Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Курбанов М.А. 1 Мамедова Н.Т. 1 Кулиева У.А. 1

---

1 Институт радиационных проблем НАНА

В данной работе исследована кинетика изменения концентрации токсичных компонентов радиолиза бытовых сточных вод нефтеперерабатывающего завода имени Г. Алиева в присутствии нано-γ-Al2O3. Следили за образованием фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), химическим потреблением кислорода (ХПК) и общим содержанием нефтепродуктов. В изученном интервале поглощенной дозы степени превращении параметров находятся в пределах 73–95 %, причем более сильному изменению подвергаются фенолы и синтетические поверхностно-активные вещества. Кроме того, более сильное уменьшение параметров наблюдается в области ~7,8 кГр дозы. Для получения дополнительной информации проводилось также УФ-спектрометрическое исследование облученных образцов в диапазоне 200–400 нм. УФ-спектрометрические исследования показали, что повышение поглощенной дозы приводит к уменьшению УФ-поглощения (Abs) в области 200–210 нм. Обсужден механизм наблюдаемых закономерностей, включающий радиационно-химические процессы, протекающие в жидкой фазе, и участие электронно-донорных центров в разложении адсорбированных молекул и адсорбции продуктов радиолиза на поверхности нано-γ-Al2O3. Роль нано-γ-Аl2O3 при радиолизе бытовых сточных вод заключается в участии электронно-донорных центров и адсорбции продуктов превращения компонентов сточных вод под действием γ-излучения.

Статья в формате PDF

463 KB

бытовая сточная вода

радиолиз

нано-?-Al2O3

СПАВ

фенолы

нефть и нефтепродукты

1. Сафонов А.В., Трегубова В.Е., Подзорова Е.А. Разработка комплексного радиационно-микробиологического метода очистки воды от нефтепродуктов // Химия высоких энергий. 2015. Т. 49. № 2. С. 99–102.

2. Руководство по обеспечению качества питьевой воды (четвертое издание). Всемирная организация здравоохранения, 2017. 628 с.

3. Сидорова Л.П., Снигирева А.Н. Очистка сточных и промышленных вод. Екатеринбург, 2017. 127 с.

4. Карманов А.П., Полина И.Н. Технология очистки сточных вод: учебное пособие. Сыктывкар, 2015. 2017 с.

5. Mahmudov H.M., Kuliyeva U.A and oth. Water radiolysis on the surface of Al2O3 nano-catalyst. European Journal of Analytical and AppliedChemistry. 2015. No. 2. P. 58–62.

6. Jafarov Y.D., Bashirova S.M., Aliyev S.M. The impact of mass and size effects on the water Radiolysis process in Si+H2O system. Journal of Radiation Research. 2015. Vol. 2. No. 2. P. 21–26.

7. Seino S., Yamamoto T., Hashimoto K. et al. Gamma-ray irradiation effect on aqueous phenol solution dispersing TiO2 or Al2O3 nanoparticles. Rev. Adv. Mater. Sci. 2003. No. 4. P. 70–74.

8. СТБ ISO 8467-2009. Качество воды. Определение перманганатной окисляемости. М., 2011. 9 с.

9. СТБ ISO 7875-1:1996. Качество воды. Определение содержания поверхностно-активных веществ. М.: Стандартинформ, 2012. 20 с.

10. ГОСТ 51211-98. Методы определения содержания поверхностно-активных веществ. М., 2016. 8 с.

11. ISO 6439-1990. Water quality – Determination of phenol index – 4-Aminoantipyrine spectrometric methods sfter distillation. G., 1990. 9 p.

12. Доливо-Добровольский Л.Б. Микробиологические процессы очистки воды: учебное пособие. М.: Издательство Коммунального хозяйства РСФР, 1958. 174 с.

13. Жесткова Т.П., Жукова Т.Н. Ингибирующий эффект кислорода при радиолитическом разложении щавелевой кислоты в водном растворе // Доклады Академии Наук. 2001. Т. 379. № 5. С. 635–637.

14. Chaychian M. Dissertation on chemistry. 2007-05-02. URL: http://hdl.handle.net/1903/6916 (дата обращения: 14.10.2022).

15. Medvedev A.D., Ryabinskaya A.A. and oth. Characterization of electron donor sites on Al2O3 surface. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012. No. 14. Р. 2587–2598.

16. Гордеев А.В., Кабакчи С.А. и др. Математическая модель накопления и разложения молекулярных продуктов при радиолизе воды //Докл. АН СССР. 1987. № 6. С. 1388–1392.

17. Ибрагимова Л.Б., Шаталов О.П. Константы скорости реакций для исследования горения кислородно-водородных смесей с участием возбужденных атомов О(1D), O(1S) и молекул O2(b1Σ), O2(a1Δ), OH(A2Σ) // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Т. 14. Вып. 1. С. 1–13.

18. Петров Л.В., Соляников В.М. Каталитическое поглощение кислорода тройной системой эпоксид стирола – гидрохинон – хлорид меди (ıı) в водном трет-бутаноле // Химическая физика. 2020. Т. 39. № 1. С. 19–22.

