка, химчистка и сброс отходов, вносят значительный вклад в загрязнение водной среды. Мыло и моющие средства, которыми мы пользуемся ежедневно, также сделаны из вредных веществ и синтетических материалов, которые очень сильно загрязняют воду. Например, мыла - натриевые соли высших карбоновых кислот, попадая в процессе стирки в сточные воды гидролизуются с образованием щелочной среды. Сброс этих вод в природные водные объекты может привести к нарушению кислотно-щелочного равновесия природного объекта. Кроме того, выброшенные крупные отходы: канистры, бутылки и пластмассовые материалы, также представляют опасность, т.к. материалы из которых они сделаны долгое время не разлагаются, в результате происходит захламление водоема, и нарушается жизнедеятельность флоры и фауны водного объекта. В конечном итоге такая вода становится непригодной для питья, использования в сельском хозяйстве и даже в промышленности. Для повышения эффективности производства сельскохозяйственные предприятия в систему круговорота химических элементов искусственно вводятся значительные массы калия, азота, фосфора в виде минеральных удобрений [5]. Их избыток, не усвоенный растениями, активно вовлекается в водную миграцию. Накопление соединений азота в природных водоемах вызывает усиленный рост водной растительности, что приводит к зарастанию водоемов и загрязнению их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения. Кроме того, аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышение концентрации этого элемента в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Это может вызвать серьезные заболевания людей. Большинство водоемов России подвержены сильному антропогенному влиянию. Показатели качества воды в большинстве случаев не соответствуют требованиям законодательных и нормативных документов. Рост загрязненности поверхностных вод подтверждается многолетними наблюдениями за их качеством. Ежегодно увеличивается число створов с высоким уровнем загрязнения воды (более 10 ПДК) и количество случаев экстремально высокого загрязнения водных объектов (свыше 100 ПДК) [6]. Попадание в водоемы патогенных микроорганизмов приводит к микробному загрязнению вод. Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, легкой промышленности [7]. Также большое количество загрязняющих химических веществ поступает в природные водоемы в результате развития земледелия, т.к. организации этой отрасли в своей работе используют пестициды, гербициды и др. вещества, необходимые для лучшего роста растений, защиты их от вредителей и сорняков. При обработке сельскохозяйственных угодий существует опасность сноса пестицидов, степень которой зависит от способа применения и формы препарата. При наземной обработке опасность загрязнения водоемов меньше, в то время как при авиа-обработке препарат может сноситься потоками воздуха на большие расстояния и осаждаться на необработанной территории и поверхности водоемов [8]. Нерациональное природопользование и загрязненность окружающей среды препятствует развитию производства и угрожает жизни людей. Большинство экономически развитых стран проводят государственную экологическую политику: принимают природоохранные законы, создают государственные органы по охране окружающей среды, развивают научное направление «Зеленая химия. Устойчивое развитие», которое способствует разработке безотходных и ресурсосберегающих технологий [9]. Охрана объектов осуществляется природоохранными структурами посредством регулирования деятельности стационарных и других источников загрязнения. Сточные воды Ещё одним источником загрязнения объектов гидросферы являются сточные воды, которые образуются при использовании воды на производственно-бытовые нужды, стекающие с улиц населенных пунктов, в результате выпадения атмосферных осадков. Различные виды примесей, попадая в воду изменяют первоначальные органолептические и физико-химические свойства воды. По происхождению и составу сточные воды подразделяются на три категории: - бытовые - поступающие от жилых и общественных зданий, а также от бытовых помещений и промышленных предприятий; - производственные - используемые в технологических процессах, не отвечающие более требованиям, предъявляемым к их качеству; - атмосферные - дождевые и талые. Смесь бытовых и производственных сточных вод называют «городские сточные воды». Бытовые, производственные и атмосферные сточные воды отводятся как совместно, так и раздельно [10]. Для благоустройства населенных пунктов, обеспечения санитарно-гигиенических условия труда и быта населения используются водоотводящие системы и сооружения. Системы водоотведения и очистки состоят из комплекса оборудования для приема, удаления, очистки и обезвреживания бытовых, производственных и атмосферных сточных вод перед их сбросом в водоем или утилизацией. Наиболее широкое распространение получили общесплавные и раздельные системы водоотведения. Общесплавная система водоотведения позволяет все три категории сточных вод отводить на очистные сооружения по одной общей сети труб и каналов за пределы городской территории [11]. При раздельной системе водоотведения по одной сети труб и каналов отводятся дождевые и незагрязненные производственные сточные воды, а по другой - бытовые и загрязненные производственные сточные воды. Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие примеси органического и минерального происхождения, которые находятся в нерастворенном, коллоидном и растворенном состоянии. Степень загрязнения сточных вод оценивается концентрацией, т.е. массой примесей в единице объема - мг/л или г/куб. м [12]. Состав сточных вод регулярно анализируется: проводятся санитарно-химические анализы по определению величины ХПК (общая концентрация органических веществ); БПК (концентрация органических соединений, окисляемых биологическим путем); концентрация взвешенных веществ; активной реакции среды; интенсивности окраски; степени минерализации; концентрации биогенных элементов (азота, фосфора, калия) и др. [13]. На состав производственных сточных вод влияет вид перерабатываемого сырья, технологический процесс производства, применяемые реагенты, промежуточные изделия и продукты, состав исходной воды, местные условия и др. На основании изучения состава и режима водоотведения общего промышленного стока, а также сточных вод от отдельных цехов разрабатываются различные схемы водоотведения и возможности вторичного использования очищенной воды в технологическом процессе. Помимо определения основных санитарно-химических показателей в производственных сточных водах определяются концентрации специфических компонентов, содержание которых предопределяется технологическим регламентом производства и номенклатурой применяемых веществ [13], в виду того, что производственные сточные воды представляют собой наибольшую опасность для водоемов. Производственные сточные воды делятся на две категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые). Загрязненные производственные сточные воды подразделяются на три группы: - загрязнители минерального происхождения (предприятия металлургической, машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности; заводы по производству кислот, строительных изделий и материалов, минеральных удобрений и др.). - загрязнители органического происхождения (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, микробиологической, химической промышленности; заводы по производству каучука, пластмасс и др.). - загрязнители минерального и органического происхождения (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству сахара, консервов, продуктов органического синтеза и др.). Кроме того, существуют «тепловые загрязнения» водных объектов, которые являются результатом сброса нагретых сточных вод. Промышленные сточные воды могут различаться по концентрации загрязняющих веществ, по химической и биологической активности и т.д. Состав сточных вод промышленных предприятий имеет различный состав, что вызывает необходимость тщательного обоснования выбора надежного и эффективного метода очистки в каждом конкретном случае [14]. Расчетные параметры и технологические регламенты обработки сточных вод и образующегося осадка определяют экспериментально, сначала в лабораторных, а затем в полупромышленных условиях. Количество производственных сточных вод зависит от производительности предприятия и определяется по нормам водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности. Норма водопотребления - это количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное на основании научно обоснованного расчета или опыта. В укрупненную норму входят все расходы воды для предприятия. Укрупненные нормы позволяют дать оценку рациональности использования воды на любом действующем предприятии. В состав инженерных коммуникаций промышленного предприятия, как правило, входит несколько водоотводящих сетей. Незагрязненные нагретые сточные воды поступают на охладительные установки, например, охладительные пруды, а затем возвращаются в систему оборотного водообеспечения. Загрязненные сточные воды поступают на очистные сооружения, а после очистки часть обработанных сточных вод подается в те цеха, где ее состав удовлетворяет нормативным требованиям. Эффективность использования воды на промышленных предприятиях оценивается количеством использованной оборотной воды, коэффициентом