Экология /6. Экологический мониторинг

д.т.н. Свергузова С.В; к.т.н Сапронова Ж.А; асп. Фетисов Р.О.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия

Адсорбция СПАВ из раствора на поверхности углеродсодержащего материала

Специфической особенностью последнего десятилетия в России следует считать нарастание загрязнения воды поверхностно-активными веществами, включая стиральные порошки, шампуни и другие детергенты. По официальным данным на 2004 г. зафиксированы превышения ПДК по СПАВ в Азовском море в 1,6 раза (взморье реки Кубань) и 2,2 раза (взморье реки Проток), в Японском море в 1,9 раза (бухта Золотой Рог, Амурский залив) и ряде других водоемов России. Более того, при концентрациях ниже предельно допустимой на несколько порядков эти ПАВ, хотя и не убивают водные организмы, но заметно меняют их поведение. Так, например, низкие концентрации ПАВ заставляют пресноводных пиявок открепляться со своих прежних мест посадки, и их уносит течение. Таким образом, речные экосистемы утрачивают пиявок как важный компонент пищевых цепей. Этот пример наглядно показывает, какой ущерб экосистеме и биоразнообразию могут нанести даже сублетальные (не смертельные для биоса) концентрации поверхностно-активных веществ [1].

Данные о количестве СПАВ, поступающих в водоемы области со сточными водами за 2002–2012 гг., на примере Белгородской области представлены на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что в последние годы наметилась тенденция к снижению сброса СПАВ, однако их количество остается по-прежнему на высоком уровне, что изменяет состав речной воды в худшую сторону и, как следствие, приводит к смещению экологического равновесия, замедляет или делает невозможными процессы самоочищения рек и создает неблагоприятные условия для гидробионтов.

Рис.1 – Динамика поступления СПАВ в период 2001-2012 гг., в водные объекты Белгородской области, т

В этой связи разработка недорогих и эффективных сорбционных материалов для извлечения СПАВ является актуальной задачей.

Нами для очистки СПАВ-содержащих растворов использовался термически модифицированный отход производства свекловичного сахара – сатурационный осадок (ТМСО). После термической модификации ТМСО приобретает свойства углеродсодержащего сорбента вследствие образования на поверхности тонкодисперсных частиц углеродного слоя, появляющегося при разложении остатков органических веществ, ранее содержавшихся в сахарной свекле.

Процесс адсорбции изучали на примере анионоактивного СПАВ – лаурисульфата натрия C₁₂H₂₅SO₄Na (рис. 2) в статических условиях. В опытах использовалась фракция ТМСО₆₀₀ с размером частиц от 2 до 100 мкм, длительность перемешивания составляла 15 минут.

Рис. 2 – Строение молекулы лаурилсульфата натри (ЛСН)

Из результатов эксперимента (рис. 3) следует, что сорбционная емкость ТМСО по ЛСН составляет 257∙10^-6 моль/г.

Рис. 3 – Изотермы адсорбции и десорбции на поверхности ТМСО₆₀₀

Кривая десорбции находится в непосредственной близости к оси абсцисс, что характеризует низкую концентрацию ионов лаурилсульфата натрия в растворе, смытом с поверхности ТМСО₆₀₀. Это свидетельствует о довольно сильном взаимодействии ионов лаурилсульфата с поверхностью ТМСО₆₀₀. Энергия сорбционного взаимодействия, определенная графическим методом изостер, составила 21,41 кДж/моль. Учитывая, что энергия физической адсорбции не превышает 5 кДж/моль, а химической - выше 40 кДж/моль, можно сделать вывод, что в нашем случае адсорбция ЛСН с поверхности ТМСО₆₀₀ осуществляется за счет сил специфического взаимодействия – ориентационного, дисперсионного, индукционного или водородной связи.

На рис. 3 видно, что изотерма адсорбции выходит из точки начала координат и подчиняется уравнению Лэнгмюра. Это свидетельствует о том, что формирование адсорбционного слоя на поверхности ТМСО₆₀₀ происходит за счет адсорбции отдельных молекул СПАВ. Из литературных источников известно, что алифатические радикалы сульфатов и сульфонатов адсорбируются на поверхности сажевых частиц всей углеводородной цепью, по крайней мере, в интервале величин радикалов от С₈ до С₁₄. Поскольку количество углеродных атомов в ЛСН равно С₁₂, то его молекулы также могут подчиняться указанной закономерности.

Таким образом, в ходе исследований была доказана возможность сорбционного извлечения ЛСН из водных растворов отходом производства сатурационным осадком. Эффективность очистки при этом составила 86%.

1. Болдин, А.А. Химическое загрязнение природных вод / А.А. Болдин // Мир химии. – 2004. – № 9. – С. 38–45.