Ағаш сорбенттердегі ауыр металдар (Pb II, Hg I, Hg II, Cd II) сорбциясы
1 Әдеби шолу
1.1 Су айдындарының ауыр металдар иондарымен ластануы
1.2 Ауыр металдардың су бетінде жинақталу формалары
1.3 Өнеркәсіптік ағынды сулар және оларды тазарту жолдары
1.4. Сорбциялық тазалау үрдісіндегі табиғи және түрлендірілген көміртекті сорбенттер
1.5 Ағынды суларды ауыр металдардан тазалаудағы сорбциялық зерттеулер
2 Тәжірибелік бөлім және нәтижелерді талқылау
2.1 Сорбент қасиеттерін зерттеу
Сорбентті дайындау әдістемесі
2.2 Йод бойынша сорбенттің сорбциялық сыйымдылығын анықтау әдістемесі
2.3 Сорбенттің ылғалдылығын және сорбенттегі ұшқыш заттардың шығымын анықтау
2.4 Pb2+,Cd2+, Hg+, Hg2+) иондарына қатысты сорбция үрдісінің жүргізу әдістемесі
2.5 Pb2++Cd2+ иондарының қоспасына қатысты сорбция үрдісінің жүргізу әдістемесі (фондық электролиттер қатысында)
2.6 Қолданылған реактивтер мен ерітінділер
2.7 Ағаш қалдығы негізінде алынған белсендірілген көмірлердің қасиеттері
2.8 Көміртекті сорбенттер қатысындағы Pb(ІІ), Cd(ІІ), Hg(І), Hg(II) металдарының модельді ерітінділеріндегі адсорбция үрдісі
2.9 Қоспа түріндегі Pb2++Cd2 иондарына қатысты сорбенттің адсорбциялық сыйымдылығын зерттеу
Қорытынды
1.1 Су айдындарының ауыр металдар иондарымен ластануы
1.2 Ауыр металдардың су бетінде жинақталу формалары
1.3 Өнеркәсіптік ағынды сулар және оларды тазарту жолдары
1.4. Сорбциялық тазалау үрдісіндегі табиғи және түрлендірілген көміртекті сорбенттер
1.5 Ағынды суларды ауыр металдардан тазалаудағы сорбциялық зерттеулер
2 Тәжірибелік бөлім және нәтижелерді талқылау
2.1 Сорбент қасиеттерін зерттеу
Сорбентті дайындау әдістемесі
2.2 Йод бойынша сорбенттің сорбциялық сыйымдылығын анықтау әдістемесі
2.3 Сорбенттің ылғалдылығын және сорбенттегі ұшқыш заттардың шығымын анықтау
2.4 Pb2+,Cd2+, Hg+, Hg2+) иондарына қатысты сорбция үрдісінің жүргізу әдістемесі
2.5 Pb2++Cd2+ иондарының қоспасына қатысты сорбция үрдісінің жүргізу әдістемесі (фондық электролиттер қатысында)
2.6 Қолданылған реактивтер мен ерітінділер
2.7 Ағаш қалдығы негізінде алынған белсендірілген көмірлердің қасиеттері
2.8 Көміртекті сорбенттер қатысындағы Pb(ІІ), Cd(ІІ), Hg(І), Hg(II) металдарының модельді ерітінділеріндегі адсорбция үрдісі
2.9 Қоспа түріндегі Pb2++Cd2 иондарына қатысты сорбенттің адсорбциялық сыйымдылығын зерттеу
Қорытынды
Сан жылдар бойы адамзат сорбент ретінде кеуекті көміртекті материалдарды қолданды. Сонау XVІІI ғасырда ағаш негізіндегі көміртектің әртүрлі сұйық заттарды тазартып, кейбір газдарды сіңіретіні анықталған. ХХ ғасырдың басында көміртекті сорбенттерді (негізінен, ағаш және сүйекті белсенді көмір) тағам және шарап жасау өнеркәсібінде сұйықтықтарды тазарту үшін қолдана бастады.
Сорбенттер ретінде әртүрлі жасанды және табиғт кеуекті материалдарды қолданады: күл, кокстық ұсақ-түйек, торф, силикагельдер, алюмогельдер, белсендірілген көмірлер, шунгиттер, алюмосиликаттар және т.б. Сол себептен сорбциялық әдістерді біршама тиімді етіп шығару үшін қол жетімді, қоспаларды жоюда селективті болатын сорбенттерді дайындап шығару қажеттілігі туындаған [4-6].
Кейінгі жылдары белсендірілген көмір, силикагель, алюмогель және т.б. дара бейорганикалық сорбенттермен қатар аралас бейорганикалық сорбенттерді синтездеу бойынша ізденістер кеңінен өрістеуде. Олар екі немесе бірнеше адсорбенттердің қоспасынан тұрады және де қасиеттері өздерінің құрамдастарынан да олардың механикалық қоспаларынан да өзгеше болады. Аралас сорбенттерді синтездеу барысында олардың кеуектілігін, сорбциялық сыйымдылығын, талғамдылығын және басқа да негізгі өте қажетті сипаттамаларын оңай реттеуге мүмкіндік туындайды. Ал жаңа аралас сорбенттер алу мақсатында қызуғышылық тудыратын нысаналар ретінде модификацияланған силикофосфаттар қосылыстары болып табылады.
Табиғи ауыл шаруашылық саласында пайдаланылған қалдық суларды металл иондарынан арзан әдіспен тазарту көптеген еңбектерде қарастырылған. Соның бірі гальваника өнеркәсібінің суларын күріш сабаны, күріш қабықшасы және күріш кебегін пайдаланып рН-тың бастапқы мәні, металл ионының концентрациясы, адсорбенттің массасы, әсерлесу уақыты және температура секілді физика-химиялық параметрлердің әсерін зерттеу жұмыстары жасалды, сонымен қатар, тәжірбиелік мәліметтер Фрейндлих және Халси изотермияларымен өңделіп, диффузия коэффициенті мен аадсорбция энергиясының мәндері адсорбция құбылысының химиялық сипатқа ие екенідігін, ал есептелеген G0, H0 және S0 секілді термодинамикалық параметрлер спонтанды әрі эндотермиялық сипатқа ие екендігін көрсеткен.
Сорбенттер ретінде әртүрлі жасанды және табиғт кеуекті материалдарды қолданады: күл, кокстық ұсақ-түйек, торф, силикагельдер, алюмогельдер, белсендірілген көмірлер, шунгиттер, алюмосиликаттар және т.б. Сол себептен сорбциялық әдістерді біршама тиімді етіп шығару үшін қол жетімді, қоспаларды жоюда селективті болатын сорбенттерді дайындап шығару қажеттілігі туындаған [4-6].
Кейінгі жылдары белсендірілген көмір, силикагель, алюмогель және т.б. дара бейорганикалық сорбенттермен қатар аралас бейорганикалық сорбенттерді синтездеу бойынша ізденістер кеңінен өрістеуде. Олар екі немесе бірнеше адсорбенттердің қоспасынан тұрады және де қасиеттері өздерінің құрамдастарынан да олардың механикалық қоспаларынан да өзгеше болады. Аралас сорбенттерді синтездеу барысында олардың кеуектілігін, сорбциялық сыйымдылығын, талғамдылығын және басқа да негізгі өте қажетті сипаттамаларын оңай реттеуге мүмкіндік туындайды. Ал жаңа аралас сорбенттер алу мақсатында қызуғышылық тудыратын нысаналар ретінде модификацияланған силикофосфаттар қосылыстары болып табылады.
Табиғи ауыл шаруашылық саласында пайдаланылған қалдық суларды металл иондарынан арзан әдіспен тазарту көптеген еңбектерде қарастырылған. Соның бірі гальваника өнеркәсібінің суларын күріш сабаны, күріш қабықшасы және күріш кебегін пайдаланып рН-тың бастапқы мәні, металл ионының концентрациясы, адсорбенттің массасы, әсерлесу уақыты және температура секілді физика-химиялық параметрлердің әсерін зерттеу жұмыстары жасалды, сонымен қатар, тәжірбиелік мәліметтер Фрейндлих және Халси изотермияларымен өңделіп, диффузия коэффициенті мен аадсорбция энергиясының мәндері адсорбция құбылысының химиялық сипатқа ие екенідігін, ал есептелеген G0, H0 және S0 секілді термодинамикалық параметрлер спонтанды әрі эндотермиялық сипатқа ие екендігін көрсеткен.
Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі
Академик Е.А. Бөкетов атындағы
Қарағанды мемлекеттік университеті
Ағаш сорбенттердегі ауыр металдар (Pb II, Hg I, Hg II, Cd II) сорбциясы
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В060600 - Химия мамандығы
Қарағанды 2014
Сан жылдар бойы адамзат сорбент ретінде кеуекті көміртекті материалдарды қолданды. Сонау XVІІI ғасырда ағаш негізіндегі көміртектің әртүрлі сұйық заттарды тазартып, кейбір газдарды сіңіретіні анықталған. ХХ ғасырдың басында көміртекті сорбенттерді (негізінен, ағаш және сүйекті белсенді көмір) тағам және шарап жасау өнеркәсібінде сұйықтықтарды тазарту үшін қолдана бастады.
Сорбенттер ретінде әртүрлі жасанды және табиғт кеуекті материалдарды қолданады: күл, кокстық ұсақ-түйек, торф, силикагельдер, алюмогельдер, белсендірілген көмірлер, шунгиттер, алюмосиликаттар және т.б. Сол себептен сорбциялық әдістерді біршама тиімді етіп шығару үшін қол жетімді, қоспаларды жоюда селективті болатын сорбенттерді дайындап шығару қажеттілігі туындаған [4-6].
Кейінгі жылдары белсендірілген көмір, силикагель, алюмогель және т.б. дара бейорганикалық сорбенттермен қатар аралас бейорганикалық сорбенттерді синтездеу бойынша ізденістер кеңінен өрістеуде. Олар екі немесе бірнеше адсорбенттердің қоспасынан тұрады және де қасиеттері өздерінің құрамдастарынан да олардың механикалық қоспаларынан да өзгеше болады. Аралас сорбенттерді синтездеу барысында олардың кеуектілігін, сорбциялық сыйымдылығын, талғамдылығын және басқа да негізгі өте қажетті сипаттамаларын оңай реттеуге мүмкіндік туындайды. Ал жаңа аралас сорбенттер алу мақсатында қызуғышылық тудыратын нысаналар ретінде модификацияланған силикофосфаттар қосылыстары болып табылады.
Табиғи ауыл шаруашылық саласында пайдаланылған қалдық суларды металл иондарынан арзан әдіспен тазарту көптеген еңбектерде қарастырылған. Соның бірі гальваника өнеркәсібінің суларын күріш сабаны, күріш қабықшасы және күріш кебегін пайдаланып рН-тың бастапқы мәні, металл ионының концентрациясы, адсорбенттің массасы, әсерлесу уақыты және температура секілді физика-химиялық параметрлердің әсерін зерттеу жұмыстары жасалды, сонымен қатар, тәжірбиелік мәліметтер Фрейндлих және Халси изотермияларымен өңделіп, диффузия коэффициенті мен аадсорбция энергиясының мәндері адсорбция құбылысының химиялық сипатқа ие екенідігін, ал есептелеген G0, H0 және S0 секілді термодинамикалық параметрлер спонтанды әрі эндотермиялық сипатқа ие екендігін көрсеткен.
Практикалық маңызы. Қазіргі кезде көміртекті сорбенттерді қолданудың негізгі бағыты технологиялық үрдістердегі адсорбциялық тазалаумен тығыз байланысты. Кеуекті көміртекті материалдар бастапқыда ағашты термиялық өңдеу барысында алынды. Қазір оларды кез келген көміртекті шикізаттан жасайды, оларға: ағаш пен целлюлозаны, тас көмір мен қоңыр көмірді, синтетикалық полимерлі материалдарды, сұйық және газтектес көмірсутектерді, әртүрлі органикалық қалдықтарды жатқызуға болады. Ағынды суларды ауыр металдардан тазартуда тиімді, әрі қол жетімді технологиялар көп емес, сондықтан жаңа, жоғары сапалы және екінші ретті тазартуды қажет етпейтін әдістерді дайындау экологиялық және экономикалық тұрғыдан өзекті мәселе болып табылады. Сондықтан жұмыс барысында зерттелген сорбенттің қасиеттері экономикалық және экологиялық тұрғыдан тиімді болып табылады.
Ағын суларды тазарту мәселелерін зерттеу барысында тиімді әдістерді таңдай білу маңызды қадам болып саналады, сондықтан ағын суларды улы металдардан қауіпсіз, әрі тиімді тазарту үшін әртүрлі технологиялар қолданылады, атап айтсақ, сұйықтық экстракция әдісі, ион алмасу әдісі, сұйық мембрана әдісі, кері осмос әдістері, нанофильтрация әдісі, гибридті процестерге негізделген мембраналық әдіс және түрлі сорбенттермен адсорбциялау тәсілдері кездеседі.
Ғылыми жаңалығы: бұл жұмыс барысында алғаш рет ауыр металдар иондарынан, мысалға Pb2+, Cd2+, Hg+, Hg2 иондарынан ағынды суларды тазартуда ағаш қалдығынан алынған көміртекті сорбентті қолдана отырып, сәйкесінше сорбциялық қасиеттері зерттелді. Жоғарыда аталған мәселелерді ескере отырып, осы дипломдық жұмыста белсендірілген көмір алу технологиялары және кейбір орманды химиялық өнімдерді түрлендіру арқылы ерекше, жаңа шикізатты алу қарастырылған.
Мақсаты мен міндеттері:
Экологияға, гидросфераға және адамдарға зиянды емес, қолжетімді жергілікті шикізаттан, яғни экологиялық мәселені шешетін кәдімгі қарағайдан тиімді сорбент алу технологиялық шешімдерді өңдеуге негізделген, жұмыс барысында сорбенттің қасиеттерін зерттеп, сорбция үрдісін жүргізе отырып, сорбенттің сорбция үрдісіне қаншалықты әсер ететінін зерттеу осы дипломдық жұмыстың негізгі мақсаты болып табылады. Осы мақсатқа қол жеткізу үшін келесі мәселелерді шешу жолдары орын алынып, негізгі міндеттер қойылды:
ағаш қалдығынан сорбентті дайындап, оның қасиеттерін зерттеу;
ауыр металдар иондарына (Pb2+, Cd2+, Hg+, Hg2+) қатысындағы ағынды сулардың модельді ерітінділерін дайындап, сорбентті қолдана отырып, статикалық жағдайларда адсорбциялық тазалау үрдісін жүргізу;
ағынды сулардың ауыр металдар иондарының қоспасынан (Pb2++Cd2+) сорбциялық тазалау барысында тиімді жағдайларды анықтау.
