Лабораторная работа 4 Метод сорбции. Очистка сточных вод от растворимых органических веществ

Общие сведения

Сорбция – это процесс поглощения вещества из раствора (жидкого или газообразного) твердым (адсорбция) или жидким (абсорбция) сорбентом. Адсорбционные методы применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ либо после биохимической очистки, либо самостоятельно, если концентрация загрязняющих веществ в сточной воде невелика и загрязняющие вещества являются очень токсичными.

Промышленные сточные воды, содержащие фенолы (растворимые органические вещества), выделяются в отдельную группу и подлежат строгому контролю. Предельно допустимая концентрация фенола в воде водных объектов хозяйственно-питьевого назначения и рыбохозяйственных целей лимитирована до 0,001 мг/л. Это связано с токсичностью и высокой восстановительной способностью фенолов, со снижением порога органолептического обнаружения при хлорировании и свойством их накапливаться в мясе и жире рыбы. Существенным источником фенольных загрязнений являются производство фенолформальдегидных пластмасс и коксохимическое производство.

Многочисленные методы обесфеноливания сточных вод можно разделить на две большие группы: деструктивные и регенеративные. Деструктивными методами достигается окисление или разрушение фенолов (окисление озоном, активным хлором, электрохимическое окисление, сжигание, биохимическая очистка). Регенеративными методами фенолы извлекают из сточных вод, и их можно в дальнейшем вновь использовать (экстракция, ионный обмен, адсорбция). Первая руппа методов пригодна для вод с концентрацией фенолов до 1 г/л. Методы второй группы можно применять там, где концентрация фенола превышает 1 г/л. Адсорбционный метод рекомендуется для очистки небольших по объему стоков с содержанием фенолов от 1,5−2,0 г/л и может применяться как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами.

Фенолы разделяют на две группы: летучие с паром и нелетучие. К группе летучих фенолов относятся: фенол, м-крезолы (орто-, мета-, пара-), ксиленолы и др. Летучие с паром фенолы более токсичны, обладают более интенсивным запахом, чем нелетучие, и потому их допустимые концентрации в водах водоемов чрезвычайно малы. Особенно жесткие требования в этом отношении предъявляются к воде, поступающей на водопроводные станции, где она подвергается обработке хлорированием, потому что хлорпроизводные фенола, ο- и м-крезола имеют неприятный запах даже в самых малых концентрациях. По этой причине при анализе вод в первую очередь в них определяют содержание летучей группы фенолов, а часто ограничиваются определением только одних летучих фенолов.

Для определения летучих фенолов при концентрациях до 50 мг/л в поверхностных и сточных водах рекомендуется колориметрический метод с применением 4-аминоантипирина. Метод основан на образовании соединений фенола, производных и гомологов с 4-аминоантипирином (1-фенил-2,3-диметил-4-аминопиразолон) в присутствии гексацианоферрата калия [K3Fe(CN)6] или при pH = 10 ± 0,2.

Для определения наиболее низких концентраций летучих фенолов (<0,05 мг/л) в питьевых и поверхностных водах предлагается тот же метод, но с предварительной экстракцией фенолов хлороформом.

Наиболее эффективными сорбентами являются активные угли различных марок. Растворенные органические вещества имеют размер частиц менее 10 Å. Они заполняют объем микропор сорбента, полная удельная вместимость, см3/г, которых соответствует поглощающей способности сорбента, поэтому объем микропор W01 является одной из важнейших характеристик и приводится в спецификациях соответствующих марок активных углей (см. табл. 4.1).

Таблица 4.1

Свойства активных углей

Известную сорбционную активность проявляют и супермикропоры; в характеристике активных углей приводится и их объем W₀₂. В макропорах и переходных порах сорбционная активность проявляется сорбцией вещества поверхностью стенок, и количество сорбированного на них вещества значительно меньше, чем в микропорах. Ввиду этого макропоры и переходные поры служат главным образом путями подвода сорбата к микропорам. Другой важной характеристикой активных углей является структурно-энергетическая константа В, град^-2. Она может также приводиться для микропор и супермикропор (В₀₁ и В₀₂). Характеристиками активных углей являются также их насыпной удельный вес, г/см³; механическая прочность, %; диаметр зерен, мм.

Сорбцию можно проводить в статических и динамических условиях. Статический метод служит для изучения кинетики сорбции, изотерм сорбции, а также для исследования факторов, влияющих на процесс адсорбции: температуры, концентрации, кислотности сточной воды и др. Сорбция в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного времени τ и последующего отделения сорбента от воды в результате отстаивания, отфильтровывания. Последовательным введением чистых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить ее от загрязняющего вещества до любой заданной концентрации.