19. Искендеровa З.И., Курбанов М.А. Экспериментальное исследование и кинетическое моделирование разложения хлороформа в воде // Журнал физической химии. 2019. Т. 93. № 1. С. 95–98.

Состав бытовых сточных вод очень сложен, так как они содержат в себе ~99 % воды вместе с органическими и неорганическими веществами. Эти вещества или примеси включают в себя взвешенные, коллоидные и растворенные компоненты.

Радиационная очистка и биодеструкция, как методы «зеленой химии», использовались для очистки воды от нефти и нефтепродуктов. Для полной очистки воды от нефтепродуктов с исходной концентрацией 150 мг/л необходимая доза составляет ≥25 кГр [1].

Поиск новых эффективных способов очистки промышленных сточных вод от химических загрязнителей является актуальной задачей. Преимущество радиационного метода для очистки воды по сравнению с другими методами заключается, прежде всего, в комплексном воздействии излучения. Одновременно с разложением основного загрязнения происходит радиолиз всех сопутствующих соединений, ускоряются коагуляция и седиментация, устраняются цветность и запах, снижаются величины химического потребления кислорода (ХПК) и биологического потребления кислорода (БПК), происходит дезинфекция воды [2–4].

Повышение выходов разложения адсорбированных молекул на наноокислы и селективной адсорбции процессов в отношении продуктов радиационного разложения изучено во многих работах [5–7]. Было установлено, что гетерогенный радиолиз воды в присутствии нано-γ-Al2O3 приводит к значительному выходу водорода, причем эффект зависит от размеров наночастиц и отношения воды и нано-γ-Al2O3 [5].

Наблюдаемые закономерности объяснены каталитическим эффектом с участием неравновесных носителей (электронов и дырок) и селективной адсорбцией продуктов превращения, например, фенола, как двухатомных фенолов – пирокатехин, гидрохинон и резорцин. Эксперименты проводились с модельными системами, представляющими собой гетерогенную систему нано-γ-Al2O3+фенол [7].

В работе [7] установлено, что двухатомные фенолы хорошо адсорбируются на поверхности как нано-TiO2, так и нано-Аl2O3. Установлено, что адсорбция гидрохинона на TiO2 составляет 14 %, пирокатехина 61 %, гидроксигидрохинона 95 %. Аналогичные величины наблюдаются также для -Аl2O3, которые составляют 12, 41, 94 % соответственно для гидрохинона, пирокатехина и гидроксигидрохинона.

Представляет интерес излучение радиолиза реальных многокомпонентных систем, таких как бытовые сточные воды, в присутствии нано-γ-Al2O3.

В данной работе исследованы закономерности расходования исходных компонентов путем изучения кинетики изменения концентрации продуктов радиолиза бытовых сточных вод в присутствии нано-γ-Al2O3 и УФ-спектров образцов облученных при разных поглощенных дозах.

Целью данной работы является изучение кинетики изменения концентрации продуктов радиолиза бытовых сточных вод в присутствии нано-γ-Al2O3 при разных поглощенных дозах.

Материалы и методы исследования

В опытах использованы нано-γ-Al2O3 с размером наночастиц 50 нм с удельной поверхности S = 262,09 м2/г, производства фирмы «USA Skyspring Nanomaterials». Использованы образцы бытовых сточных вод НПЗ имени Г. Алиева. В 70 мл бытовых сточных вод добавили 0,1 г нано-γ-Al2O3. Подготовленные образцы облучали на γ установке Co60 мощностью дозы 0,1–0,2 Гр/с, в интервале поглощенной дозы 0,3–55 kГр в статических условиях в стеклянных ампулах объемом 110 мл.

Образцы жидкой фазы анализировали в УФ-спектрофотометре VARİAN SCAN-50 (UV-Visible Spectrophotometer) в кювете объемом 4 мл, толщиной 1 см.

Концентрации органических компонентов (СПАВ [8], фенолы [9], общее содержание нефти [10] и нефтяных продуктов [11], общая концентрация органических веществ) анализировали по стандартным методикам.

Результаты исследования и их обсуждение

Продукты радиолиза гетерогенных систем «бытовая сточная вода + нано-γ-Al2O3» анализировали по стандартным методикам и следили за изменением концентрации СПАВ, фенолов, общего содержания органических продуктов (ХПК) и фенолов. Состав компонентов в исходных образцах приведен в табл. 1.

Таблица 1

Концентрация органических компонентов в исходных образцах бытовых вод

В дальнейшем образцы гетерогенных систем «бытовая вода + нано-γ-Al2O3» подвергались воздействию γ-излучения при разных поглощенных дозах (0,3–55 кГр). На рис. 1 представлены кинетики изменения вышеуказанных параметров в зависимости от поглощенной дозы.

Как видно, с ростом поглощенной дозы ХПК уменьшается от 3,14 до 0,86 мг/л, общее содержание нефтепродуктов от 15,2 до 2,05 мг/л, концентрация СПАВ от 0,254 до 0,012 мг/л, фенолов от 0,123 до 0,009 мг/л. Степени уменьшения составляли соответственно 73, 86, 95, 92 % для ХПК, общего содержания нефтепродуктов, СПАВ и фенолов.