Зерттеу объектілері: құрамында ауыр металдар иондары бар модельді ерітінділер, ағаш қалдығы негізіндегі көміртекті сорбенттер.
Зерттеу заты: ортофосфор қышқылымен (H3PO4 ) түрлендірілген көміртекті сорбенттердегі Pb2+, Cd2+, Hg+, Hg2+ иондарымен сорбция үрдісі.
Зерттеу әдістері: ИК-спектроскопия, атомно-адсорбциялық анализ, хромато-масс-спектрометрия, дериватография, спектрофотометрия, рН-метрия.
Практикалық база: Дипломдық жұмыс Физикалық және аналитикалық химия кафедрасында жасалды, зерттеуге қажетті кейбір анализдер Е.А. Бөкетов атындағы ҚарМУ-нің химиялық факультетіндегі Физико-химиялық зерттеу әдістері атты инженерлік профильдегі лабораторияда жүргізілді.
1 Әдеби шолу
1.1 Су айдындарының ауыр металдар иондарымен ластануы
Ауыр металдардың қоршаған ортада, оның ішінде су беттерінде таралу проблемасы химиялық және эколого - химиялық аспектілерде сараптау қызығушылығын тудырады.
Судың ластануын су айдындарына әртүрлі сұйық, қатты және газ тәрізді заттардың түсуі нәтижесінде судың физикалық, химиялық, биологиялық қасиеттерінің өзгеруімен түсінеміз. Олар су айдындарын ластай отырып, халықтың тұрмысына шығын әкеліп, халықтың өмірінің қауіпсіздігіне және олардың денсаулығына зиянын тигізеді.
Жерасты және жерүсті суларының ластануын мынадай типтерге бөле аламыз:
механикалық - механикалық қоспалардың құрамының жоғарылауы, негізінен беттік ластануға тән;
химиялық - улағыш және улағыш емес органикалық немесе бейорганикалық заттардың суда кездесуі;
бактериалдық және биологиялық - патогендік микроорганизмдердің, саңырауқұлақ және ұсақ балдырлардың суда кездесуі;
радиоактивтік - радиоактивті заттардың жерасты және жерүсті суларында кездесуі;
жылы - жылы және ЭС атомды сулардың су айдындарына түсуі [7].
Су айдындарының ластаушы көзі болып толық тазаланбаған өндірістік және коммуналдық кәсіпорындардың, мал шаруашылығындағы ірі комплекстердің, кен қазбаларының өндірілуі кезіндегі қалдықтар, шахта және кен сулары, темір жол және су транспорттарының қалдықтары, пестицидтер жатады [8].
Суды ластаушы металдардың ішінен адам денсаулығы мен өмірі үшін үлкен қауіп келтіретін қорғасын, кадмий және сынап металдарын атап өтуге болады.
Қорғасын. Бұл ластаушының жартысынан көп бөлігі қоршаған ортаға этилдік бензиннің күйдірілуі нәтижесінде таралады. Су жүйелерінде қорғасын көбінесе негізінен өлшенген бөлшектермен адсорбциялық байланыста болады немесе гумин қышқылдарымен ерігіш комплекс түрінде кездеседі. Биометилирлеу кезінде, сынап сияқты, қорғасын да тетраметилқорғасын түзеді.
Ластанбаған су беттерінде әдетте қорғасынның мөлшері 3 мкгл-ден аспайды. Өндірістік аймақтардағы өзендерде қорғасынның көптеген мөлшері кездеседі. Қар осы ластаушыны белгілі дәрежеде аккумулирлеуге қабілетті: үлкен қалалардың маңайында оның құрамы 1 млн мкгл болуы мүмкін, ал үлкен қалалардан алыстаған сайын ~1 -- 100 мкгл болуы мүмкін.
Су өсімдіктері қорғасынды жақсы аккумулирлейді, бірақ әртүрлі жолдармен жүреді. Кейде фитопланктон, сынап сияқты, оны 105 - дейінгі концентрлік коэффициентпен ұстауға қабілетті. Балықтарда қорғасын аз жиналады, осы себептен адам үшін бұл трофикалық күрмеулер буынында қауіпі аз. Бұл қосылыстар қалыпты жағдайдағы су айдындарындағы балықтарда өте аз табылады. Өндірістік қалдықтары бар аудандарда тетраметилқорғасынның балық клеткаларында жиналуы эффектілі және тез өтеді - қорғасынның өткір және созылмалы әсері ластанудың 0,1 -- 0,5 мкгл дәрежесінде орын алады. Адам организмінде қорғасын адамның сүлдесінде кальцийдің орнына жиналуы мүмкін.
Сынап. Қоршаған ортада сынап қосылыстары әртүрлі тотығу дәрежесін көрсете отырып, яғни Hg(0), Hg(I), Hg(II), өзара әрекеттесе алады. Аса қауіпті болып органикалық, әсіресе алкилді қосылыстары саналады. Сынап қосылыстарының көп жинақталған жері (97% дейін) - мұхиттардың беттік суы. Шамамен барлық сынаптың жартысы табиғи ортаға техногендік себептермен келіп түседі.
Ортаның қышқылдылығы мен оның тотықтырғыштық потенциалы сулы ортадан сынап қосылыстарын табуға қатысады. Мысалға, жақсы аэрирленген су қоймаларында көбінесе Hg(II) қосылыстары кездеседі. Сынап иондары берік комплекс түрінде суда кездесетін және лиганд ретінде болатын әртүрлі органикалық заттармен байланысады. Әсіресе берік комплекстер күкіртқұрамды қосылыстармен түзіледі. Сынап судың бөлшектерінде жақсы адсорбцияланады. Осы кезде концентрлеу факторы 105 дейін жетуі мүмкін. Демек, металдың суда болуы кезекті седиментациямен өлшенген бөлшектер сорбциясымен анықталуы мүмкін, яғни сулы ортадан сынаптың жойылуы жүреді.
Сулы ортада сынап R -- Hg -- X және R -- Hg -- R, мұндағы R -- метил- немесе этил-радикал түріндегі металлоргникалық қосылыстарды түзеді. Әдеби шолу бойынша сулы ортаға сынап металдық сынап, ион Hg(II) және фенилсынап ацетаты түрінде келіп түседі. Балықта кездесетін, сынап формасын анықтайтын - метилсынап микроорганизмдер ферментерінің қатысында билогиялық жолмен пайда болады. Аса ластанбаған сулардың беттік қабатында сынап құрамы 0,2 -- 0,1 мкгл аралығында ауытқиды, ал мұхиттарда бұл көрсеткіш үш есе аз болып келеді. Сулы өсімдіктер сынапты жақсы сіңіреді. Сынаптың органикалық қосылыстары R -- Hg -- R' престелген планктонда жоғары концентрация түрінде кездеседі. Ағзадан сынаптың бейорганикалық қосылыстарынан, сынаптың органикалық қосылыстары ақырындап шығады. Осы токсиканттың стандарттық шекті құрамын (0,5 мкгкг) тағам өнімдерін сапасын бағалай кезінде анықтайды. Сонымен қатар, сынап метилденген қосылыстар түрінде де кездеседі. Егер осы қосылыстар адам ағзасына түсетін болса, онда Минимат ауруы байқалуы мүмкін.
Кадмий. Химиялық қасиеттері жағынан кадмий мырышқа ұқсас. Кадмий ферментативті процесстерде шұғыл бұзушылыққа әкеле отырып, металлқұраушы ферменттерде активті орталықтарда соңғы болып орын баса алады. Кен орындарында кадмий үнемі мырышпен бірге кездеседі. Су жүйелерінде кадмий еріген органикалық заттармен байланысады, әсіресе оның құрылымында SH сульфигидрлі топтар болатын болса. Кадмий сонымен қоса аминқышқылдарымен, полисахаридтермен, гумин қышқылдарымен комплекстер түзеді. Бірақ осы лигандалардың кадмийді байланыстыруға қабілетті жоғары концентрацияларының болуы тірі организмдер үшін қауіпсіз кадмийдің бос акваиондарының концентрацияларын төмендетуге қабілетті емес деп саналады. Кадмий иондарының түпкі тұнбалармен адсорбциясы ортаның қышқылдығына тікелей байланысты. Нейтралды сулы орталарда кадмийдің бос ионы түпкі шөгінді бөлшектермен іс жүзінде толықтай сорбцияланады.
Бірнеше жыл бұрын кадмийді қоршаған ортаға түсіретін көздері көп болған. Кадмийдің қауіптілігі зерттеліп, белгілі болған соң олардың саны бірден азайтылды (өндірісі жақсы дамыған елдерде). Қазіргі уақытта қоршаған ортаны осы ластаушымен ластайтын негізгі көзі - никель-кадмийлі аккумуляторларды сақтайтын орындар. Белгілі болғандай кадмий Этна жанартаулардың атқылайтын өнімдерінде табылған. Жаңбыр суында кадмийдің концентрациясы 50 мкгл-ден жоғары болуы мүмкін. Тұщы су айдындарында және өзендерде кадмийдің мөлщері 20-400 нгл шамасында болады. Оның аз мөлшері Тынық мұхитының аумағында тіркелген, Жапон аралдарынан шығысқа қарай (~0,8 -- 9,6 нгл түбінде 8 -- 5500 м). Бұл металл су өсімдіктері мен балықтардың ішкі органдарында жиналады.
Кадмий метилсынаппен және қорғасынмен салыстырғанда өсімдіктерге келтіретін уыттылығы аз, сондай-ақ 0,2 -- 1 мгл мөлшерінде кадмий болса фотосинтез құбылысының жүруі төмендейді және өсімдіктің өсуі нашарлайды. Мынандай қызықты эффект бар: кадмийдің уыттылығы мырыш қатысында белгілі мөлшерде төмендейді, бұл мәлімет осы металдардың организмдегі ферментативті процесстерде бәсекеге түсе алуы мүмкін деген болжамды растайды.
Кадмийдің өткір уыттылығы тұщы судағы балықтар үшін 0,09-дан 105 мкгл-ге дейін бола алады. Судың қатаюуының жоғарылауы организмнің кадмиймен уланудан қорғану дәрежесін жоғарылатады. Адамдардың организміне трофикалық күрмеулермен түскен кадмиймен қатты улану жағдайлары белгілі (итай-итай ауруы). Организмнен кадмий ұзақ уақыт аралығында тазаланып, шығарылады. (шамамен 30 жыл) [9].
1.2 Ауыр металдардың су бетінде жинақталу формалары
Қоршаған ортаның басты сапалық көрінісі ретінде жерүсті суларының тазалығы қаралады. Улаушы металл су айдынына немесе өзенге түскенде осы судағы экожүйенің компоненттері арасында таралады. Бірақ металдың саны берілген жүйенің бұзылуына әкелмейді. Экожүйенің сыртқы улағыш заттар әсеріне қарсы мүмкіндігін бағалау үшін экожүйенің буферлі сыйымдылығы деген шама қолданылады. Сондай-ақ тұщы су экожүйесінің ауыр металдарға қатысты буферлік сыйымдылығы осындай мөлшердегі улағыш металл болып табылады. Осы металлдардың түсуі қарастырылып отырған барлық экожүйенің функцияларының табиғи сипаттамасына әсер етпейді. Осыған байланысты улағыш металл келесі құраушыларға бөлінеді: 1) еріген түрдегі металл; 2) фитопланктондармен сорбцияланған немесе аккумулярланған, яғни өсімдік микроорганизмдерімен; 3) су ортасындағы минералдық және органикалық бөлшектер седиментациясы нәтижесінде болатын қалдықтарға тұрақтылар; 4) еріген түрдегі су жүйесінен қалдықтар бетінде адсорбцияланғандар; 5) өлшенген бөлшектердегі адсорбцияланған формадағылар. 1 суретте улағыш металдың (М) су экожүйесіндегі бөлінуі сызба түрінде көрсетілген.
1 сурет. Улағыш металдың (М) су экожүйесіне түсу жолдары және болу формалары
Металдың суда болу формасына гидробионттар әсер етеді (мысалы, ұлулар). Сонымен мыстың болуын оқып - талдау кезінде жерүсті суларында концентрациясының маусымдық өзгерістері қаралады: қыс мезгілінде олар максималды, ал жаз мезгілінде биомассаның белсенді өсу дәрежесі төмендейді. Өлшенген органикалық, мыс иондарын адсорбирлеуге қабілетті бөлшектерді тұндыру кезінде соңғылары қалдықтарға ұшырайды және бұл қаралып отырған эффектілерге әкеледі. Сонымен қоса бұл процесстің интенсивтілігі өлшенген бөлшектердің седиментация жылдамдығынан тәуелді екенін айта кеткен жөн. Яғни адсорбирлеуші мыс иондарының заряды мен мөлшері сияқты мұндай факторлардан жанама болады.
Металдың аккумулярлануынан басқа адсорбция және седиментацияға байланысты жерүсті суларында басқа да процесстер болады. Олар экожүйенің улағыштар әсеріне қарсы тұрақтылығын көрсетеді. Олардың маңыздылары металл иондарын су ортасында еріген органикалық заттармен байланыстыруда болады. Сонымен қоса, осы кезде улағыштың судағы концентрациясы өзгермейді. Оның үстіне, гидратталған металл иондары улағыштығы жоғары болып саналады, ал комплекске байланыстылардың зияны аз немесе жоқ болып есептеледі. Арнайы зерттеулер табиғи жерүсті суларындағы улағыш металдың жалпы концентрациясы мен улылылығының арасында тәуелділік жоқ екенін дәлелдеді.
Табиғи жерүсті суларында органикалық заттардың көп мөлшері кездеседі, олардың 80%-ын суға жер қыртысы арқылы түсетін гумустық заттар түріндегі қышқылдылығы жоғары полимерлер құрайды. Суда еритін органикалық заттардың қалған бөлігі организмдегі өмір сүруге қажет заттарға (полипептидтерге, полисахаридтерге, майлы және аминқышқылдарына) ие, немесе антропогендік жолмен пайда болған қоспаның химиялық қасиеттеріне ұқсас. Олардың барлығы су ортасында болатын әртүрлі айналуларға шыдайды. Бірақ олардың барлығы комплекстегі металл ионы мен судың улылығын төмендетушілерді байланыстыратын комплекс түзуші реагенттер болып табылады.