ее использования и процентом ее потерь. Для промышленных предприятий составляется баланс воды, включающий расходы на различные виды потерь, сбросы и добавление компенсирующих расходов воды в систему. Наибольшая проблема сточных вод возникает при крашении и печатании текстильных материалов. При проведении этой отделочной операции текстильного материала используют различные красители как по физическим, так и химическим свойствам. В зависимости от специализации предприятия часто используются более 100 различных рецептур, которые содержат многочисленные красители и вспомогательные вещества. Степень их выбирания зависит от красителя и может составлять от не менее 70% до более 95% [15]. Это значит, что часть красителей попадает в сточные воды. Также попадают вспомогательные вещества, в том числе поверхностно-активные, иногда с высокой концентрацией. Они образуют один или несколько потоков, в которых имеется большое число веществ в разных соотношениях. 1.3.1 Сточные воды красильных цехов Сточные воды текстильных предприятий представляют собой сложную систему, содержащую большое количество разнообразных минеральных и органических примесей. Загрязнения в этих сточных водах могут быть в грубодисперсной, коллоидной, молекулярной и ионной формах [16]. Критерием загрязненности сточных вод при сбросе красителей в водоемы является ухудшение качества природных вод вследствие изменения их органолептических свойств, появление 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 может быть настолько велико, что при поступлении их в водный объект могут произойти необратимые процессы, включая полное разрушение имеющейся экосистемы. 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. Увеличение минерализации может угнетать биохимическую жизнь в водоеме. Определены предельно допустимые концентрации (ПДК) красителей, не влияющие на процессы самоочищения воды, которые составляют менее 0,001 мг/дм3 [17]. В связи с этим возникает необходимость обезвреживания сточных вод, содержащих красители. Загрязнение сточных вод незакрепленными красителями представляет серьезную экологическую проблему не только из-за потенциальной опасности для здоровья человека и животных, но также и из-за загрязнений взвешенными частицами, хорошо заметными невооруженным глазом. Обычно при окрашивании может быть достигнута фиксация красителей в 90 %, но при набивке тканей при помощи химически активных красителей обычными являются уровни фиксации в 60 % и менее [18]. Это обозначает, что более чем одна треть химически активного красителя поступает в сточные воды во время промывки набивной ткани. Дополнительные количества красителей попадают в сточные воды при мытье сит и барабанов. 1.3.2 Классификация промышленных красителей Красителями называются органические соединения, обладающие способностью интенсивно поглощать и преобразовывать энергию электромагнитных излучений в видимой, ближних ультрафиолетовой и инфракрасных областях спектра и применяемые для придания этой способности другим телам. Отличительная особенность красителя - способность пропитывать окрашиваемый материал - процессы диффузии, (например, текстиль, бумагу, мех, волосы, кожу, древесину, пищу - пищевые красители). При этом краситель способен давать цвет по всему объёму окрашиваемого тела, фиксируясь тем или иным способом на активных центрах - процессы сорбции. При окрашивании используют красители и пигменты, которые по-разному фиксируются на материале. Красители, растворяясь в растворителе, в процессе крашения диффундируют внутрь окрашиваемого материала, образуя с волокнами разные виды химической связи [19]. Пигменты нерастворимы, в краске они находятся в связующем веществе (олифе, нитроцеллюлозе и др.) и свойства краски зависят больше от связующего, чем от пигмента. Связь с окрашиваемым материалом обеспечивает связующее вещество. При крашении и печатание используют красители различных классов. 1.3.2.1 Катионные красители Катионные красители относятся к основным красителям и представляют собой растворимые в воде соли органических оснований [20]. Они диссоциируют в водных растворах с образованием окрашенного катиона, и предназначены специально для крашения полиакрилонитрильного волокна. В связи с тем, что синтетическое полиакрилонитрильное волокно имеет достаточно плотную физическую структуру, для его крашения используют красители с невысокой молекулярной массой и компактной структурой. Общий вид молекул катионных красителей представлен в уравнении (1): Кр N+Cl- Кр N+- Cl- (1) где Кр N+ - катион, который проявляет красящие свойства. Катионные красители закрепляются на волокне преимущественно при помощи ионных взаимодействий