Как видно, в изученном интервале поглощенной дозы степени превращении параметров находятся в пределах 73–95 %, причем более сильному изменению подвергаются фенолы и СПАВ. Кроме того, более сильное уменьшение параметров наблюдается в области ~7,8 кГр дозы.

Для получения дополнительной информации проводилось, также УФ-спектрометрическое исследование облученных образцов в диапазоне 200–400 нм. На рис. 2 представлены изменения Abs поглощения при разных поглощенных дозах 0,3–55 кГр.

Как видно из рис. 2, в спектрах наблюдаются изменения Abs с ростом поглощенной дозы. С ростом дозы до ~55,4 кГр Abs уменьшается от ~3,1 до ~2,15.

Как видно из рис. 2, только в исходном образце бытовой сточной воды наблюдаются мелкие пики в области 200–230 нм.

Рис. 1. Изменения концентрации нефти и нефтепродуктов, фенолов и СПАВ и ХПК в зависимости от поглощенной дозы (Р = 0,1–0,2 Гр/с) 1 – нефть и нефтепродукты ; 2 – фенолы  ; 3 – ХПК ; 4 – СПАВ 

Рис. 2. Изменения Abs поглощения образцов бытовых сточных вод при разных поглощенных дозах: 1 – исходный, 2 – 0,3 kГр, 3 – 0,8 kГр, 4 – 5,5 kГр, 5 – 55,4 kГр (Р = 0,1–0,2 Гр/с)

Кроме того, при облучении исходных образцов при λ = 200–210 нм наблюдаются пики, связанные с поглощением присутствующих органических компонентов в среде. С ростом дозы они исчезают в этой области длин волн. Это объясняется тем, что бытовые сточные воды поддаются полному разрушению, так как все примеси, содержащиеся в воде, имеют органическую природу [12]. Из спектров видно также смешение начала поглощения в область коротких волн (от ~240 нм до ~220 нм).

Бытовые сточные воды представляют собой сложную смесь органических и неорганических примесей, но из-за преобладающей концентрации воды γ-излучение поглощается в основном ее молекулами, что приводит к образованию таких активных частиц, как атомы водорода, гидроксильные радикалы и гидратированные электроны [3, 4]. Кроме того, в качестве молекулярного продукта образуются перекись водорода и молекулярный кислород.

В скобках указаны значения радиационно-химических выходов молекул/100 эВ.

Таблица 2

Концентрация неорганических ионов в исходном образце бытовых вод

Образующиеся активные частицы реагируют с молекулами органических примесей и неорганическими ионами, такими как CO32-, HCO3-, OH-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Ca2+Mg2+, SO42- и ионы K++Na+, концентрация которых в исходном образце представлена в табл. 2.

Некоторые возможные реакции вышеуказанных активных частиц с органическими молекул представлены в табл. 3.

Как видно, активные частицы радиолиза воды эффективно реагируют с молекулами фенолов и СПАВ [13, 14]. Кроме того, следует учесть также реакции растворенного кислорода с электронами и атомами водорода:

eaq + О2 → , Н + О2 → HО.

Таблица 3

Реакции активных частиц с возможными органическими молекулами

Дальнейшие реакции образующихся ионов кислорода и перекисного радикала с радикальными продуктами радиолитического разложения молекул органических примесей [15–17] приводят к окислению органических молекул [18, 19].

Добавка нано-γ-Аl2O3 в сточные воды приводит к образованию суспензии в объеме и накоплении части окисла на дне ампулы. Поэтому система «бытовая сточная вода + нано-γ-Аl2O3» представляет собой гетерогенную систему, где верхняя часть содержит суспензии окисла в водной среде, а также часть нано-γ-Аl2O3, содержащая также компонентов сточных вод.

Облучение такой сложной системы приводит к прямому радиолизу воды, образованию неравновесных поверхностных центров на поверхности-γ-Аl2O3 и радиационно-стимулированной адсорбции продуктов.

Таким образом, роль нано-γ-Аl2O3 при радиолизе бытовых сточных вод заключается участием электронно-донорных центров и адсорбцией продуктов превращения компонентов сточных вод под действием γ-излучения. Но оценка вклада в радиационно-химических процессов при облучении сточных вод в присутствии нано-γ-Аl2O3 требует дополнительных исследований.

Выводы

1. Установлено, что степени уменьшения составляли соответственно 73, 86, 95, 92 % для ХПК, общего содержания нефтепродуктов, СПАВ и фенола, причем более сильному изменению подвергаются изменения общего содержания нефтепродуктов и СПАВ.

2. Из полученных результатов с методом УФ-спектроскопии установили, что в сравнении с исходным образцом в облученных образцах с ростом дозы пики исчезают. Это объясняется тем, что бытовые воды поддаются полному разрушению, так как все примеси, содержащиеся в воде, имеют органическую природу.

3. Обсужден механизм протекающих радиационно-химических процессов с участием продуктов радиолиза воды и молекул токсичных компонентов. Анализированы также возможные участие неравновесных зарядов разложения и адсорбции молекул токсичных компонентов.

Библиографическая ссылка