Әртүрлі жерүсті сулары улағыш металл иондарын әртүрлі буферлік сыйымдылықпен байланыстырады. Оңтүстіктегі көл, өзен, су айдындарындағы табиғи компоненттердің көп бөлігі (гумустық заттар, гумин қышқылдары және фульво қышқылдар) және олардың жоғары концентрациялары Солтүстіктегі су айдындарының суларына қарағанда табиғи эффектілі детоксикацияға қабілетті. Ластаушылары бар судың улылығы табиғат зоналарының климаттық шарттарына байланысты. Жерүсті суларының буферлі сыйымдылығы улағыш металдарға байланысты еріген органикалық заттар мен өлшенген бөлшектердің болуымен ғана емес, сонымен қоса гидробионттардың аккумулярлаушы қасиеттерімен сипатталады. Және экожүйедегі барлық компоненттердегі, еріген органикалық заттармен комплекс түзушілермен қоса, металл иондарының сіңіру кинетикасымен сипатталады. Мұның барлығы ластаушы металдардың жерүсті суларына түсуі кезіндегі процесстердің қиын болатынын көрсетеді.
Микроорганизмдердің әсері нәтижесінде өсімдік қалдықтары айналымдары арқылы пайда болған спецификалық табиғи жоғары молекулалы қосылыстар, гумин қышқылдары ауыр металлдар иондарын тұрақты комплекстерге жоғары дәрежеде байланыстыруға қабілетті екенін айта кеткен жөн. Гуматтарға сәйкес тұрақтылық константасы (гумин қышқылдарымен ауыр металдардың комплекс иондары) металл табиғатына байланысты 105 -- 1012 арасында болады. Гуматтардың тұрақтылығы су ортасының қышқылдылығына байланысты.
Табиғи сулардағы металдардың кездесу формаларын анықтаудың химико-аналитикалық аспект проблемалары 20 жыл бұрын анықтала бастаса да анализдің жаңа әдістері пайда болуымен бұл тапсырма енді ғана шешілуде. Ертеде ауыр металдың судағы тек жалпы құрамын анықтаған және өлшенген және ерітілген формалары арасындағы үлестерін тапқан. Металдармен ластанған судың сапасы жайлы ШРК көлеміндегі жалпы құрамының нәтижелері бойынша сараптаған.
2 суретте улағыш-металдардың табиғи жерүсті суларындағы таралу схемасы көрсетілген. Ол схемада химиялық және физико-химиялық процесстердің әртүрлі формалардағы байланыстары көрсетілген.
Улағыштықтың төмендеуі
Улағыштық формалары
Гидратталған металл иондары (Mm)n[+]
Бейорганикалық қосылыстары бар қарапайым қосылыстар: MClnn[-]m; (MHCO3)2 және т.б.
Улағыштықтың төмендеуі
Күкіртті лигандалар мен аминқышқылдар комплекстері: MSR; M(NH2-CH2-...-CH2OOH) және т.б. Гумин және фульвоқышқылдар металлдарының комплекстері
Коллоидтық бөлшектер
Өлшенген бөлшектер бетінде адсобцияланған металдар: M[n+] - Fe2O3·nH2O; M[n+]-MnO·nH2O және т.б.
2 сурет. Жерүсті суларындағы металдардың болу формалары
Қазіргі уақытта бұл бағалау металдың биологиялық әсері судағы қалпына байланысты анықталатын болғандықтан толық емес және негізсіз болып саналады. Жоғарыда айтылғандай, ерекше жағдайларда, мысалы, органикалық заттардың табиғи жолмен комплекс түзуі нәтижесінде, бұл комплекстердің улағыштығы төмен ғана емес, және кейде гидробионттардың дамуына әсер етеді және осы арқылы олар организмдерге биологиялық қол жетімді болады.
ШРК жасап шығару кезінде комплекс түзілу процестері ескерілмейді және тірі организмдерге бейорганикалық тұздардың әсер етуін бағалау табиғи жолмен пайда болған, еріген органикалық заттарсыз таза суда жүргізілген. Асыра айтқанда, мұндай бағалауды жасау қиын, тіпті кейде мүмкін емес.
Сонымен, ауыр металдармен ластануы нәтижесінде судың улағыштығы металдардың акваион концентрацияларымен немесе бейорганикалық иондары бар қарапайым комплекстермен анықталады. Басқа да комплекс түзуші заттардың болуы (әсіресе органикалық) улағыштықты төмендетеді. Жоғарыда айтылғандай қалдықтарда улағыш заттардың жиналып қалуы сулардың улағыштық қасиеттерінің пайда болуына себеп болуы мүмкін. Шынымен де, егер ластаушы көздер шеттетілген болса, су таза болды десек те, біраз уақыттан судағы қалдықтар әсерінен кейін металлдың кері миграциясы болуы мүмкін. Сол себептен су жүйелерінің жағдайын сараптау оның құрамындағы барлық заттардың белгілі бір уақыт өткеннен кейінгі жасалған анализіне сүйеніп жасалуы керек.
Су айдындарына түскен ластағыш заттар судың сапалық өзгерістеріне әкеледі. Олар көбінесе судың физикалық қасиеттерін (жағымсыз иістің пайда болуы, дәмінің өзгеруі т.б.) өзгертеді; судың химиялық қасиеттерінің өзгеруіне де әкеледі (судың ішінде жағымсыз заттардың пайда болуы, су бетінде заттардың қалқып жүруі).
Өндірістік ағынды сулар өндірістен шыққан қалдықтармен және керексіз заттармен ластанған. Олардың сандық және сапалық қасиеттері әртүрлі және өндірістің саласына, сол саладағы технологиялық процесстерге байланысты; оларды екі негізгі топқа бөледі: құрамында бейорганикалық қоспалары бар; және құрамында улағыш, у бар заттар. Бірінші топқа сода, сульфатты, азотты қосылыстар негізіндегі зауыттар жатады, құрамында қышқылдар, негіздер, ауыр металдар иондары бар мырыш, никель, қорғасын кендерінің байыту фабрикалары және т.б. Бұл топтың ағынды сулары көбінесе физикалық қасиеттерін өзгертеді.
Ағынды сулардың екінші тобына мұнай-химиялық, мұнай өңдейтін зауыттардан шыққан, органикалық синтез орындарының және коксохимиялық қалдықтармен ластанған сулар жатады. Онда әртүрлі мұнай өнімдері, аммиак, альдегидтер, шайыр, фенолдар және басқа да жағымсыз заттар болады. Бұл топтағы ағынды сулардың улағыш әсері, негізінде, тотықтырғыштық процесстерде көрінеді. Ол процесстердің нәтижесінде судағы оттегінің көлемі азаяды, оттекке биохимиялық қажеттілік туады, судың органолептикалық көрсеткіші нашарлайды [10].
1.3 Өнеркәсіптік ағынды сулар және оларды тазарту жолдары
Тазалау әдістері - электрокоагуляция, электродиализ, кері осмос, ультрафильтрация, мембраналық технологиялар, биологиялық тазалау үрдістің төменгі сапасыздығы оның қолдану аясын шектейді. Осыған байланысты қымбат емес, әрі біршама тиімді болып сорбциялық әдістер екені анықталды, олар жоғары концентрациясына, олардың химиялық тұрақтылығына байланысты кең ауқымдағы тазалауды көрсетеді [11-13].
Қазіргі таңда құрылыстағы қондырғыларды тазартуға кететін қаржы шығыны өте маңызды: ол кейбір құрылғылардың, химикаттар мен материалдардың жетіспеушілігі. Сондықтан маңызды тапсырмалардың бірі болып жаңа немесе қолданыстағы тазарту әдістерін жаңарту, суды тазартудағы капиталдық және эксплуатациалдық қаржы шығынын төмендету, өнеркәсіпті сумен жабдықтау туралы жабық системалы кәсіпорын, автоматизация мен механизацияны ауқымды жағынан ұғыну мәселелері басты назарға қойылған.
Қай категория болса да жалпы шарттар шығарылымы үстіңгі су қоймалары (өзен, көл, су қоймалары, теңіз) осы су құбырлары халық шаруашылығының маңыздылығымен және суды қолдану әрекетімен анықталады. Өнеркәсіпте көбінесе суды тазалаудың келесі әдістерін қолданады: механикалық, физика - химиялық, химиялық және биохимиялық.
Өндірістің кеңейтілген масштабы және су сапасының жоғары болуын табиғи және ағынды суларды тиімді әдіс арқылы тазарту және оны қайта қолданысқа енгізу сипаттайды.
Жерасты және беттік сулардың ластануы АО УМЗ, АО УКТЭЦ, АО Казцинк аймақтарында байқалады. Жерасты және беттік сулардың ластану деңгейі мырышпен, қорғасынмен, мыспен, кадмиймен, селенмен, марганецпен, мышьякпен ластанған. Негізгі ластанған аймақтардың бірі Ертіс бассейнінің сулары. Шамамен 11% жуық ағыстар тазартылмаған түрде, 22 % жеткілікті тазартылмаған түрде келіп түседі.
Түсті металлургия орындарының ағынды суларын ауыр металдар иондарынан тазарту мақсатында қолданылатын әдістердің ішінен сорбциялық әдіс тиімді болып саналады. Сорбция - бұл жұтылу механизіміне тәуелсіз, бір заттың екінші затпен жұтылу үрдісі. Қатты зат - ерітінді беттік бөлінуіндегі сорбцияның суды тазалауда практикалық маңызы зор. Фазалардың бөліну шегінде беттік энергияға ие сорбент молекуласының, адсорбцияға ұшырайтын зат молекуларымен әрекеттесуі адсорбция үрдісінің негізі болып табылады. Сорбция үрдісі беттік энергияның төмендеуімен байланысты және өздігінен жүреді. Сорбент ретінде көптеген әртүрлі табиғи және жасанды кеуекті материалдарды қолдануға болады: күл, кокстық қалдық, торф, силикагельдер, алюмогельдер, белсенді көмірлер, шунгиттер, циолиттер, алюмосиликаттар және т.б. Сорбенттің белсенділігі көлем бірлігінде немесе сорбент массасына (кгм3, кгкг) қатысты сіңіретін заттың санымен сипатталады. Сорбция су көздерінен ерітілген заттардан, әсіресе, органикалық заттардан тазартудың аса бір тиімді әдісі болып табылады. Сорбциялық әдістің артықшылығына: химиялық тұрақтылығына байланысты әртүрлі табиғи көздерінен ластанған суларды тазалау мүмкіндігі, екіншілік ластауды болдырмау және үрдісті бақылау жатқызылады.
Сорбент алумен байланысқан шығындар әртүрлі өнеркәсіп орындардан қалдықтарды өңдеу барысында осы мақсатта түрлі тиімді сорбенттерді жасап шығаруға болады. Көп мөлшерде түзілетін өнеркәсіптегі қатты қалдықтарды көміртекті сорбенттерді дайындауда қайта өңдеуге болады, сәйкесінше, олар суды тазалауға қатысуы мүмкін. Осылайша, үш мәселенің шешімі табылады: қалдықтарды өңдеу, шикізатты сақтау және суды тазалау [14].
1.4 Сорбциялық тазалау үрдісіндегі табиғи және түрлендірілген көміртекті сорбенттер
Соңғы кезде судың сапасына қатаң талаптар туындаған сайын, суды тазалаудағы көптеген классикалық әдістер табиғи және ағынды сулардың терең тазалануын қамтамасыз ете алмай жатыр және экономикалық тұрғыдан өте тиімсіз болып табылады. Сондықтан зерттеушілер су көздерінен әртүрлі зиянды заттарды бөліп алу әдістерінің жаңа түрін ойлап табуға назар аударды. Практика жүзінде қолданылатын, біршама тиімді болып сорбция үрдісі саналады, ол қол жетімді, әрі судағы еріген қоспалардың тазалану дәрежесі біршама жоғары болып келеді. Сонымен қатар, сорбциялық технологияның тағы бір ерекшелігі - аппараттық жабдықтаудағы қарапайымдылық пен үрдісті толық немесе жекелей автоматтандыру болып табылады. Сорбциялық практикада қолданылатын микрокеуекті белсенді көмірлерде кемшіліктер қатары орын алған, олар сорбция үрдісін дұрыс жүргізілуіне кедергі болады. Мысалға, осындай кемшілік қатарына, жоғары гидродинамикалық қақтығысты тудыратын түйіршіктердің дұрыс емес формасын жатқызуға болады, олар сорбциялық құрылғының үздіксіз жұмысын және ерітінділерден қоспаларды шығару кинетикасын қысқартады. Қазіргі кезде кезекті белсендірумен көмірсутектердің жоғары температурадағы пиролизі мен беткі қабатты химиялық түрлендіру жолымен алынған пироккөміртектер негізіндегі синтетикалық матриалдардың жаңа түрі пайда болғаннан бері, кеуекті материалдардың сан алуан түрі анықталды [15].
Сорбенттерге келесі бір талаптарды қанағаттандыру қажет: үлкен сорбцялық сыйымдылыққа, жоғары механикалық беріктілікке ие болуы керек, оңай түрлендіруге ұшырап, қолжетімді арзан болуы қажет [16].
Ағынды сулардың тазалану дәрежесі суға қойылатын талаптар мен оның қосалқы өнімдермен ластануына байланысты салыстыру жұмыстарымен анықталады. Ағынды суларда кездесетін зиянды қоспалардың концентрациясын төмендету үшін терең тазалаудың қажеттілігі туындайды. Сондықтан, ағынды суларды тазалау барысында шекті рұқсат етілген концентрация (ШРК) мәндерімен салыстыру жұмыстары жүргізіліп, сәйкесінше, жоғары концентрацияларды төмендету жұмыстары анықталды [17].
Белсендірілген көмірлер - жылына миллион тонналап өнідірілетін кең қолданылатын сорбент. Ол химиялық табиғаты жағынан әртүрлі болып келетін қоспаларды жою үшін қолданылатын әмбебап сорбент болып табылады. Белсендірілген көмірді алудың негізгі шикізат көзі табиғи немесе жасанды органикалық заттар. Табиғи қатарына: ағаш, қоңыр және тас көмірлер, мұнайдың ауыр фракциялары, ал жасанды - химиялық өнеркәсіпте өндірілетін полимерлі материалдар жатқызылады.