по реакциям (2), (3): Кр+Сl-Кр++Сl- (2) Волокно – СОО- + Кр+Волокно – СОО-Кр+ (3) В группу катионных красителей входят представители триарилметановых красителей, полиметиновых и азокрасителей, производные антрахинона и другие. Положительно зараженный атом азота может быть локализован в боковой цепи или входить в состав гетероцикла. В качестве компенсирующего аниона в молекулу красителя обычно входят хлорид- или метилсульфат- ионы. Они мало влияют на красящие свойства красителя, но играют важную роль в процессе его растворения. Катионные красители с положительным зарядом, локализованном в боковой цепи, по строению сходны с дисперсными, но в отличии от них имеют в структуре четвертичную аммониевую группу [21]. Наличие такой группы практически не сказывается на окраске соединения, но благодаря ей краситель приобретает основной характер и становится водорастворимым. В эту группу преимущественно входят азокрасителя и производные антрохинона. Такие красители образуют окраски, обладающие высокой светостойкостью, но по яркости, уступающие окраскам красителей других групп. Краситель, с положительным зарядом в хромофорной части молекулы, дает самые яркие окраски, имеет высокую способность к окрашиванию. Существуют различные типы таких красителей. К ним относятся азокрасители - производные гетероциклических аминов, (например, 2-аминобенстиазола), полиметиновые и триарилметановые красители. Красители, катион которых образует при протонировании в нейтральной или щелочной среде не содержат положительного заряда и ведут себя подобно дисперсным [22]. Однако в присутствии кислоты, необходимой при крашении полиакрилонитрильного волокна, аминогруппы, входящие в молекулы таких красителей, протонируются, приобретая положительный заряд, а краситель становится подобным другим катионным красителям. Катионные азокрасители содержат группировки, способные образовывать четвертичную соль. Краситель приобретает основный характер и растворимость в воде. Для получения некоторых катионных красителей, как и дисперсных красителей, используют гетероциклические амины. Четвертичный атом азота в этих красителях находится в гетероцикле. Нерастворимые в воде азокрасители называют пигментами. Четвертичные соли аммониевых оснований растворяются в воде и являются основными красителями. Они выпускаются под названием катионных и применяются для окрашивания нитрона и подобных ему волокон. В качестве примера можно привести красители розового и синего цвета. Катионные и аминоатрахиновые красители дополняют ассортимент других катионных красителей. Катионные красители с хорошими прочностными показателями на нитроне можно получать хлорметилированием ариламиноантрахинов с последующей кватеризацией путем обработки аминами [23]. 1.3.2.2 Кислотные красители По количеству марок в мировом ассортименте кислотные красители занимают 1 место. Они отличаются яркостью окрасок, присущих хромофорам достаточно простого строения, а в целом красители этого класса характеризуются широким спектром цвета. Кислотными красителями называют водорастворимые соли органических кислот, главным образом сульфо-, реже – карбоновых кислот, иногда соли фенолов. В водных растворах диссоциируют с образованием цветных анионов красителя. Компенсирующим катионом чаще всего является катион натрия Na+, реже аммония NH4+. Чаще всего кислотные красители являются натриевыми солями сложных органических сульфокислот и имеют молекулярную массу 300-500[24]. Общая формула кислотных красителей выглядит следующим образом КрSO3-Na+. Чем выше кислотность среды, тем выше положительный заряд волокна, и, следовательно, большее количество красителя сорбируется волокном. Недостатками кислотных красителей являются: - способность ионной связи к гидролизу в водных растворах и, следовательно, невысокая устойчивость окраски к мокрым обработкам; - мгновенное проявление сродства красителя к волокну приводит к его неровному окрашиванию. Главным образом кислотные красители предназначены для окрашивания белковых (шерсти, натурального шелка) и полиамидных волокон. Также их применяют для окрашивания кожи, бумаги, изготовления чернил. Вследствие наличия в макромолекулах амино- и карбоксильных групп белковые волокна обладают амфотерными свойствами[25]. В кислой среде подавляется диссоциация групп СООН и анионы красителя могут сорбироваться на положительно заряженных аминогруппах волокна с образованием ионных связей. 