Изучение возможности использования отходов производства первичной обработки шерсти для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 637.623.2

ТарГУ имени М.Х. Дулати

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕРСТИ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

Цой И.Г.

Мныш А.Ф.

Проблема загрязнения гидросферы в настоящее время не теряет своей актуальности в связи с непрекращающимся ростом антропогенной нагрузки на окружающую среду. Тяжелые металлы относятся к одной из наиболее опасных групп веществ-токсикантов. При недостаточной очистке стоков ионы тяжелых металлов, попадая в водоемы, отрицательно влияют на обитающие в них микроорганизмы, водоросли, гидробионты. Увеличивающиеся масштабы производства и повышение требований к качеству воды диктуют необходимость поиска альтернативных способов удаления загрязнений из природных и сточных вод для обеспечения возможности возврата очищенных стоков для повторного использования.

Среди методов, успешно применяемых для решения этой задачи, сорбционная очистка является одной из наиболее эффективных. К преимуществам сорбционного метода относятся возможность удаления загрязнений самой разнообразной природы, отсутствие вторичных загрязнений, управляемость процессом. Представляется очевидным, что экономическое состояние многих хозяйствующих субъектов не позволяет реализовать природоохранные программы, базирующиеся на традиционных дорогостоящих технологиях. Выходом из положения может быть разработка методов очистки, не требующих больших финансовых вложений и не оказывающих негативного влияния на природную среду. В этом отношении представляет интерес использование отходов промышленных производств в качестве сорбентов, и перевод их, таким образом, в разряд вторичных материальных ресурсов. Найдено, например, что сорбционными свойствами обладает шерсть [1,2]. Однако, учитывая товарное предназначение шерсти, рациональнее ориентироваться на использование отходов, образующихся на разных стадиях переработки шерстяного сырья. Данная перспектива представляет особый интерес для южного региона Казахстана, на территории которого находится крупнейшее предприятие по переработке шерсти ПК «Фабрика ПОШ». Согласно результатам анализа потерь волокна на технологических переходах, отходы шерсти составляют примерно 2,5-3,5% (таблица). обработка шерсть сорбционный волокно

Потери волокна на различных технологических переходах первичной обработки шерсти (% масс.)

Если учесть общий объем производства, то количество шерстяного волокна, попадающего в отходы, составит десятки тонн ежегодно.

Сорбционные свойства шерсти определяются особенностями физического и химического строения волокон. Практически вся сухая масса шерстяного волокна состоит из кератина - структурного фибриллярного белка, состоящего из полипептидных цепей. Состав кератина показывает, что он отличается от других белков высоким содержанием серы: углерод - 50,65%, водород - 7,03%, кислород - 20,00%, азот - 17,70% и сера - 6,10% [3]. Аминокислотный состав кератина дает представление об активных функциональных группах, участвующих в образовании межмолекулярных связей и в значительной мере определяющих сорбционные свойства шерсти. В целом, относительная масса боковых цепей молекулы кератина, содержащей активные функциональные группы, составляет: неполярные - 12,0%, кислотные - 10,8%, основные - 8,0%, гидроксильные - 8,8%, сульфгидрильные - 4,9% [3].

Исследование продуктов частичного гидролиза шерстных волокон показало, что они образованы полипептидными цепочками различных размеров и состава. Их можно разделить на две группы: твердые - кератины с высоким содержанием серы, и мягкие - с низким содержанием серы [3]. Твердые кератины образуют внешние корковый и чешуйчатый слои волокна, которые и определяют его сорбционные свойства. Мягкие кератины образуют сердцевину. Основным типом ковалентной связи между полипептидными цепочками в макромолекуле кератина является дисульфидная. Эта связь очень реакционноспособна, в частности, легко подвергается гидролизу, окислению, восстановлению, и, что наиболее интересно с точки зрения сорбции ионов металлов, способна к комплексообразованию. Важную роль имеют также гидрофильно-гидрофобные свойства волокна, так как нас интересует сорбция ионов металлов из водных растворов.

Для изучения сорбционных свойств шерсти по отношению к ионам металлов были взяты образцы отходов производства первичной обработки шерсти ПК «Фабрика ПОШ», которые подвергались обработке модельным раствором сульфата меди (II). На рисунке 1 показана зависимость остаточного содержания меди в растворе после контакта с шерстью, откуда видно, что основная масса ионов металла удаляется в течение первых 30-40 минут. При меньшем времени контакта волокна шерсти, обладающие известной степенью гидрофобности, очевидно, не успевают набухнуть, вследствие чего доступность функциональных групп для ионов металлов оказывается затрудненной. Свыше 40 минут контакта система приближается к состоянию равновесия.

Наличие значительного количества кислотных и основных функциональных групп в молекуле кератина обусловливает высокую чувствительность шерстных волокон к кислотности среды. Как видно из рисунка 2, наибольшее поглощение ионов меди из раствора наблюдается в нейтральной области. Низкое поглощение в кислой области рН можно объяснить тем, что кислотные функциональные группы в этих условиях неионизированы и, следовательно, неактивны по отношению к катионам металлов. По мере увеличения рН наблюдается быстрый рост поглощения ионов меди из раствора. Однако при рН больше 8 данная тенденция сменяется на противоположную. Кроме того наблюдения показали, что раствор стал приобретать легкую опалесценцию, причем тем более интенсивную, чем выше было значение рН. Кислоты и щелочи оказывают на кератин действие, под влиянием которых он может претерпевать изменения, связанные с гидролизом пептидных и дисульфидных связей. Кератины менее устойчивы к действию щелочей по сравнению к действию кислот.

Растворимость кератина в щелочи должна зависеть не только от ее концентрации и длительности обработки, но и от температуры. С одной стороны с повышением температуры интенсифицируются диффузионные процессы, ускоряется набухание волокна, но с другой - усиливается гидролиз кератина, особенно в щелочной области рН. Характер кривой на рисунке 3 вполне соответствует данным утверждениям. Нагревание свыше 45-500С ведет к необратимому разрушению волокон шерсти и, соответственно, к ухудшению её поглотительной способности по отношению к ионам металла. Кроме того, с практической точки зрения необходимость повышенных температур создавала бы дополнительные проблемы как технологического, так и экономического характера.

Таким образом, исследование сорбционных свойств шерстных отходов позволило выявить оптимальные условия, при которых имеет место максимальное поглощение ионов металла из водного раствора:

Литература

1. Владимирцева Е.Н. и др. Исследование сорбции алюмосиликатов шерстяным волокном.// Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности.-2010.-№7.

2. Шайхиев И.Г. Использование отходов переработки шерсти, льна и их модификатов для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод. // Промышленная экология и безопасность: тезисы доклада IV научной конференции, Казань. - 2009. - С. 83.

3. Геллер Б.Э., Геллер А.А., Чиртулов В.Г. Физикохимия волокнообразующих полимеров.-М.: Химия, 1996.-432 с.

Размещено на Allbest.ru