Кеуекті көміртекті материал (ККМ) құрылымы графиттің құрылымына сәйкес келеді, бірақ кеуекті көміртекті материалдарда көміртекті сақиналар - гексогендер ретті және ретсіз түрінде кезектесе орналасқан. ККМ графитпен салыстырғанда, ККМ кеуекті бос кеңістікті көрсетеді, ол әдетте үшөлшемді лабиринт түріне сәйкес келеді. Бос кеңістік пайда болғанына байланысты оларды: микропоралар (2 нм), мезопоралар (2-50 нм) және макропоралар ( 50 нм) деп ажыратады. Микропорлардың өзін өлшемі 0,7-2 нм диапазонындағы супермикропора және өлшемі 0,6-0,7 нм болатын ультрамикропора деп бөледі. Осы поралардың болуын байланысты ККМ жоғары шекті беттік қаситке ие, сәйкесінше ол сұйықтық пен газдардан әртүрлі заттарды сіңіре (адсорбциалау) алады. Адсорбцияны фазааралық бөліну кезінде заттар концентрациясының артуы деп қарастыруға болады. ККМ адсорбциялық қабілеті оның беттік қабатына, табиғатына және беттік реакцияласушы топшалардың концентрациясына байланысты болып келеді. Соңғылар қатарына, әдетте, көміртекті материалды беттік қабатын өңдеу барысында түзілетін функционалды топшалар қатысады: фенол (гидроксил), карбон (хиноид), карбоксил, эфирлі топшалар және т.б..
Көміртекті сорбент экологиялық таза көміртекті сорбенттердің жаңа класын көрсетеді, себебі ол табиғи органикалық шикізатты термиялық өңдеу барысында алынған. Көміртекті сорбенттерді әртүрлі формаларда қолданады: өлшемі 0,8 мм дейін болатын ұнтақ түрінде, үлкен өлшемді түйіршіктер, әртүрлі форма мен өлшемді блоктар, қабықша, мата талшығы түрінде де пайдаланады. Ұнтақтәріздес сорбенттер біршама кең ауқымда қолданылады, себебі оны ұсақталған шикізаттан оңай алуға болады.
Көміртекті сорбенттердің сан алуандығын келесі қасиеттеріне байланысты түсіндіруге болады: бастапқы шикізат табиғаты (қатты, сұйық және газтәріздес), алу әдісі, құрылымдық және текстуралық (кеуектілік, беткі қабаты, өлшемі, тесіктердің (пора) бөлінуі) қасиеттері және қолдану аймағы.
[18] әдебиетке сүйенсек, мұнай өнімдері мен ерітілген органикалық заттардан алынған көміртекті сорбенттер, суды сорбциялық тазалауда тиімді екенін көрсетеді, оның аналогтары ретінде Norit, Chemviron, Calgon Corp фирмалардың сорбенттерін атап өтуге болады. Суды түрлі органикалық қосылыстар мен мұнай өнімдерінен, бояғыштардан, ПАВ, пестицидтерден, тазалау мақсатында және суды тазалаудағы химиялық және биологиялық үрдістерді интенсификациялау үшін бір реттік сорбенттер қолданылады. Осы сорбенттер иондық сипаттағы ерітінділерден, гальваникалық және электрохимиялық өндірістер ағыстарынан қоспаларды бөлу үшін және ауры металдар иондарын концентрлеу үшін пайданылуы мүмкін. Сонымен қатар, катализаторларды енгізу үшін матрица ретінде де, судағы темір құрамын төмендету үшін қолданылады.
Қазіргі кезде әртүрлі сипаттағы сорбент бетінде ақуыздық молеукалардың адсорбциясын зерттеуге көп көңіл бөлінген [19]. Осы зерттеу өзектілігі биоспецификалық сорбенттерді дайындаумен байланысты, олар онкологиялық, имундық, инфекциялық және т.б. аурулардан (приондар, вирустар мен бактериялар өнімдері, тау-ақуыз) туындайтын, адам ағзасында жиналатын ақуыздық сипаттағы уытты заттардың адсорбция үрдісіне қатысады. Осындай патогенді қосылыстар орташа молекулалық массалы ақуыздырға жататыны анықталды. Негізінен, көміртекті материалдар - ақуыздық қосылыстар жүйесіндегі құбылыстарды зерттеу де аса қызықты болып саналады [19]. Осыған байланысты көміртекті сорбенттер биоспецификалық сорбенттерді дайындауда жақсы тасымалдағыш болып табылады, бұл оның ерекше қасиеттеріне негізделген. Сорбенттердің адсорбциялық қасиетін арттыру мақсатында ақуыз табиғатындағы қосылыстарға қатысты көміртек бетінде функционалдық топшалармен химиялық түрлендіру жұмыстары жүргізіледі.
Осы жұмыста [19] алғаш рет кезекті поликонденсацияға ұшыраған, органикалық қышқылдармен түрлендірілген көміртекті гемосорбентермен ақуыздардың адсорбциясын зерттеу жұмыстары келтірілген. Осы әдіс көміртекті сорбенттерге қатысты алғаш рет қолданылған және аса қызығушылықты көрсетеді, себебі түрлендірудің таңдалған бағыты тиімді сорбенттерді алуға мүмкіндік береді. Осылайша көміртекті сорбенттің сипаттамасын беруге болады (1-2 кестелер).
1 кесте
Көміртекті сорбенттің қасиеттері
Тесіктердің жалпы көлемі
0,5 - 1,5 см[3]г
Мұнай өнімдеріне қатысты адсорбциялық белсенділік
50 - 150 мгг
Минеарлды қоспалар құрамы
10-20 % массы
Түйіршіктер диаметрі
2-10 мм
2 кесте
Көміртекті сорбенттердің салыстырмалық сипаттамасы
Сорбент маркасы
Тесіктердің көлемі, см[3]г
Метилен-көгілдір адсорбция-сы, мг 100 г
Vr
V микро
V мезо
V макро
БАУ
1,60 - 1,8
0,22 - 0,25
0,08 - 0,10
1,30 - 1,45
100 - 250
АГМ-1
0,70 - 0,7
0,28 - 0,30
0,04 - 0,06
0,38 - 0,40
100 - 200
Chemviron (Бельгия)
0,80 - 0,8
0,30 - 0,35
0,05 - 0,10
0,30 - 0,50
180 - 300
Сапро-пельді
0,4 - 1,70
0,05 - 0,15
0,10 - 0,30
0,60 - 1,40
50 - 80
Осы зерттеулер теориялық жағынан да (адсорбция үрдісін түсіндіру), практикалық жағынан да (биоспецификалық көміртекті гемосорбенттерді дайындау) өзекті болып саналады.
Зерттеу нәтижелері бойынша [19], көміртекті тасымалдаушы мен гемосорбентті алу үшін қажетті модификаторлар қасиеттеріне байланысты негізгі талаптар қойылды; ақуыз табиғатының қосылыстарымен әрекеттесетін беттік функионалдық топшалар концентрациясын жоғарлату мақсатында органикалық қышқылдарды поликонденсациялау әдісімен мезокеуекті құрылымға ие көміртекті материалды түрлендіру жұмыстары жүргізілді; түрлендірілген көміртекті гемосорбенттердің физико-химиялық қасиеттері зерттеліп, көміртекті тасымалдаушының қасиеттерімен (кеуекті құрылым, беттік функционалдық топшалардың құрамы, ақуыздарға қатысты адсорбциялық қасиеттері) салыстырылды; модификатордың әсері, шекті беткі қабат, тесіктер өлшемі сияқты қасиеттері анықталды.
Белсендірілген, көміртекті талшықты материалдар - өнеркәсіп пен техника салысында кеңінен қолданылатын сорбенттердің ерекше түрі. Оларға ерекше қасиет беріп, сорбциялық қасиетін арттыру мақсатында оларды түрлендіреді. Түрлендіру физикалық әдістермен, мысалы, сорбентті қосымша термоөңдеу немесе химиялық (электрохимиялық) өңдеу, мысалы, азот қышқылымен тотығу немесе химиялық белсенді заттармен түрлендіру есебінен жүруі мүмкін [20].
Қазіргі кезде фенолформальдегид шайырлары негізінде алынған сорбенттер аса қызығушылық танытуда, олардың шекті беттік қабаты 2500 м2г құрайды, ал тәжірбиелік жағдайларда одан да артық көрсетеді, екінші орында гидратцеллюлоза орналасқан. Алынған көрсеткіштер стандартты болып табылады және сорбенттер өнеркәсіпте маңызды болып саналады. Белсендірілген көміртекті талшықтар қопсыған түрдегі құрылымды көрсетеді. Олар микрокристалдармен байланысқан түзілулерді көрсетеді, олардың арасында тесіктердің үлкен өлшемі анықталған. Осы талшықтар жоғары сорбциялық қасиет көрсеткенмен, қазіргі кезде кейбір жағдайларда олар қойылған талаптарды қанағаттандырмайды. Негізінен электрөткізгіштік қасиеттерге ие талшықты сорбенттерді алу қажеттілігі туындаған, ерітінділер адсорбциясынан кейінгі тура регенерация үшін қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, көміртекті талшықты сорбенттер физикалық адсорбция нәтижесінде еріткіштер немесе қандайда бір заттарды байланыстыратын жай ғана адсорбент емес, олар полиамфолит те бола алады, бірақ осындай сорбенттердің сыйымдылығы, олардың алмасу сипаттамалары біршама төмен болып келеді.
Суды немесе басқа да сұйықтықтарды тазалауда анионогендік топшаларды көрсететін аниониттер мен катиониттерді құрайтын көміртекті талшықтар дайындалды. Осы талшықтар-катиониттер - тотығу жолымен оңай алынады. Егер талшықтар 1100-1200°С төменгі температуралардан алынса, бірақ олардың қарсыласуы жоғары, олар тоқты өткізгіш ретінде де қолданылуы мүмкін [20].
Суды тазалау мен ағынды суларды тазалауда көміртекті сорбенттерді қолдану масштабы шектелген, ол агрессивті химиялық заттардың қоспасына жеткіліксіз тұрақтылығы. Осыған байланысты табиғи графиттерден арзан және қол жетімді көміртекті сорбенттерді алуды дайындау өзекті мәселе болып табылады. Олар әлсіз адсорбциялық қабілеттілік көрсететін инертті материал болып келеді. Белсенді рагенттерге (су буы, көміртек диоксиді) қатысты табиғт графиттердің төменгі реакциялық қабілеттілігі осының негізіндегі кеуекті көміртекті материалдардың синтезін қиындатады. Бірақ графиттерде сорбциялық қасиетке ие қосылыстарды түзе отырып, әртүрлі химиялық қосылыстармен әрекеттесу қабілеті байқалады [21].
1.5 Ағынды суларды ауыр металдардан тазалаудағы сорбциялық зерттеулер
Әдебиеттерде ауыр металдар иондарының сүйек қалдықтарынан алынған белсенді көмірлермен сорбциясына арналған жұмыстар кездеседі. Лигноцеллюлозалы шығындарды өңдеу кезінде көбінесе ортофосфор қышқылының химиялық белсенділігі пайдаланылады [22-25]. Ол белсенділік көмірдің бірыңғайлық қасиетін жоғарылатуға, процессте температураны төмендетеді және қайта өңдеу технологиясы кезінде энергияны үнемдеуге мүмкіндік береді.
Бұл жұмыстың мақсаты ортофосфор қышқылының химиялық белсенділігіне сүйеніп сүйек қалдықтарынан жоғарыкеуекті, белсенді көмір алу, алынған материалдардың кеуекті құрылысының сипаттамаларын зерттеу, сонымен қоса, метиленді көк пен ауыр металл иондарына қатысты сорбциялық қасиеттерін зерттеу. Нәтижесінде мынадай мәліметтер алынған: кеуекті құрылысты бағалау сорбциялық зерттеулер кезіндегі басты назарда болатын негізгі қасиет болып табылады. 3 суретте 400°С температурада Н3РО4 - мен өңдеу арқылы сүйек қалдықтарынан алынған белсенді көмірмен азоттың сорбция-десорбция изотермасы келтірілген. ИЮПАК классификациясына сәйкес, Xp= 0,5 және 0,75 коэффициенттерімен алынған бұрыштардағы азот изотермасы микрокеуекті адсорбенттерге тән І типке жатады. Хр = 1,0 және Хр = 1,25 коэффициенттерімен алынған азот адсорбциясы изотермасы І және ІІ типтер арасында аралық орын алады. Изотерманың бірінші кесіндісі І типке жатады және микрокеуек болуымен сипатталады. рр0 жоғары мәндерінде (0,2-ден үлкен болса) адсорбирленуші азоттың санының өсуі байқалады, ол ІІ типке тән, адсорбцияның шексіз, көпқабатты болуымен сипатталады.
3 сурет. Асорбция-десорбция изотермасы, (Ммоль3г) 77 К-де сіңдірудің әртүрлі коэффициенттерімен активті бұрыштар үлгілері үшін (а). РРs - қаныққан газдың тепе-теңдік қысымдарының қалыпты қысымға қатынасы.
Сіңдіру Хр = 1,25 коэффициентінен жоғарылау кезінде кеуектер арасында жіңішкеру болады, микрокеуектер мезокеуектер түзе отырып үлкейеді және байланысады. Өз кезегінде мезокеуектер азот молекулаларын жұтуға қабілетсіз макрокеуектерге үлкейеді. Мұндай айналулар нәтижесінде БЭТ-тің меншікті беттік қабаты тез төмендейді (3 кесте).