1.3.3 Вспомогательные компоненты сточных вод Многие фабрики используют для отбеливания раствор гипохлорита; газообразный хлор или порошкообразную хлорную известь, которая выделяет хлор при засыпке в резервуар. Используемые при отбеливании хлорирующие агенты полностью не расходуется и остаточный хлор может попасть в сточные воды. Хлор смешивается с органическими веществами и вызывает опасные химические реакции с растительными экстрагенами (которые сами по себе полезны), при этом полностью последние меняют свой фитохимический состав, приводя к нежелательным последствиям [26]. В процессах крашения в качестве вспомогательных веществ широко применяются соляная, серная кислота, а также едкие щелочи, различные растворители и поверхностно-активные вещества. Соляная кислота, попадая вместе со сточными водами в природные водоемы может нанести ущерб окружающей среде. Во-первых, выделение паров вещества в атмосферный воздух в количествах, превышающих санитарно-гигиенические нормативы, может повлечь отравление всего живого, а также способствует появлению кислотных осадков, которые могут привести к изменению химических свойств почвы и воды. Кислотные дожди способствуют вымыванию из почвы тяжелых металлов, которые затем усваиваются растениями. Используя такие растения в пищу, человек также получает повышенную дозу тяжелых металлов. Кроме того, возникает опасность загрязнения ими грунтовых вод, а, следовательно, питьевой воды. Во-вторых, соляная кислота может просочиться в грунтовые воды, вызывая загрязнение внутренних вод. Если вода в реках и озерах стала довольно кислой (рН менее 5) исчезает рыба. При нарушении трофических цепей сокращается число видов водных животных, водорослей и бактерий. Действие едких щелочей на организм обусловливается отнятием воды от тканей, растворением и разрушением белковых тел, при чем образуются щелочные альбуминаты в виде студенистой набухшей массы. Водные окиси щелочных металлов проникают глубоко в ткани, вызывая обширные разрушения [27]. Влияние едких щелочей на белок обусловливает и дезинфицирующее действие этих веществ. Едкая щелочь хорошо растворяет слизь, эмульгирует жиры, растворяет волосы, перья и ороговевший эпителий, а меньшей концентрации растворы едких щелочей размягчают поверхностные слои. Концентрированные или мало разведенные едкие щелочи обжигают и разрушают все слизистые оболочки. Органические растворители, используемые в процессах крашения и для чистки машин, могут сами вызывать дерматит или делать кожу уязвимой к раздражающему действию различны вредных агентов. Кроме того, они могут быть причиной периферийной невропатии, например, метилбутилкетон. У некоторых красителей, например, родамина В, магенты, b-нафтиламина и отдельных щелочей, типа дианизидина, обнаружены канцерогенные свойства. b-нафтиламин было вообще запрещено использовать в составе красителей [28]. ПАВ делятся на: 1) быстро разрушающиеся в окружающей среде; 2) не разрушающиеся, которые могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде – понижение поверхностного натяжения. Например, в океане изменение поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO2 и кислорода в массе воды [29]. Только немногие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации. При адсорбировании ПАВ на поверхности частичек земли/песка степень/скорость их деградации снижаются многократно. Почти все ПАВ, используемые в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека [30]. Растворители, не сменивающиеся с водой на поверхности водоема, могут создавать пленку в результате этого нарушается естественные газовые обмены природного объекта, кроме того затрудняется жизнедеятельность микроорганизмов, отвечающих за самоочистку водоема. Методы очистки сточных вод В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно, и пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В связи с резким увеличением отходов водоемы не могут справляться со столь значительным загрязнением, поэтому возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их. Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве, имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода). Методы обезвреживания сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода, в каждом конкретном случае, определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей [31]. Механический метод Механический метод самый простой. Механической очисткой из сточных вод удаляются нерастворимые компоненты, загрязняющие воду, как твердые, так и поверхностные жировые загрязнения. Сточные воды сначала проходят через решетки, далее через сита и отстойники. Более мелкие компоненты осаждаются песколовками. Очистка сточных вод от нефтепродуктов осуществляется с помощью жироловок и бензомаслоуловителей. Усовершенствованный метод механической очистки - мембранный - используется вместе с традиционными методами и позволяет производить более тщательную