При однократном введении сорбента в количестве m г на 1 л обрабатываемой воды исходным расчетным уравнением является уравнение баланса вещества

m·a+Q·С_τ = Q·C₀,

где а – удельная сорбция; Q – количество обрабатываемых сточных вод; С_τ – концентрация вещества, устанавливающаяся в воде после перемешивания воды и сорбента в течение времени τ; C₀ – концентрация вещества в исходной воде.

Соотношение между а и С_τ можно выразить

а = (Q (C₀-С_τ))/m.

Фактическое время перемешивания τ может быть принято значительно меньше τ_равн , при котором достигается близкое к равновесному состояние. В этом случае соотношение между С_τ и a будет выражено зависимостью

a = к·С_τ.

Изотермы адсорбции представляют собой зависимость величины сорбции (а) целевого компонента от его концентрации (С_τ) в очищаемой среде в условиях равновесия. Наряду с изотермами адсорбции практический интерес представляют кинетические кривые адсорбции. Они выражают зависимость величины сорбции (а) вещества каким-либо сорбентом или остаточной концентрации вещества (С₀-С_τ) в очищаемой воде от времени τ.

Реактивы.

1. C₆H₅OH, растворы. Основной рабочий раствор содержит в 1 мл раствора 1 мг фенола. Для приготовления рабочего раствора 1 разбавляют 10 мл основного раствора до 1 л свежепрокипяченой и охлажденной дистиллированной водой (1 мл рабочего раствора 1 содержит 1 мкг фенола). Рабочий раствор 1 нужно приготовить не ранее, чем за два часа до начала анализа;

2. K₃[Fe(CN)₆] (гексацианоферрат (III) калия), 8 %-ный водный раствор.

Растворяют 8 г K₃[Fe(CN)₆] ч.д.а. в дистиллированной воде и разбавляют до 100

мл. Раствор пригоден в течение недели;

3. Буферный раствор с рН=10,0. Для приготовления растворяют 12,5 г хлорида аммония в 100 мл 25 %-ного раствора аммиака;

4. 4-аминоантипирин, 2 %-ный раствор. Пригоден в течение недели;

5. Активный уголь, набор.

Оборудование.

1. Колбы мерные – 100 мл (5 шт.);

2. Конические колбы – 100 мл (5 шт.);

3. Пипетки – 1 мл, 2 мл (2 шт.);

4. Вибрационная мешалка;

5. Фотоэлектроколориметр, КФК.

Ход работы.

1. Построение калибровочного графика для определения фенола в растворе колориметрическим методом с применением 4-аминоантипирина. В мерные колбы на 100 мл помещают 10, 20, 30, 40, и 50 мл рабочего раствора 1, добавляют до половины колбы дистиллированную воду, 1 мл буферного раствора, 2 мл раствора 4-аминоантипирина и 2 мл раствора гексацианоферрата калия (III). После каждого добавленного реактива раствор перемешивают. Затем добавляют дистиллированную воду до 100 мл. Одновременно готовят раствор холостого опыта (в него добавляют все указанные реактивы, кроме фенола). Через 15 мин замеряют оптическую плотность каждого раствора по отношению к раствору холостого опыта при λ=540 нм, кювета – 1 см. Результаты заносят в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Определение оптической плотности растворов сточных вод

По полученным данным строят градуировочный график в координатах:

оптическая плотность – концентрация фенола (С), мг/л.

2. Определение содержания фенола в исследуемой воде. Отбирают аликвотную часть сточной воды для двух параллельных проб, содержащую 0,1−0,5 мг фенола (не менее 10 и не более 90 мл), в мерные колбы на 100 мл и обрабатывают так же, как при построении калибровочного графика. Если величина оптической плотности не укладывается в калибровочный график, сточную воду следует разбавить в необходимое количество раз или построить новый калибровочный график с рабочим раствором 1. Массовую концентрацию фенола (С₀, мг/л) рассчитывают по формуле

С₀ = (100·C_гр)/V,

где 100 – объем мерной колбы, применяемой при построении градуировочного графика, мл; V – объем воды, взятой на анализ (аликвота), мл; D-оптическая плотность, С_гр – концентрация фенола в сточной воде, соответствующая оптической плотности D (по градуировочному графику), мг/л.

3. Проведение сорбции фенола из фенольной воды активными углями в статических условиях. В пять конических колб на 200 мл помещают по 100 мл исследуемой фенольной воды и активного угля (марку указывает преподаватель) и в течение времени τ = 3, 5, 10, 20, 30 мин перемешивают с помощью вибрационной мешалки, затем отфильтровывают в конические колбы на 100 мл. В каждом фильтрате определяют остаточную концентрацию фенола (Сτ), для этого берут аликвоту объемом 50 мл и подготавливают пробу для анализа, как при построении калибровочного графика. Результаты заносят в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Определение сорбции фенола активными углями

4. Построение графической зависимости степени очистки от остаточной концентрации фенола.

5. Оформление выводов и рекомендаций.