3 кесте
Сүйек қалдықтарынан алынған белсенді көмірдің кеуекті құрылысының сипаттамасы (белсенділік температурасы 400°С, белсенділік уақыты 1 сағ)
Сіңу коэффи-циенті , Хр
БЭТ бойынша салыстырмалы беттік қабат, м[2]г
Кеуектің суммарлы көлемі, VΣ см[3]г
Микрокеуектің көлемі, Vми см[3]г
Мезокеуектің көлемі, Vме см[3]г
Микропора үлесі, VмиVΣ %
0,50
933
0,44
0,34
0,346
77
0,75
979
0,47
0,38
0,315
81
1,00
2169
1,00
0,80
0,667
80
1,25
1319
0,77
0,32
0,371
42
Сіңдірудің Хр = 0,5-0,75 коэффициенттерінде болуы жоғары меншікті бетте (930-980 м2г) белсенді көмір алуға әкеледі. Бастапқы шикізатты өңдеудегі сіңдірудің коэффициенті Хр = 0,5-0,75 дейін жеткенде жоғары меншікті беткі қабаты бар белсенді көмірлер алуға болады (930-980 м2г). Сіңдірудің коэффициенті Хр=1,0 дейін жоғарылағанда БЭТ-тің меншікті беттік қабаты тез жоғарылайды және 2170 м2г-ге дейін жетеді, осы кезде микрокеуек көлемі 0,8 см3г құрайды. Сіңдірудің коэффициенті әрі қарай 1,25-ке дейін өскенде БЭТ-тің меншікті беттік қабаты 1319 м2г - ге дейін төмендейді, микропора көлемі 0,32 см г-ге дейін түседі және мезопораның көлемі үлкейеді. Бұл өлшемдерді қайта бөлу мезо- және макропоралардың құрылымының құрылуының есебінен болатынын көрсетеді.
4 суретте сілтінегізді-цилиндрлік пораларды сипаттайтын қайта бөлудің дифференциалды қисығы көрсетілген (QSDFT). Бұл қисықтар эффектілік радиустары 1,17-1,22 және 2,0-2,44 нм болатын екі максимумның болуымен сипатталады.
4 сурет. Сілті негізді-цилиндрлік пораларды сипаттайтын қайта бөлудің дифференциалды қисығы
Көрсетілген қисықтардың анализынан бұл облыстарда пора өлшемінің сіңдіру коэффициенті 0,5 пен 1,0 арасында болса пора өлшемі үлкейеді, ал одан сайын Хр=1,25 жеткенде бұл көрсеткіш тез төмендейді.
3-10 нм аумақты анализдей отырып Хр=0,5-0,75 сіңірудің коэффициенті кезінде көмір үшін кеуекті құрылысы қатты дамымаған. 3-10 нм арасындағы аумақты анализдей отырып, көмір үшін сіңдіру коэффициенті Хр=0,5-0,75 арасында болса кеуекті құрылымы маңызды емес болып дамыған. Сіңдіру коэффициенті Хр=1,0-1,25 дейін өскенде пор көлемінің өлшемдері 3,7 нм-ге дейін бірден жоғарылауын байқауға болады. Бұл сіңдіру коэффициенттерін 1,0 және 1,25 пайдалану кезінде мезопораның айрықша дамуын көрсетеді.
Метиленді көк ерітіндісінің ағару процесін зерттеуге арналған сорбциялық зерттеулер кеуекті құрылысты сипаттайтын мәліметтермен сай келеді. Көмірдің химиялық белсенділігі кезінде алынған көбінесе микропористый болады, осы себептен олар МГ сорбциялық белсенділігі бойынша жоғары көрсеткіштер көрсете алмайды (5 сурет). Сіңдірудің Хр=0,5 минималды коэффициенті кезінде алынған үлгінің адсорбция изотермиясы төмен тепе-теңдік концентрациясының айрықша көтерілуімен сипатталады.
5 сурет. МГ бойынша сіңдірудің әртүрлі коэффициенттерінің үлгілері үшін сорбциялық сыйымдылықтың А (мгг) тепе-тең ерітінді Степе-теңд(мгл) концентрациясынан тәуелділігі
500-1400 мгл аумақтағы концентрацияда қанығуға тенденция байқалады. Сорбциялық сыйымдылықтың алынған мәндері бар болғаны 35-40 мгг. Сіңдірудің максималды Хр=1,25 коэффициенттері кезінде сорбциялық сыйымдылық жоғары тепе-тең концентрация аумағында 120 мгг жетеді. Бұл нәтиже жоғарыкеуекті өндірістік көмірлердің белсенділік қабілеттеріне қарама-қайшы келеді [26].
6 суретте көрсетілгендей тұрақты концентрация 14-15 мгг-ға дейін жоғарылағанда Ni2+, Сг3+, Сu2+, Zn2+ иондарының адсорбциялық сыйымдылығы үлкейеді, одан да үлкен концентрацияларда ол тіптен өзгермейді және бұл адсорбент пен сорбцияның шекті мәндерінің ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Академик Е.А. Бөкетов атындағы
Қарағанды мемлекеттік университеті
Ағаш сорбенттердегі ауыр металдар (Pb II, Hg I, Hg II, Cd II) сорбциясы
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В060600 - Химия мамандығы
Қарағанды 2014
Сан жылдар бойы адамзат сорбент ретінде кеуекті көміртекті материалдарды қолданды. Сонау XVІІI ғасырда ағаш негізіндегі көміртектің әртүрлі сұйық заттарды тазартып, кейбір газдарды сіңіретіні анықталған. ХХ ғасырдың басында көміртекті сорбенттерді (негізінен, ағаш және сүйекті белсенді көмір) тағам және шарап жасау өнеркәсібінде сұйықтықтарды тазарту үшін қолдана бастады.
Сорбенттер ретінде әртүрлі жасанды және табиғт кеуекті материалдарды қолданады: күл, кокстық ұсақ-түйек, торф, силикагельдер, алюмогельдер, белсендірілген көмірлер, шунгиттер, алюмосиликаттар және т.б. Сол себептен сорбциялық әдістерді біршама тиімді етіп шығару үшін қол жетімді, қоспаларды жоюда селективті болатын сорбенттерді дайындап шығару қажеттілігі туындаған [4-6].
Кейінгі жылдары белсендірілген көмір, силикагель, алюмогель және т.б. дара бейорганикалық сорбенттермен қатар аралас бейорганикалық сорбенттерді синтездеу бойынша ізденістер кеңінен өрістеуде. Олар екі немесе бірнеше адсорбенттердің қоспасынан тұрады және де қасиеттері өздерінің құрамдастарынан да олардың механикалық қоспаларынан да өзгеше болады. Аралас сорбенттерді синтездеу барысында олардың кеуектілігін, сорбциялық сыйымдылығын, талғамдылығын және басқа да негізгі өте қажетті сипаттамаларын оңай реттеуге мүмкіндік туындайды. Ал жаңа аралас сорбенттер алу мақсатында қызуғышылық тудыратын нысаналар ретінде модификацияланған силикофосфаттар қосылыстары болып табылады.
Табиғи ауыл шаруашылық саласында пайдаланылған қалдық суларды металл иондарынан арзан әдіспен тазарту көптеген еңбектерде қарастырылған. Соның бірі гальваника өнеркәсібінің суларын күріш сабаны, күріш қабықшасы және күріш кебегін пайдаланып рН-тың бастапқы мәні, металл ионының концентрациясы, адсорбенттің массасы, әсерлесу уақыты және температура секілді физика-химиялық параметрлердің әсерін зерттеу жұмыстары жасалды, сонымен қатар, тәжірбиелік мәліметтер Фрейндлих және Халси изотермияларымен өңделіп, диффузия коэффициенті мен аадсорбция энергиясының мәндері адсорбция құбылысының химиялық сипатқа ие екенідігін, ал есептелеген G0, H0 және S0 секілді термодинамикалық параметрлер спонтанды әрі эндотермиялық сипатқа ие екендігін көрсеткен.
Практикалық маңызы. Қазіргі кезде көміртекті сорбенттерді қолданудың негізгі бағыты технологиялық үрдістердегі адсорбциялық тазалаумен тығыз байланысты. Кеуекті көміртекті материалдар бастапқыда ағашты термиялық өңдеу барысында алынды. Қазір оларды кез келген көміртекті шикізаттан жасайды, оларға: ағаш пен целлюлозаны, тас көмір мен қоңыр көмірді, синтетикалық полимерлі материалдарды, сұйық және газтектес көмірсутектерді, әртүрлі органикалық қалдықтарды жатқызуға болады. Ағынды суларды ауыр металдардан тазартуда тиімді, әрі қол жетімді технологиялар көп емес, сондықтан жаңа, жоғары сапалы және екінші ретті тазартуды қажет етпейтін әдістерді дайындау экологиялық және экономикалық тұрғыдан өзекті мәселе болып табылады. Сондықтан жұмыс барысында зерттелген сорбенттің қасиеттері экономикалық және экологиялық тұрғыдан тиімді болып табылады.
Ағын суларды тазарту мәселелерін зерттеу барысында тиімді әдістерді таңдай білу маңызды қадам болып саналады, сондықтан ағын суларды улы металдардан қауіпсіз, әрі тиімді тазарту үшін әртүрлі технологиялар қолданылады, атап айтсақ, сұйықтық экстракция әдісі, ион алмасу әдісі, сұйық мембрана әдісі, кері осмос әдістері, нанофильтрация әдісі, гибридті процестерге негізделген мембраналық әдіс және түрлі сорбенттермен адсорбциялау тәсілдері кездеседі.
Ғылыми жаңалығы: бұл жұмыс барысында алғаш рет ауыр металдар иондарынан, мысалға Pb2+, Cd2+, Hg+, Hg2 иондарынан ағынды суларды тазартуда ағаш қалдығынан алынған көміртекті сорбентті қолдана отырып, сәйкесінше сорбциялық қасиеттері зерттелді. Жоғарыда аталған мәселелерді ескере отырып, осы дипломдық жұмыста белсендірілген көмір алу технологиялары және кейбір орманды химиялық өнімдерді түрлендіру арқылы ерекше, жаңа шикізатты алу қарастырылған.
Мақсаты мен міндеттері:
Экологияға, гидросфераға және адамдарға зиянды емес, қолжетімді жергілікті шикізаттан, яғни экологиялық мәселені шешетін кәдімгі қарағайдан тиімді сорбент алу технологиялық шешімдерді өңдеуге негізделген, жұмыс барысында сорбенттің қасиеттерін зерттеп, сорбция үрдісін жүргізе отырып, сорбенттің сорбция үрдісіне қаншалықты әсер ететінін зерттеу осы дипломдық жұмыстың негізгі мақсаты болып табылады. Осы мақсатқа қол жеткізу үшін келесі мәселелерді шешу жолдары орын алынып, негізгі міндеттер қойылды:
ағаш қалдығынан сорбентті дайындап, оның қасиеттерін зерттеу;
ауыр металдар иондарына (Pb2+, Cd2+, Hg+, Hg2+) қатысындағы ағынды сулардың модельді ерітінділерін дайындап, сорбентті қолдана отырып, статикалық жағдайларда адсорбциялық тазалау үрдісін жүргізу;
ағынды сулардың ауыр металдар иондарының қоспасынан (Pb2++Cd2+) сорбциялық тазалау барысында тиімді жағдайларды анықтау.
Зерттеу объектілері: құрамында ауыр металдар иондары бар модельді ерітінділер, ағаш қалдығы негізіндегі көміртекті сорбенттер.
Зерттеу заты: ортофосфор қышқылымен (H3PO4 ) түрлендірілген көміртекті сорбенттердегі Pb2+, Cd2+, Hg+, Hg2+ иондарымен сорбция үрдісі.
Зерттеу әдістері: ИК-спектроскопия, атомно-адсорбциялық анализ, хромато-масс-спектрометрия, дериватография, спектрофотометрия, рН-метрия.
Практикалық база: Дипломдық жұмыс Физикалық және аналитикалық химия кафедрасында жасалды, зерттеуге қажетті кейбір анализдер Е.А. Бөкетов атындағы ҚарМУ-нің химиялық факультетіндегі Физико-химиялық зерттеу әдістері атты инженерлік профильдегі лабораторияда жүргізілді.
1 Әдеби шолу
1.1 Су айдындарының ауыр металдар иондарымен ластануы
Ауыр металдардың қоршаған ортада, оның ішінде су беттерінде таралу проблемасы химиялық және эколого - химиялық аспектілерде сараптау қызығушылығын тудырады.
Судың ластануын су айдындарына әртүрлі сұйық, қатты және газ тәрізді заттардың түсуі нәтижесінде судың физикалық, химиялық, биологиялық қасиеттерінің өзгеруімен түсінеміз. Олар су айдындарын ластай отырып, халықтың тұрмысына шығын әкеліп, халықтың өмірінің қауіпсіздігіне және олардың денсаулығына зиянын тигізеді.
Жерасты және жерүсті суларының ластануын мынадай типтерге бөле аламыз:
механикалық - механикалық қоспалардың құрамының жоғарылауы, негізінен беттік ластануға тән;
химиялық - улағыш және улағыш емес органикалық немесе бейорганикалық заттардың суда кездесуі;
бактериалдық және биологиялық - патогендік микроорганизмдердің, саңырауқұлақ және ұсақ балдырлардың суда кездесуі;
радиоактивтік - радиоактивті заттардың жерасты және жерүсті суларында кездесуі;
жылы - жылы және ЭС атомды сулардың су айдындарына түсуі [7].
Су айдындарының ластаушы көзі болып толық тазаланбаған өндірістік және коммуналдық кәсіпорындардың, мал шаруашылығындағы ірі комплекстердің, кен қазбаларының өндірілуі кезіндегі қалдықтар, шахта және кен сулары, темір жол және су транспорттарының қалдықтары, пестицидтер жатады [8].
Суды ластаушы металдардың ішінен адам денсаулығы мен өмірі үшін үлкен қауіп келтіретін қорғасын, кадмий және сынап металдарын атап өтуге болады.
Қорғасын. Бұл ластаушының жартысынан көп бөлігі қоршаған ортаға этилдік бензиннің күйдірілуі нәтижесінде таралады. Су жүйелерінде қорғасын көбінесе негізінен өлшенген бөлшектермен адсорбциялық байланыста болады немесе гумин қышқылдарымен ерігіш комплекс түрінде кездеседі. Биометилирлеу кезінде, сынап сияқты, қорғасын да тетраметилқорғасын түзеді.
Ластанбаған су беттерінде әдетте қорғасынның мөлшері 3 мкгл-ден аспайды. Өндірістік аймақтардағы өзендерде қорғасынның көптеген мөлшері кездеседі. Қар осы ластаушыны белгілі дәрежеде аккумулирлеуге қабілетті: үлкен қалалардың маңайында оның құрамы 1 млн мкгл болуы мүмкін, ал үлкен қалалардан алыстаған сайын ~1 -- 100 мкгл болуы мүмкін.