очистку. Механическая очистка сточных вод является подготовкой к биологической очистке, и позволяет удалять из бытовых стоков до 70% примесей, а из промышленных - до 95% [32]. Недостатков у данного вида очистки много, например, механический способ очистки будет работать только на хорошо впитывающих грунтах с невысоким уровнем грунтовых вод, если грунты плохо впитывающие (глина, суглинок) с высоким уровнем вод, то система работает неэффективно, и зачастую, ее работа приводит к заболачиванию местности. Биологический метод Биологическая очистка сточных вод происходит благодаря жизнедеятельности микроорганизмов способных окислять органические вещества. Этот метод является основой естественной очистки рек и водоемов населяющей их микрофлорой [33]. Биологически очищенная вода содержит аммонийные азот и фосфор в значительной концентрации. Эти вещества способствуют усиленному развитию водной растительности, последующее непременное отмирание которой приводит к вторичному загрязнению водоема. Азот удаляют физико-химическими и биологическими методами, а фосфор только химическим – осаждением солями железа, алюминия и известью. Биологическая очистка бывает аэробная и анаэробная. Аэробная очистка сточных вод осуществляется при помощи аэробных бактерий, для жизнедеятельности которых нужен кислород. При такой очистке применяются биофильтры и аэротенки с активным илом. Аэротенки имеют высокую степень очистки и более эффективны, чем биофильтры для обеззараживания сточных вод. В аэротенках производится аэрация воды и ее глубокая биологическая очистка [34]. Кроме того, в результате получается активный ил, являющийся хорошим удобрением. Анаэробная очистка сточных вод осуществляется без доступа кислорода. При воздействии анаэробных бактерий происходит процесс брожения и преобразование органики в метан и углекислый газ. Для этого метода используются метатенки. Анаэробная очистка требует меньших расходов, чем аэробная, так как при этом не нужна аэрация. Важное преимущество метода биологической очистки- высокая эффективность, благодаря которой достигается максимально возможная очистка. К тому же, метод практически лишен любых недостатков (например, химической чистке свойственен неприятный запах), он является безопасным и полностью экологичным [35]. При этом следует отметить, что в результате очистки отходы накапливаются отдельно. Таким образом, метод биологической очистки гарантирует не только устранение всевозможных загрязнений и возможность повторного применения водного ресурса, но также позволяет фильтровать и накапливать отходы отдельно, которые находят эффективное применение в сельскохозяйственной промышленности, выполняя функции удобрений. К недостаткам метода следует отнести: необходимость предварительной очитки (механической или физико-химические); высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы некоторых органических соединений; необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей. Физико-химическая очистка Физико-химическая очистка заключается в очищении воды с помощью веществ-реагентов (коагулянт или флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, это вещество способствует более полному выделению нерастворимых примесей, коллоидов и части растворимых соединений. При этом уменьшается концентрация вредных веществ в сточных водах, растворимые соединения переходят в нерастворимые или растворимые, но безвредные, изменяется рН сточных вод (происходит их нейтрализация), обеспечивается окрашенная вода [36]. Физико-химическая очистка дает возможность резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод. В зависимости от необходимой степени очищения сточных вод физико-химическая очистка может быть окончательной или второй ступенью очистки перед биологической. Термический метод Термическая утилизация применяется для технологических сточных вод, когда другие методы неэффективны [37]. Её суть заключается в том, что распыленные стоки обеззараживаются в факеле сжигаемого топлива. К преимуществам термического метода можно отнести: эффективность; возможность обезвреживания жидких радиоактивных сточных вод; высокая степень очистки стоков. Недостатки метода: дороговизна, так как требуется, нагрев воды до высоких температур; ограниченность применения, т.