Су өсімдіктері қорғасынды жақсы аккумулирлейді, бірақ әртүрлі жолдармен жүреді. Кейде фитопланктон, сынап сияқты, оны 105 - дейінгі концентрлік коэффициентпен ұстауға қабілетті. Балықтарда қорғасын аз жиналады, осы себептен адам үшін бұл трофикалық күрмеулер буынында қауіпі аз. Бұл қосылыстар қалыпты жағдайдағы су айдындарындағы балықтарда өте аз табылады. Өндірістік қалдықтары бар аудандарда тетраметилқорғасынның балық клеткаларында жиналуы эффектілі және тез өтеді - қорғасынның өткір және созылмалы әсері ластанудың 0,1 -- 0,5 мкгл дәрежесінде орын алады. Адам организмінде қорғасын адамның сүлдесінде кальцийдің орнына жиналуы мүмкін.
Сынап. Қоршаған ортада сынап қосылыстары әртүрлі тотығу дәрежесін көрсете отырып, яғни Hg(0), Hg(I), Hg(II), өзара әрекеттесе алады. Аса қауіпті болып органикалық, әсіресе алкилді қосылыстары саналады. Сынап қосылыстарының көп жинақталған жері (97% дейін) - мұхиттардың беттік суы. Шамамен барлық сынаптың жартысы табиғи ортаға техногендік себептермен келіп түседі.
Ортаның қышқылдылығы мен оның тотықтырғыштық потенциалы сулы ортадан сынап қосылыстарын табуға қатысады. Мысалға, жақсы аэрирленген су қоймаларында көбінесе Hg(II) қосылыстары кездеседі. Сынап иондары берік комплекс түрінде суда кездесетін және лиганд ретінде болатын әртүрлі органикалық заттармен байланысады. Әсіресе берік комплекстер күкіртқұрамды қосылыстармен түзіледі. Сынап судың бөлшектерінде жақсы адсорбцияланады. Осы кезде концентрлеу факторы 105 дейін жетуі мүмкін. Демек, металдың суда болуы кезекті седиментациямен өлшенген бөлшектер сорбциясымен анықталуы мүмкін, яғни сулы ортадан сынаптың жойылуы жүреді.
Сулы ортада сынап R -- Hg -- X және R -- Hg -- R, мұндағы R -- метил- немесе этил-радикал түріндегі металлоргникалық қосылыстарды түзеді. Әдеби шолу бойынша сулы ортаға сынап металдық сынап, ион Hg(II) және фенилсынап ацетаты түрінде келіп түседі. Балықта кездесетін, сынап формасын анықтайтын - метилсынап микроорганизмдер ферментерінің қатысында билогиялық жолмен пайда болады. Аса ластанбаған сулардың беттік қабатында сынап құрамы 0,2 -- 0,1 мкгл аралығында ауытқиды, ал мұхиттарда бұл көрсеткіш үш есе аз болып келеді. Сулы өсімдіктер сынапты жақсы сіңіреді. Сынаптың органикалық қосылыстары R -- Hg -- R' престелген планктонда жоғары концентрация түрінде кездеседі. Ағзадан сынаптың бейорганикалық қосылыстарынан, сынаптың органикалық қосылыстары ақырындап шығады. Осы токсиканттың стандарттық шекті құрамын (0,5 мкгкг) тағам өнімдерін сапасын бағалай кезінде анықтайды. Сонымен қатар, сынап метилденген қосылыстар түрінде де кездеседі. Егер осы қосылыстар адам ағзасына түсетін болса, онда Минимат ауруы байқалуы мүмкін.
Кадмий. Химиялық қасиеттері жағынан кадмий мырышқа ұқсас. Кадмий ферментативті процесстерде шұғыл бұзушылыққа әкеле отырып, металлқұраушы ферменттерде активті орталықтарда соңғы болып орын баса алады. Кен орындарында кадмий үнемі мырышпен бірге кездеседі. Су жүйелерінде кадмий еріген органикалық заттармен байланысады, әсіресе оның құрылымында SH сульфигидрлі топтар болатын болса. Кадмий сонымен қоса аминқышқылдарымен, полисахаридтермен, гумин қышқылдарымен комплекстер түзеді. Бірақ осы лигандалардың кадмийді байланыстыруға қабілетті жоғары концентрацияларының болуы тірі организмдер үшін қауіпсіз кадмийдің бос акваиондарының концентрацияларын төмендетуге қабілетті емес деп саналады. Кадмий иондарының түпкі тұнбалармен адсорбциясы ортаның қышқылдығына тікелей байланысты. Нейтралды сулы орталарда кадмийдің бос ионы түпкі шөгінді бөлшектермен іс жүзінде толықтай сорбцияланады.
Бірнеше жыл бұрын кадмийді қоршаған ортаға түсіретін көздері көп болған. Кадмийдің қауіптілігі зерттеліп, белгілі болған соң олардың саны бірден азайтылды (өндірісі жақсы дамыған елдерде). Қазіргі уақытта қоршаған ортаны осы ластаушымен ластайтын негізгі көзі - никель-кадмийлі аккумуляторларды сақтайтын орындар. Белгілі болғандай кадмий Этна жанартаулардың атқылайтын өнімдерінде табылған. Жаңбыр суында кадмийдің концентрациясы 50 мкгл-ден жоғары болуы мүмкін. Тұщы су айдындарында және өзендерде кадмийдің мөлщері 20-400 нгл шамасында болады. Оның аз мөлшері Тынық мұхитының аумағында тіркелген, Жапон аралдарынан шығысқа қарай (~0,8 -- 9,6 нгл түбінде 8 -- 5500 м). Бұл металл су өсімдіктері мен балықтардың ішкі органдарында жиналады.
Кадмий метилсынаппен және қорғасынмен салыстырғанда өсімдіктерге келтіретін уыттылығы аз, сондай-ақ 0,2 -- 1 мгл мөлшерінде кадмий болса фотосинтез құбылысының жүруі төмендейді және өсімдіктің өсуі нашарлайды. Мынандай қызықты эффект бар: кадмийдің уыттылығы мырыш қатысында белгілі мөлшерде төмендейді, бұл мәлімет осы металдардың организмдегі ферментативті процесстерде бәсекеге түсе алуы мүмкін деген болжамды растайды.
Кадмийдің өткір уыттылығы тұщы судағы балықтар үшін 0,09-дан 105 мкгл-ге дейін бола алады. Судың қатаюуының жоғарылауы организмнің кадмиймен уланудан қорғану дәрежесін жоғарылатады. Адамдардың организміне трофикалық күрмеулермен түскен кадмиймен қатты улану жағдайлары белгілі (итай-итай ауруы). Организмнен кадмий ұзақ уақыт аралығында тазаланып, шығарылады. (шамамен 30 жыл) [9].
1.2 Ауыр металдардың су бетінде жинақталу формалары
Қоршаған ортаның басты сапалық көрінісі ретінде жерүсті суларының тазалығы қаралады. Улаушы металл су айдынына немесе өзенге түскенде осы судағы экожүйенің компоненттері арасында таралады. Бірақ металдың саны берілген жүйенің бұзылуына әкелмейді. Экожүйенің сыртқы улағыш заттар әсеріне қарсы мүмкіндігін бағалау үшін экожүйенің буферлі сыйымдылығы деген шама қолданылады. Сондай-ақ тұщы су экожүйесінің ауыр металдарға қатысты буферлік сыйымдылығы осындай мөлшердегі улағыш металл болып табылады. Осы металлдардың түсуі қарастырылып отырған барлық экожүйенің функцияларының табиғи сипаттамасына әсер етпейді. Осыған байланысты улағыш металл келесі құраушыларға бөлінеді: 1) еріген түрдегі металл; 2) фитопланктондармен сорбцияланған немесе аккумулярланған, яғни өсімдік микроорганизмдерімен; 3) су ортасындағы минералдық және органикалық бөлшектер седиментациясы нәтижесінде болатын қалдықтарға тұрақтылар; 4) еріген түрдегі су жүйесінен қалдықтар бетінде адсорбцияланғандар; 5) өлшенген бөлшектердегі адсорбцияланған формадағылар. 1 суретте улағыш металдың (М) су экожүйесіндегі бөлінуі сызба түрінде көрсетілген.
1 сурет. Улағыш металдың (М) су экожүйесіне түсу жолдары және болу формалары
Металдың суда болу формасына гидробионттар әсер етеді (мысалы, ұлулар). Сонымен мыстың болуын оқып - талдау кезінде жерүсті суларында концентрациясының маусымдық өзгерістері қаралады: қыс мезгілінде олар максималды, ал жаз мезгілінде биомассаның белсенді өсу дәрежесі төмендейді. Өлшенген органикалық, мыс иондарын адсорбирлеуге қабілетті бөлшектерді тұндыру кезінде соңғылары қалдықтарға ұшырайды және бұл қаралып отырған эффектілерге әкеледі. Сонымен қоса бұл процесстің интенсивтілігі өлшенген бөлшектердің седиментация жылдамдығынан тәуелді екенін айта кеткен жөн. Яғни адсорбирлеуші мыс иондарының заряды мен мөлшері сияқты мұндай факторлардан жанама болады.
Металдың аккумулярлануынан басқа адсорбция және седиментацияға байланысты жерүсті суларында басқа да процесстер болады. Олар экожүйенің улағыштар әсеріне қарсы тұрақтылығын көрсетеді. Олардың маңыздылары металл иондарын су ортасында еріген органикалық заттармен байланыстыруда болады. Сонымен қоса, осы кезде улағыштың судағы концентрациясы өзгермейді. Оның үстіне, гидратталған металл иондары улағыштығы жоғары болып саналады, ал комплекске байланыстылардың зияны аз немесе жоқ болып есептеледі. Арнайы зерттеулер табиғи жерүсті суларындағы улағыш металдың жалпы концентрациясы мен улылылығының арасында тәуелділік жоқ екенін дәлелдеді.
Табиғи жерүсті суларында органикалық заттардың көп мөлшері кездеседі, олардың 80%-ын суға жер қыртысы арқылы түсетін гумустық заттар түріндегі қышқылдылығы жоғары полимерлер құрайды. Суда еритін органикалық заттардың қалған бөлігі организмдегі өмір сүруге қажет заттарға (полипептидтерге, полисахаридтерге, майлы және аминқышқылдарына) ие, немесе антропогендік жолмен пайда болған қоспаның химиялық қасиеттеріне ұқсас. Олардың барлығы су ортасында болатын әртүрлі айналуларға шыдайды. Бірақ олардың барлығы комплекстегі металл ионы мен судың улылығын төмендетушілерді байланыстыратын комплекс түзуші реагенттер болып табылады.
Әртүрлі жерүсті сулары улағыш металл иондарын әртүрлі буферлік сыйымдылықпен байланыстырады. Оңтүстіктегі көл, өзен, су айдындарындағы табиғи компоненттердің көп бөлігі (гумустық заттар, гумин қышқылдары және фульво қышқылдар) және олардың жоғары концентрациялары Солтүстіктегі су айдындарының суларына қарағанда табиғи эффектілі детоксикацияға қабілетті. Ластаушылары бар судың улылығы табиғат зоналарының климаттық шарттарына байланысты. Жерүсті суларының буферлі сыйымдылығы улағыш металдарға байланысты еріген органикалық заттар мен өлшенген бөлшектердің болуымен ғана емес, сонымен қоса гидробионттардың аккумулярлаушы қасиеттерімен сипатталады. Және экожүйедегі барлық компоненттердегі, еріген органикалық заттармен комплекс түзушілермен қоса, металл иондарының сіңіру кинетикасымен сипатталады. Мұның барлығы ластаушы металдардың жерүсті суларына түсуі кезіндегі процесстердің қиын болатынын көрсетеді.
Микроорганизмдердің әсері нәтижесінде өсімдік қалдықтары айналымдары арқылы пайда болған спецификалық табиғи жоғары молекулалы қосылыстар, гумин қышқылдары ауыр металлдар иондарын тұрақты комплекстерге жоғары дәрежеде байланыстыруға қабілетті екенін айта кеткен жөн. Гуматтарға сәйкес тұрақтылық константасы (гумин қышқылдарымен ауыр металдардың комплекс иондары) металл табиғатына байланысты 105 -- 1012 арасында болады. Гуматтардың тұрақтылығы су ортасының қышқылдылығына байланысты.
Табиғи сулардағы металдардың кездесу формаларын анықтаудың химико-аналитикалық аспект проблемалары 20 жыл бұрын анықтала бастаса да анализдің жаңа әдістері пайда болуымен бұл тапсырма енді ғана шешілуде. Ертеде ауыр металдың судағы тек жалпы құрамын анықтаған және өлшенген және ерітілген формалары арасындағы үлестерін тапқан. Металдармен ластанған судың сапасы жайлы ШРК көлеміндегі жалпы құрамының нәтижелері бойынша сараптаған.
2 суретте улағыш-металдардың табиғи жерүсті суларындағы таралу схемасы көрсетілген. Ол схемада химиялық және физико-химиялық процесстердің әртүрлі формалардағы байланыстары көрсетілген.
Улағыштықтың төмендеуі
Улағыштық формалары
Гидратталған металл иондары (Mm)n[+]
Бейорганикалық қосылыстары бар қарапайым қосылыстар: MClnn[-]m; (MHCO3)2 және т.б.
Улағыштықтың төмендеуі
Күкіртті лигандалар мен аминқышқылдар комплекстері: MSR; M(NH2-CH2-...-CH2OOH) және т.б. Гумин және фульвоқышқылдар металлдарының комплекстері
Коллоидтық бөлшектер
Өлшенген бөлшектер бетінде адсобцияланған металдар: M[n+] - Fe2O3·nH2O; M[n+]-MnO·nH2O және т.б.
2 сурет. Жерүсті суларындағы металдардың болу формалары
Қазіргі уақытта бұл бағалау металдың биологиялық әсері судағы қалпына байланысты анықталатын болғандықтан толық емес және негізсіз болып саналады. Жоғарыда айтылғандай, ерекше жағдайларда, мысалы, органикалық заттардың табиғи жолмен комплекс түзуі нәтижесінде, бұл комплекстердің улағыштығы төмен ғана емес, және кейде гидробионттардың дамуына әсер етеді және осы арқылы олар организмдерге биологиялық қол жетімді болады.
ШРК жасап шығару кезінде комплекс түзілу процестері ескерілмейді және тірі организмдерге бейорганикалық тұздардың әсер етуін бағалау табиғи жолмен пайда болған, еріген органикалық заттарсыз таза суда жүргізілген. Асыра айтқанда, мұндай бағалауды жасау қиын, тіпті кейде мүмкін емес.