к. способ целесообразно использовать в случаях, когда в стоках содержится много органических веществ, которые служат топливом. Комбинированный метод Часто применяются комбинированные методы очистки воды и утилизации отходов, основанные на проведении нескольких этапов и использование различных методов очистки стоков [38]. Применение того или иного способа очистки отходов зависит от концентрации и вредности примесей, присутствующих в сточной воде. Подбор и комплектация очистного оборудования для комбинированной очистки различных стоков производятся на основе химического анализа сточных вод, их объемов и необходимых требований очищения. Комбинированные методы очистки стоков, в большинстве случаев, имеют многоэтапную обработку стоков, отделения и утилизации отходов. В процессе очистки сточная вода проходит несколько этапов переработки и утилизации как механических и химических примесей, и нефтешламов и маслошламов [39]. Прежде всего, проводится механическая очистка стоков. На этом этапе отделяется песок, различного рода мусор и твердые бытовые отходы. И заключительным этапом проводится физико-химический способ очистки воды, позволяющий утилизировать растворенные примеси как органические, так и неорганические. Дезинфекция сточных вод Дезинфекция сточных вод происходит ультрафиолетовым облучением, обработкой хлором или озонированием. Применяется для обеззараживания перед сбросом сточных вод в водоемы [40]. Дезинфекция ультрафиолетовым облучением - более эффективный и безопасный метод по сравнению с хлорированием, так как при этом не образуется вредных токсических веществ. Ультрафиолетовое излучение губительно действует на практически все микроорганизмы и эффективно уничтожает возбудителей холеры, дизентерии, тифа, вирусного гепатита, полиомиелита и других болезней. Хлорирование основано на способности активного хлора губительно воздействовать на микроорганизмы [41]. Существенным недостатком данного метода является образование хлорсодержащих токсинов и канцерогенных веществ. Озонирование - один из наиболее эффективных методов обеззараживания. Озон не только обладает бактерицидными свойствами, но и способствует обесцвечиванию воды, окисляет фенольные соединения и органические вещества. Эффективность действия озона примерно в 2,5 - 3,0 раза выше, чем хлора [42]. При этом не требуется тщательной дозировки, поскольку действие озона мало зависит от температуры воды и показателя pH, но это довольно дорогой метод дезинфекции, кроме того в процессе дезинфекции может происходить выделение вредных веществ: альдегидов и кетонов. Методы обработки осадка При всех методах обработки сточных вод образуется осадок из нерастворимых веществ в первичных отстойниках, а при биологической очистке во вторичных отстойниках. В сыром состоянии (твердые вещества с водой) при очистке бытовых и некоторых производственных вод эти осадки являются опасными в санитарном отношении [43]. Для уменьшения количества органических веществ в осадке и придания ему лучших санитарных показателей осадок подвергают воздействию анаэробных микроорганизмов и аэробной стабилизации ила в соответствующих сооружениях. К анаэробным сооружениям относятся септики, двухъярусные отстойники и метантенки. Для уменьшения влажности и объема осадка сточных вод служат иловые пруды и площадки. Для обезвоживания осадка применяют различные механические приемы: вакуум-фильтрацию, фильтропрессование, центрифугирование, а также термические сушку и сжигание [44]. Биологические осадки часто используют в качестве удобрений и как витаминно - белковые добавки к рационам питания животных. При выборе метода очистки и обработки осадка сточных вод населенных пунктов и промышленных предприятий, а также места расположения и типа очистных сооружений необходимо в первую очередь выявлять возможность и целесообразность промышленного использования очищенных сточных вод и осадка. Например, на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, а также на газосборных пунктах и газобензиновых заводах сточные воды подразделяются на бытовые и производственные. Производственные воды нефтяных и газовых предприятий выпускают в производственно-дождевую канализацию. Эти воды в основном загрязнены нефтепродуктами (400-15000 мг/л) и механическими примесями (100-600 мг/л) [45]. Для их очистки применяют механическую, физико-химическую и биологическую очистки. Сорбционная очистка природных и сточных вод Из выше изложенного следует, что реальные сточные воды - это не чистые стабильные растворы, а гетерогенная смесь растворенных, коллоидных и взвешенных в воде примесей органического и неорганического характера, многие из которых нестабильны, окисляются. Практика работы очистных систем сточных вод показывает, что сорбционная обработка целесообразна как "финишная" операция, после механической и других более дешевых видов очистки от грубодисперсных, коллоидных и части растворенных примесей. Оптимальная последовательность процессов физико-химической очистки можно представить следующей схемой (4): | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||