Сонымен, ауыр металдармен ластануы нәтижесінде судың улағыштығы металдардың акваион концентрацияларымен немесе бейорганикалық иондары бар қарапайым комплекстермен анықталады. Басқа да комплекс түзуші заттардың болуы (әсіресе органикалық) улағыштықты төмендетеді. Жоғарыда айтылғандай қалдықтарда улағыш заттардың жиналып қалуы сулардың улағыштық қасиеттерінің пайда болуына себеп болуы мүмкін. Шынымен де, егер ластаушы көздер шеттетілген болса, су таза болды десек те, біраз уақыттан судағы қалдықтар әсерінен кейін металлдың кері миграциясы болуы мүмкін. Сол себептен су жүйелерінің жағдайын сараптау оның құрамындағы барлық заттардың белгілі бір уақыт өткеннен кейінгі жасалған анализіне сүйеніп жасалуы керек.
Су айдындарына түскен ластағыш заттар судың сапалық өзгерістеріне әкеледі. Олар көбінесе судың физикалық қасиеттерін (жағымсыз иістің пайда болуы, дәмінің өзгеруі т.б.) өзгертеді; судың химиялық қасиеттерінің өзгеруіне де әкеледі (судың ішінде жағымсыз заттардың пайда болуы, су бетінде заттардың қалқып жүруі).
Өндірістік ағынды сулар өндірістен шыққан қалдықтармен және керексіз заттармен ластанған. Олардың сандық және сапалық қасиеттері әртүрлі және өндірістің саласына, сол саладағы технологиялық процесстерге байланысты; оларды екі негізгі топқа бөледі: құрамында бейорганикалық қоспалары бар; және құрамында улағыш, у бар заттар. Бірінші топқа сода, сульфатты, азотты қосылыстар негізіндегі зауыттар жатады, құрамында қышқылдар, негіздер, ауыр металдар иондары бар мырыш, никель, қорғасын кендерінің байыту фабрикалары және т.б. Бұл топтың ағынды сулары көбінесе физикалық қасиеттерін өзгертеді.
Ағынды сулардың екінші тобына мұнай-химиялық, мұнай өңдейтін зауыттардан шыққан, органикалық синтез орындарының және коксохимиялық қалдықтармен ластанған сулар жатады. Онда әртүрлі мұнай өнімдері, аммиак, альдегидтер, шайыр, фенолдар және басқа да жағымсыз заттар болады. Бұл топтағы ағынды сулардың улағыш әсері, негізінде, тотықтырғыштық процесстерде көрінеді. Ол процесстердің нәтижесінде судағы оттегінің көлемі азаяды, оттекке биохимиялық қажеттілік туады, судың органолептикалық көрсеткіші нашарлайды [10].
1.3 Өнеркәсіптік ағынды сулар және оларды тазарту жолдары
Тазалау әдістері - электрокоагуляция, электродиализ, кері осмос, ультрафильтрация, мембраналық технологиялар, биологиялық тазалау үрдістің төменгі сапасыздығы оның қолдану аясын шектейді. Осыған байланысты қымбат емес, әрі біршама тиімді болып сорбциялық әдістер екені анықталды, олар жоғары концентрациясына, олардың химиялық тұрақтылығына байланысты кең ауқымдағы тазалауды көрсетеді [11-13].
Қазіргі таңда құрылыстағы қондырғыларды тазартуға кететін қаржы шығыны өте маңызды: ол кейбір құрылғылардың, химикаттар мен материалдардың жетіспеушілігі. Сондықтан маңызды тапсырмалардың бірі болып жаңа немесе қолданыстағы тазарту әдістерін жаңарту, суды тазартудағы капиталдық және эксплуатациалдық қаржы шығынын төмендету, өнеркәсіпті сумен жабдықтау туралы жабық системалы кәсіпорын, автоматизация мен механизацияны ауқымды жағынан ұғыну мәселелері басты назарға қойылған.
Қай категория болса да жалпы шарттар шығарылымы үстіңгі су қоймалары (өзен, көл, су қоймалары, теңіз) осы су құбырлары халық шаруашылығының маңыздылығымен және суды қолдану әрекетімен анықталады. Өнеркәсіпте көбінесе суды тазалаудың келесі әдістерін қолданады: механикалық, физика - химиялық, химиялық және биохимиялық.
Өндірістің кеңейтілген масштабы және су сапасының жоғары болуын табиғи және ағынды суларды тиімді әдіс арқылы тазарту және оны қайта қолданысқа енгізу сипаттайды.
Жерасты және беттік сулардың ластануы АО УМЗ, АО УКТЭЦ, АО Казцинк аймақтарында байқалады. Жерасты және беттік сулардың ластану деңгейі мырышпен, қорғасынмен, мыспен, кадмиймен, селенмен, марганецпен, мышьякпен ластанған. Негізгі ластанған аймақтардың бірі Ертіс бассейнінің сулары. Шамамен 11% жуық ағыстар тазартылмаған түрде, 22 % жеткілікті тазартылмаған түрде келіп түседі.
Түсті металлургия орындарының ағынды суларын ауыр металдар иондарынан тазарту мақсатында қолданылатын әдістердің ішінен сорбциялық әдіс тиімді болып саналады. Сорбция - бұл жұтылу механизіміне тәуелсіз, бір заттың екінші затпен жұтылу үрдісі. Қатты зат - ерітінді беттік бөлінуіндегі сорбцияның суды тазалауда практикалық маңызы зор. Фазалардың бөліну шегінде беттік энергияға ие сорбент молекуласының, адсорбцияға ұшырайтын зат молекуларымен әрекеттесуі адсорбция үрдісінің негізі болып табылады. Сорбция үрдісі беттік энергияның төмендеуімен байланысты және өздігінен жүреді. Сорбент ретінде көптеген әртүрлі табиғи және жасанды кеуекті материалдарды қолдануға болады: күл, кокстық қалдық, торф, силикагельдер, алюмогельдер, белсенді көмірлер, шунгиттер, циолиттер, алюмосиликаттар және т.б. Сорбенттің белсенділігі көлем бірлігінде немесе сорбент массасына (кгм3, кгкг) қатысты сіңіретін заттың санымен сипатталады. Сорбция су көздерінен ерітілген заттардан, әсіресе, органикалық заттардан тазартудың аса бір тиімді әдісі болып табылады. Сорбциялық әдістің артықшылығына: химиялық тұрақтылығына байланысты әртүрлі табиғи көздерінен ластанған суларды тазалау мүмкіндігі, екіншілік ластауды болдырмау және үрдісті бақылау жатқызылады.
Сорбент алумен байланысқан шығындар әртүрлі өнеркәсіп орындардан қалдықтарды өңдеу барысында осы мақсатта түрлі тиімді сорбенттерді жасап шығаруға болады. Көп мөлшерде түзілетін өнеркәсіптегі қатты қалдықтарды көміртекті сорбенттерді дайындауда қайта өңдеуге болады, сәйкесінше, олар суды тазалауға қатысуы мүмкін. Осылайша, үш мәселенің шешімі табылады: қалдықтарды өңдеу, шикізатты сақтау және суды тазалау [14].
1.4 Сорбциялық тазалау үрдісіндегі табиғи және түрлендірілген көміртекті сорбенттер
Соңғы кезде судың сапасына қатаң талаптар туындаған сайын, суды тазалаудағы көптеген классикалық әдістер табиғи және ағынды сулардың терең тазалануын қамтамасыз ете алмай жатыр және экономикалық тұрғыдан өте тиімсіз болып табылады. Сондықтан зерттеушілер су көздерінен әртүрлі зиянды заттарды бөліп алу әдістерінің жаңа түрін ойлап табуға назар аударды. Практика жүзінде қолданылатын, біршама тиімді болып сорбция үрдісі саналады, ол қол жетімді, әрі судағы еріген қоспалардың тазалану дәрежесі біршама жоғары болып келеді. Сонымен қатар, сорбциялық технологияның тағы бір ерекшелігі - аппараттық жабдықтаудағы қарапайымдылық пен үрдісті толық немесе жекелей автоматтандыру болып табылады. Сорбциялық практикада қолданылатын микрокеуекті белсенді көмірлерде кемшіліктер қатары орын алған, олар сорбция үрдісін дұрыс жүргізілуіне кедергі болады. Мысалға, осындай кемшілік қатарына, жоғары гидродинамикалық қақтығысты тудыратын түйіршіктердің дұрыс емес формасын жатқызуға болады, олар сорбциялық құрылғының үздіксіз жұмысын және ерітінділерден қоспаларды шығару кинетикасын қысқартады. Қазіргі кезде кезекті белсендірумен көмірсутектердің жоғары температурадағы пиролизі мен беткі қабатты химиялық түрлендіру жолымен алынған пироккөміртектер негізіндегі синтетикалық матриалдардың жаңа түрі пайда болғаннан бері, кеуекті материалдардың сан алуан түрі анықталды [15].
Сорбенттерге келесі бір талаптарды қанағаттандыру қажет: үлкен сорбцялық сыйымдылыққа, жоғары механикалық беріктілікке ие болуы керек, оңай түрлендіруге ұшырап, қолжетімді арзан болуы қажет [16].
Ағынды сулардың тазалану дәрежесі суға қойылатын талаптар мен оның қосалқы өнімдермен ластануына байланысты салыстыру жұмыстарымен анықталады. Ағынды суларда кездесетін зиянды қоспалардың концентрациясын төмендету үшін терең тазалаудың қажеттілігі туындайды. Сондықтан, ағынды суларды тазалау барысында шекті рұқсат етілген концентрация (ШРК) мәндерімен салыстыру жұмыстары жүргізіліп, сәйкесінше, жоғары концентрацияларды төмендету жұмыстары анықталды [17].
Белсендірілген көмірлер - жылына миллион тонналап өнідірілетін кең қолданылатын сорбент. Ол химиялық табиғаты жағынан әртүрлі болып келетін қоспаларды жою үшін қолданылатын әмбебап сорбент болып табылады. Белсендірілген көмірді алудың негізгі шикізат көзі табиғи немесе жасанды органикалық заттар. Табиғи қатарына: ағаш, қоңыр және тас көмірлер, мұнайдың ауыр фракциялары, ал жасанды - химиялық өнеркәсіпте өндірілетін полимерлі материалдар жатқызылады.
Кеуекті көміртекті материал (ККМ) құрылымы графиттің құрылымына сәйкес келеді, бірақ кеуекті көміртекті материалдарда көміртекті сақиналар - гексогендер ретті және ретсіз түрінде кезектесе орналасқан. ККМ графитпен салыстырғанда, ККМ кеуекті бос кеңістікті көрсетеді, ол әдетте үшөлшемді лабиринт түріне сәйкес келеді. Бос кеңістік пайда болғанына байланысты оларды: микропоралар (2 нм), мезопоралар (2-50 нм) және макропоралар ( 50 нм) деп ажыратады. Микропорлардың өзін өлшемі 0,7-2 нм диапазонындағы супермикропора және өлшемі 0,6-0,7 нм болатын ультрамикропора деп бөледі. Осы поралардың болуын байланысты ККМ жоғары шекті беттік қаситке ие, сәйкесінше ол сұйықтық пен газдардан әртүрлі заттарды сіңіре (адсорбциалау) алады. Адсорбцияны фазааралық бөліну кезінде заттар концентрациясының артуы деп қарастыруға болады. ККМ адсорбциялық қабілеті оның беттік қабатына, табиғатына және беттік реакцияласушы топшалардың концентрациясына байланысты болып келеді. Соңғылар қатарына, әдетте, көміртекті материалды беттік қабатын өңдеу барысында түзілетін функционалды топшалар қатысады: фенол (гидроксил), карбон (хиноид), карбоксил, эфирлі топшалар және т.б..
Көміртекті сорбент экологиялық таза көміртекті сорбенттердің жаңа класын көрсетеді, себебі ол табиғи органикалық шикізатты термиялық өңдеу барысында алынған. Көміртекті сорбенттерді әртүрлі формаларда қолданады: өлшемі 0,8 мм дейін болатын ұнтақ түрінде, үлкен өлшемді түйіршіктер, әртүрлі форма мен өлшемді блоктар, қабықша, мата талшығы түрінде де пайдаланады. Ұнтақтәріздес сорбенттер біршама кең ауқымда қолданылады, себебі оны ұсақталған шикізаттан оңай алуға болады.
Көміртекті сорбенттердің сан алуандығын келесі қасиеттеріне байланысты түсіндіруге болады: бастапқы шикізат табиғаты (қатты, сұйық және газтәріздес), алу әдісі, құрылымдық және текстуралық (кеуектілік, беткі қабаты, өлшемі, тесіктердің (пора) бөлінуі) қасиеттері және қолдану аймағы.
[18] әдебиетке сүйенсек, мұнай өнімдері мен ерітілген органикалық заттардан алынған көміртекті сорбенттер, суды сорбциялық тазалауда тиімді екенін көрсетеді, оның аналогтары ретінде Norit, Chemviron, Calgon Corp фирмалардың сорбенттерін атап өтуге болады. Суды түрлі органикалық қосылыстар мен мұнай өнімдерінен, бояғыштардан, ПАВ, пестицидтерден, тазалау мақсатында және суды тазалаудағы химиялық және биологиялық үрдістерді интенсификациялау үшін бір реттік сорбенттер қолданылады. Осы сорбенттер иондық сипаттағы ерітінділерден, гальваникалық және электрохимиялық өндірістер ағыстарынан қоспаларды бөлу үшін және ауры металдар иондарын концентрлеу үшін пайданылуы мүмкін. Сонымен қатар, катализаторларды енгізу үшін матрица ретінде де, судағы темір құрамын төмендету үшін қолданылады.
Қазіргі кезде әртүрлі сипаттағы сорбент бетінде ақуыздық молеукалардың адсорбциясын зерттеуге көп көңіл бөлінген [19]. Осы зерттеу өзектілігі биоспецификалық сорбенттерді дайындаумен байланысты, олар онкологиялық, имундық, инфекциялық және т.б. аурулардан (приондар, вирустар мен бактериялар өнімдері, тау-ақуыз) туындайтын, адам ағзасында жиналатын ақуыздық сипаттағы уытты заттардың адсорбция үрдісіне қатысады. Осындай патогенді қосылыстар орташа молекулалық массалы ақуыздырға жататыны анықталды. Негізінен, көміртекті материалдар - ақуыздық қосылыстар жүйесіндегі құбылыстарды зерттеу де аса қызықты болып саналады [19]. Осыған байланысты көміртекті сорбенттер биоспецификалық сорбенттерді дайындауда жақсы тасымалдағыш болып табылады, бұл оның ерекше қасиеттеріне негізделген. Сорбенттердің адсорбциялық қасиетін арттыру мақсатында ақуыз табиғатындағы қосылыстарға қатысты көміртек бетінде функционалдық топшалармен химиялық түрлендіру жұмыстары жүргізіледі.
Осы жұмыста [19] алғаш рет кезекті поликонденсацияға ұшыраған, органикалық қышқылдармен түрлендірілген көміртекті гемосорбентермен ақуыздардың адсорбциясын зерттеу жұмыстары келтірілген. Осы әдіс көміртекті сорбенттерге қатысты алғаш рет қолданылған және аса қызығушылықты көрсетеді, себебі түрлендірудің таңдалған бағыты тиімді сорбенттерді алуға мүмкіндік береді. Осылайша көміртекті сорбенттің сипаттамасын беруге болады (1-2 кестелер).
1 кесте
Көміртекті сорбенттің қасиеттері
Тесіктердің жалпы көлемі
0,5 - 1,5 см[3]г
Мұнай өнімдеріне қатысты адсорбциялық белсенділік
50 - 150 мгг
Минеарлды қоспалар құрамы
10-20 % массы
Түйіршіктер диаметрі
2-10 мм
2 кесте
Көміртекті сорбенттердің салыстырмалық сипаттамасы
Сорбент маркасы
Тесіктердің көлемі, см[3]г
Метилен-көгілдір адсорбция-сы, мг 100 г
Vr
V микро
V мезо
V макро
БАУ
1,60 - 1,8
0,22 - 0,25
0,08 - 0,10
1,30 - 1,45
100 - 250
АГМ-1
0,70 - 0,7
0,28 - 0,30
0,04 - 0,06
0,38 - 0,40
100 - 200
Chemviron (Бельгия)
0,80 - 0,8
0,30 - 0,35
0,05 - 0,10
0,30 - 0,50
180 - 300
Сапро-пельді
0,4 - 1,70
0,05 - 0,15
0,10 - 0,30
0,60 - 1,40
50 - 80
Осы зерттеулер теориялық жағынан да (адсорбция үрдісін түсіндіру), практикалық жағынан да (биоспецификалық көміртекті гемосорбенттерді дайындау) өзекті болып саналады.
Зерттеу нәтижелері бойынша [19], көміртекті тасымалдаушы мен гемосорбентті алу үшін қажетті модификаторлар қасиеттеріне байланысты негізгі талаптар қойылды; ақуыз табиғатының қосылыстарымен әрекеттесетін беттік функионалдық топшалар концентрациясын жоғарлату мақсатында органикалық қышқылдарды поликонденсациялау әдісімен мезокеуекті құрылымға ие көміртекті материалды түрлендіру жұмыстары жүргізілді; түрлендірілген көміртекті гемосорбенттердің физико-химиялық қасиеттері зерттеліп, көміртекті тасымалдаушының қасиеттерімен (кеуекті құрылым, беттік функционалдық топшалардың құрамы, ақуыздарға қатысты адсорбциялық қасиеттері) салыстырылды; модификатордың әсері, шекті беткі қабат, тесіктер өлшемі сияқты қасиеттері анықталды.
Белсендірілген, көміртекті талшықты материалдар - өнеркәсіп пен техника салысында кеңінен қолданылатын сорбенттердің ерекше түрі. Оларға ерекше қасиет беріп, сорбциялық қасиетін арттыру мақсатында оларды түрлендіреді. Түрлендіру физикалық әдістермен, мысалы, сорбентті қосымша термоөңдеу немесе химиялық (электрохимиялық) өңдеу, мысалы, азот қышқылымен тотығу немесе химиялық белсенді заттармен түрлендіру есебінен жүруі мүмкін [20].
Қазіргі кезде фенолформальдегид шайырлары негізінде алынған сорбенттер аса қызығушылық танытуда, олардың шекті беттік қабаты 2500 м2г құрайды, ал тәжірбиелік жағдайларда одан да артық көрсетеді, екінші орында гидратцеллюлоза орналасқан. Алынған көрсеткіштер стандартты болып табылады және сорбенттер өнеркәсіпте маңызды болып саналады. Белсендірілген көміртекті талшықтар қопсыған түрдегі құрылымды көрсетеді. Олар микрокристалдармен байланысқан түзілулерді көрсетеді, олардың арасында тесіктердің үлкен өлшемі анықталған. Осы талшықтар жоғары сорбциялық қасиет көрсеткенмен, қазіргі кезде кейбір жағдайларда олар қойылған талаптарды қанағаттандырмайды. Негізінен электрөткізгіштік қасиеттерге ие талшықты сорбенттерді алу қажеттілігі туындаған, ерітінділер адсорбциясынан кейінгі тура регенерация үшін қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, көміртекті талшықты сорбенттер физикалық адсорбция нәтижесінде еріткіштер немесе қандайда бір заттарды байланыстыратын жай ғана адсорбент емес, олар полиамфолит те бола алады, бірақ осындай сорбенттердің сыйымдылығы, олардың алмасу сипаттамалары біршама төмен болып келеді.
Суды немесе басқа да сұйықтықтарды тазалауда анионогендік топшаларды көрсететін аниониттер мен катиониттерді құрайтын көміртекті талшықтар дайындалды. Осы талшықтар-катиониттер - тотығу жолымен оңай алынады. Егер талшықтар 1100-1200°С төменгі температуралардан алынса, бірақ олардың қарсыласуы жоғары, олар тоқты өткізгіш ретінде де қолданылуы мүмкін [20].
Суды тазалау мен ағынды суларды тазалауда көміртекті сорбенттерді қолдану масштабы шектелген, ол агрессивті химиялық заттардың қоспасына жеткіліксіз тұрақтылығы. Осыған байланысты табиғи графиттерден арзан және қол жетімді көміртекті сорбенттерді алуды дайындау өзекті мәселе болып табылады. Олар әлсіз адсорбциялық қабілеттілік көрсететін инертті материал болып келеді. Белсенді рагенттерге (су буы, көміртек диоксиді) қатысты табиғт графиттердің төменгі реакциялық қабілеттілігі осының негізіндегі кеуекті көміртекті материалдардың синтезін қиындатады. Бірақ графиттерде сорбциялық қасиетке ие қосылыстарды түзе отырып, әртүрлі химиялық қосылыстармен әрекеттесу қабілеті байқалады [21].
1.5 Ағынды суларды ауыр металдардан тазалаудағы сорбциялық зерттеулер
Әдебиеттерде ауыр металдар иондарының сүйек қалдықтарынан алынған белсенді көмірлермен сорбциясына арналған жұмыстар кездеседі. Лигноцеллюлозалы шығындарды өңдеу кезінде көбінесе ортофосфор қышқылының химиялық белсенділігі пайдаланылады [22-25]. Ол белсенділік көмірдің бірыңғайлық қасиетін жоғарылатуға, процессте температураны төмендетеді және қайта өңдеу технологиясы кезінде энергияны үнемдеуге мүмкіндік береді.
Бұл жұмыстың мақсаты ортофосфор қышқылының химиялық белсенділігіне сүйеніп сүйек қалдықтарынан жоғарыкеуекті, белсенді көмір алу, алынған материалдардың кеуекті құрылысының сипаттамаларын зерттеу, сонымен қоса, метиленді көк пен ауыр металл иондарына қатысты сорбциялық қасиеттерін зерттеу. Нәтижесінде мынадай мәліметтер алынған: кеуекті құрылысты бағалау сорбциялық зерттеулер кезіндегі басты назарда болатын негізгі қасиет болып табылады. 3 суретте 400°С температурада Н3РО4 - мен өңдеу арқылы сүйек қалдықтарынан алынған белсенді көмірмен азоттың сорбция-десорбция изотермасы келтірілген. ИЮПАК классификациясына сәйкес, Xp= 0,5 және 0,75 коэффициенттерімен алынған бұрыштардағы азот изотермасы микрокеуекті адсорбенттерге тән І типке жатады. Хр = 1,0 және Хр = 1,25 коэффициенттерімен алынған азот адсорбциясы изотермасы І және ІІ типтер арасында аралық орын алады. Изотерманың бірінші кесіндісі І типке жатады және микрокеуек болуымен сипатталады. рр0 жоғары мәндерінде (0,2-ден үлкен болса) адсорбирленуші азоттың санының өсуі байқалады, ол ІІ типке тән, адсорбцияның шексіз, көпқабатты болуымен сипатталады.
3 сурет. Асорбция-десорбция изотермасы, (Ммоль3г) 77 К-де сіңдірудің әртүрлі коэффициенттерімен активті бұрыштар үлгілері үшін (а). РРs - қаныққан газдың тепе-теңдік қысымдарының қалыпты қысымға қатынасы.
Сіңдіру Хр = 1,25 коэффициентінен жоғарылау кезінде кеуектер арасында жіңішкеру болады, микрокеуектер мезокеуектер түзе отырып үлкейеді және байланысады. Өз кезегінде мезокеуектер азот молекулаларын жұтуға қабілетсіз макрокеуектерге үлкейеді. Мұндай айналулар нәтижесінде БЭТ-тің меншікті беттік қабаты тез төмендейді (3 кесте).
3 кесте
Сүйек қалдықтарынан алынған белсенді көмірдің кеуекті құрылысының сипаттамасы (белсенділік температурасы 400°С, белсенділік уақыты 1 сағ)
Сіңу коэффи-циенті , Хр
БЭТ бойынша салыстырмалы беттік қабат, м[2]г
Кеуектің суммарлы көлемі, VΣ см[3]г
Микрокеуектің көлемі, Vми см[3]г
Мезокеуектің көлемі, Vме см[3]г
Микропора үлесі, VмиVΣ %
0,50
933
0,44
0,34
0,346
77
0,75
979
0,47
0,38
0,315
81
1,00
2169
1,00
0,80
0,667
80
1,25
1319
0,77
0,32
0,371
42
Сіңдірудің Хр = 0,5-0,75 коэффициенттерінде болуы жоғары меншікті бетте (930-980 м2г) белсенді көмір алуға әкеледі. Бастапқы шикізатты өңдеудегі сіңдірудің коэффициенті Хр = 0,5-0,75 дейін жеткенде жоғары меншікті беткі қабаты бар белсенді көмірлер алуға болады (930-980 м2г). Сіңдірудің коэффициенті Хр=1,0 дейін жоғарылағанда БЭТ-тің меншікті беттік қабаты тез жоғарылайды және 2170 м2г-ге дейін жетеді, осы кезде микрокеуек көлемі 0,8 см3г құрайды. Сіңдірудің коэффициенті әрі қарай 1,25-ке дейін өскенде БЭТ-тің меншікті беттік қабаты 1319 м2г - ге дейін төмендейді, микропора көлемі 0,32 см г-ге дейін түседі және мезопораның көлемі үлкейеді. Бұл өлшемдерді қайта бөлу мезо- және макропоралардың құрылымының құрылуының есебінен болатынын көрсетеді.
4 суретте сілтінегізді-цилиндрлік пораларды сипаттайтын қайта бөлудің дифференциалды қисығы көрсетілген (QSDFT). Бұл қисықтар эффектілік радиустары 1,17-1,22 және 2,0-2,44 нм болатын екі максимумның болуымен сипатталады.
4 сурет. Сілті негізді-цилиндрлік пораларды сипаттайтын қайта бөлудің дифференциалды қисығы
Көрсетілген қисықтардың анализынан бұл облыстарда пора өлшемінің сіңдіру коэффициенті 0,5 пен 1,0 арасында болса пора өлшемі үлкейеді, ал одан сайын Хр=1,25 жеткенде бұл көрсеткіш тез төмендейді.
3-10 нм аумақты анализдей отырып Хр=0,5-0,75 сіңірудің коэффициенті кезінде көмір үшін кеуекті құрылысы қатты дамымаған. 3-10 нм арасындағы аумақты анализдей отырып, көмір үшін сіңдіру коэффициенті Хр=0,5-0,75 арасында болса кеуекті құрылымы маңызды емес болып дамыған. Сіңдіру коэффициенті Хр=1,0-1,25 дейін өскенде пор көлемінің өлшемдері 3,7 нм-ге дейін бірден жоғарылауын байқауға болады. Бұл сіңдіру коэффициенттерін 1,0 және 1,25 пайдалану кезінде мезопораның айрықша дамуын көрсетеді.
Метиленді көк ерітіндісінің ағару процесін зерттеуге арналған сорбциялық зерттеулер кеуекті құрылысты сипаттайтын мәліметтермен сай келеді. Көмірдің химиялық белсенділігі кезінде алынған көбінесе микропористый болады, осы себептен олар МГ сорбциялық белсенділігі бойынша жоғары көрсеткіштер көрсете алмайды (5 сурет). Сіңдірудің Хр=0,5 минималды коэффициенті кезінде алынған үлгінің адсорбция изотермиясы төмен тепе-теңдік концентрациясының айрықша көтерілуімен сипатталады.
5 сурет. МГ бойынша сіңдірудің әртүрлі коэффициенттерінің үлгілері үшін сорбциялық сыйымдылықтың А (мгг) тепе-тең ерітінді Степе-теңд(мгл) концентрациясынан тәуелділігі
500-1400 мгл аумақтағы концентрацияда қанығуға тенденция байқалады. Сорбциялық сыйымдылықтың алынған мәндері бар болғаны 35-40 мгг. Сіңдірудің максималды Хр=1,25 коэффициенттері кезінде сорбциялық сыйымдылық жоғары тепе-тең концентрация аумағында 120 мгг жетеді. Бұл нәтиже жоғарыкеуекті өндірістік көмірлердің белсенділік қабілеттеріне қарама-қайшы келеді [26].
6 суретте көрсетілгендей тұрақты концентрация 14-15 мгг-ға дейін жоғарылағанда Ni2+, Сг3+, Сu2+, Zn2+ иондарының адсорбциялық сыйымдылығы үлкейеді, одан да үлкен концентрацияларда ол тіптен өзгермейді және бұл адсорбент пен сорбцияның шекті мәндерінің ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz