Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Научная статья на тему «Селективность поглощения ионов загрязняющих веществ природными и синтетическими аминополисахаридами»

Основным фактором, определяющим область использования или необходимость захоронения осадков, является их химический состав и соответствие требованиям действующей нормативной документации. Имеются многочисленные исследования по поиску возможных направлений использования осадков сточных вод, в том числе и для получения строительных материалов, продуктов пиролиза, однако, в мировой практике основным способом является использование в качестве местных органических удобрений [7].

В соответствии с принципами государственной политики деятельность предприятий по обращению с отходами должна быть направлена на:

1.  максимальное уменьшение их объемов;

2.  подготовку для дальнейшего использования;

3. экологически безопасное для окружающей природной среды и для

4.  здоровья населения временное хранение или захоронение.

Основным фактором, определяющим область использования или необходимость захоронения осадков, является их химический состав и соответствие требованиям действующей нормативной документации. Имеются многочисленные исследования по поиску возможных направлений использования осадков сточных вод, в том числе и для получения строительных материалов, продуктов пиролиза, однако, в мировой практике основным способом является использование в качестве местных органических удобрений [7].

Высокоминерализованные осадки рекомендуется использовать для технической рекультивации нарушенных земель. Реальная ситуация, сложившаяся в РФ, не в полной степени соответствует вышеизложенным принципам. Большая часть осадков сточных вод размещается на территории очистных сооружений или за ее пределами в местах неорганизованного складирования, складируется с целью захоронения на специализированных полигонах и т.п., что может оказывать негативное влияние на окружающую среду. В соответствии с ФЗ от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» негативное воздействие на окружающую среду является платным. Постановлением Правительства РФ от 12.06.2003 № 344 установлены нормативы платы в зависимости от класса опасности отхода.

Важным аспектом рассматриваемой проблемы является подготовка осадков сточных вод к использованию в качестве удобрений, средства рекультивации или даже к захоронению. Эта задача должна быть не менее приоритетной, чем очистка воды. Одного обезвоживания осадка сточных вод не достаточно, следует снизить содержание ТМ до нормативов, а также проводить  по его стабилизации, обеззараживанию, уничтожению запаха, приданию рыхлой структуры и, в конечном итоге, — товарного вида или относительно инертного состояния. В таком случае может быть получен гигиенический сертификат на его дальнейшее использование в сельском хозяйстве и жилищно-коммунальной сфере (субстраты для выращивания цветов, газонов и пр.).

Наиболее простым и распространенным способом обезвоживания осадков является сушка их на иловых площадках. Иловые площадки необходимо своевременно освобождать от подсушенного осадка. На малых очистных станциях осадок вручную отгружают в машины и отвозят для использования его в качестве удобрения в ближайшие колхозы и совхозы. Обработка осадков, депонированных на иловых картах, возможна при положительных температурах, на не замерзших иловых картах (исключение карты очень большой площади). Реагенты вносятся путем розлива по площадкам с осадками вручную или из брандспойта. Это зависит от размера карты, её благоустройства и влажности депонированного осадка.

Необходимо разработать основы технологии извлечения ТМ из осадков СВ. При этом в соответствии с современными экологическими требованиями необходимо использовать явление биоремедиации (это комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других органов.

Наибольшим успехом в настоящее время пользуются биосорбенты и биополимеры, т. е. вещества смешанной природы, обладающие свойствами живой и неживой материи. Особое место среди сорбентов занимают cвязывающие материалы биологического происхождения. Они обладают хорошими сорбционными свойствами и имеют возможности химической модификации [8].

В последние годы много внимания уделяется применению хитиновых сорбентов. Хитин — единственный полисахарид, в молекуле которого имеется азот, входящий в ацетиламидную группу. Хитин по структуре линейный аминополисахарид, состоящий из N-Ацетил-2-амино-2-дезокси-О-гликопиранозных звеньев (рис. 1).

Описание: http://www.chemstudy.ru/images/referats/13/image001.gif

Рисунок 1. Формула хитина

По химической структуре хитин близок к целлюлозе и только ей уступает по распространенности в природе. Хитин нерастворим в воде, разбавленных кислотах, щелочах, спиртах и других органических растворителях. Он растворим в концентрированных растворах соляной, серной и муравьиной кислот, а также в некоторых солевых растворах при нагревании, но при растворении он заметно деполимеризуется. Хитин как неразветвленный полисахарид с β-(1-4) — гликозидными связями, образует фибриллярные структуры, для которых характерна линейная конформация молекул, закрепленная водородными связями. Подобные молекулы, располагаясь приблизительно параллельными пучками, образуют структуры, регулярные в трех измерениях, что характерно для кристаллов [4—5].

В клеточной стенке грибов хитин находится не в свободном состоянии, а связан ионными или водородными связями с полисахаридами, липидами, белками и микроэлементами в хитин-глюкановый комплекс (ХГК). Благодаря этому, хитин и ряд его производных обладают мощными сорбционными свойствами. Основным механизмом сорбции у хитина является образование хелатов, поэтому он связывает практически все тяжелые металлы, в том числе и актиниды, и индифферентен к легким металлам, например, к таким биогенным элементам, как калий, натрий, кальций и др.

Основную задачу по выделению ТМ, по нашему мнению, может решить биосорбция металлов высшими грибами (например, вешенкой). Способность поглощать тяжелые металлы из почвы и воздуха хорошо известна, это является причиной смертельных отравлений ежегодно во многих областях РФ в летние месяцы. Следовательно, эту особенность необходимо использовать на благо человека [1—3].

Нужна помощь в написании статьи?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Биоволокна имеют полое строение с толщиной стенки от 0,2 до 1 мкм. Основу волокон составляют хитиновые микрофибриллы толщиной 15—25 нм. Грибные хитиновые микрофибриллы содержат до 250 линейных полисахаридных цепочек толщиной 12—25 нм и длинной несколько микрон, образуя единую жесткую структуру, площадь которой может превышать 1 000 м2 на 1 г сорбента. Благодаря такой архитектонике в процессе сорбции эффективно участвует внешняя и внутренняя поверхность микрофибрилл, пространство между которыми заполнено глюкановым матриксом с растворенными в нем меланинами. В зависимости от поставленных требований, химическим составом волокон можно варьировать в широких пределах: содержание хитина может задаваться от 60 до 95 %, глюканов — от 5 до 35 % и меланинов — от 0 до 10 %. Наличие в хитине нескольких функциональных групп (гидроксильных, карбонильных, аминных, ацетиламидных и кислородных мостиков) обуславливает достаточно сложный механизм сорбции металлов и радионуклидов. В зависимости от условий, он может включать комплексообразование, ионный обмен и поверхностную адсорбцию, но превалирует хелатное комплексообразование, связанное с высокой элекронодонорной способностью атомов азота и кислорода. Благодаря этому, хитиновые сорбенты характеризуются широким спектром поглощаемых элементов — ионы всех металлов, за исключением щелочных и щелочно-земельных. При этом такие сорбенты не связывают легкие элементы (Na, К, Cа, Mg и др.).

Источники получения хитина многообразны и широко распространены в природе. Главными из них являются панцири морских ракообразных, насекомые и грибы. По различным литературным данным наиболее высокими сорбционными свойствами обладает хитин, выделенный из грибов. При этом конечным продуктом при переработке грибов является не чистый хитин, а комплекс биополимеров клеточной стенки, состав которых зависит от источника происхождения. Известно, что хитозан-глюкановый и другие комплексы, получаемые из грибов, могут использоваться для эффективного извлечения металлов из водных растворов. Низкая механическая прочность волокон низших грибов ограничивает их широкое применение. В отличие от них полученный из высших грибов хитин- меланин-глюкановый комплекс Микотон (ХМГК Микотон) представляет собой прочный и эластичный материал тонковолокнистой структуры и широко применяется для очистки организма человека от различных включений (жиров, ТМ и др). Таким образом, принципиальное действие высших грибов уже опробовано.

Можно выделить следующие преимущества грибного источника хитина:

1.  Из всех групп организмов, продуцирующих хитин, грибы обладают самой высокой скоростью роста. Время удвоения массы грибов при оптимальных условиях роста может составлять 1—3 часа. По своей биологической продуктивности грибы превосходят ракообразных в тысячи раз.

2.  Возможность производства грибов биотехнологическими методами на промышленной основе. Благодаря этому, производство и качество хитина не будет зависеть от природных источников.

3.  Для биотехнологического производства грибов — продуцентов хитина — можно использовать субстраты, являющиеся отходами пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности или сельского хозяйства.

4.  Грибы не содержат заметного количества карбоната кальция, и для получения хитиновых продуктов требуется значительно меньшие количества кислоты [7].

Основная задача исследования состоит в обосновании возможности выделения ионов тяжелых металлов из осадков сточных вод ионообменным способом и использования в качестве ионита хитина грибов.

Оценку количества ионов проводили фотометрическим способом, используя методы [6] ( основные параметры описаны в табл. 1):

·     сравнения (для ионов Ni2+);

·     градуировочного графика (для ионов Cu2+ и Cr6+) (см. таблицу 1)

Таблица 1.

Параметры фотометрического определения

Концентрацию ионов никеля (II) рассчитывали относительно стандартного раствора по формуле:

,                                            (1)

где  — оптическая плотность аликвоты исследуемого раствора;

 — концентрация стандартного раствора никеля (=0,4 г/л);

— объем мерной колбы (=50 мл);

— объем отбираемых аликвот рабочего раствора (10 мл);

— оптическая плотность стандартного раствора (=0,26)

Концентрацию ионов меди определяли по градуировочному графику (рис. 2).

Рисунок 2. Градуировочный график для меди

Определение марганца и хрома (в виде MnO4- и Сr2О72-) в смеси основано на законе аддитивности светопоглощения. При длине волны 550 нм поглощает только MnO4-, при длине волны 440 нм поглощает и MnO4- и Сr2О72- (рис. 3). Вследствие этого оптическая плотность смеси ионов MnO4- и Сr2О72- при длине волны 550 нм , оптическая плотность смеси при длине волны 440 нм .

Описание: C:UsersИгорь2012-10 (окт)сканирование0001.gif

Рисунок 3.Спектр поглощения MnO4 (1) и Сr2О72- (2)

Измеряли оптическую плотность растворов, содержащих смесь MnO4- и Сr2О72- при 440 и 540 нм. По градуировочному графику (рис. 4 а) при 540 нм определяли концентрацию ионов MnO4- . Затем по этой концентрации находили вклад оптической плотности MnO4- — ионов при длине волны 440 нм в суммарную оптическую плотность. Из суммарной оптической плотности при 440 нм вычитанием определяли оптическую плотность ионов Сr2О72, а по графику на рис. 4 б — соответствующую этой оптической плотности концентрацию ионов.

Рисунок 4. Градуировочные графики для ионов хрома в присутствии ионов марганца

Проведение эксперимента по сорбционной способности хитина высших грибов осуществлялось 2 способами — статическим и динамическим ионным обменом. Были проведены опыты с ионами меди (II), никеля (II), хрома(VI) как основных загрязнений.         Динамический ионный обмен осуществляли на колонке с показателями: высота слоя загрузки (грибы вешенка) — 75*10-3 м, площадь поперечного сечения колонки — 255*10-6 м2, масса загрузки — 4,5 г, скорость ионного обмена 1,25 л/мин. Исходные концентрации ионов ТМ и скорости пропускания растворов варьировали. Количества пропущенных растворов через ионообменные колонки составили 400—500 мл.

Статический ионный обмен осуществлялся с аналогичными концентрациями ионов, поглощение проводили с навесками грибов вешенка обыкновенная в количестве 1 г и фармацевтическим средством на основе хитозана m=0,9 г. Время сорбции составило 48 часов.

Результаты динамического  ионного обмена представлены на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5.График зависимости концентрации ионов Cu(II) от объема пропущенного раствора

 

Рисунок 6. График зависимости концентрации ионов Ni2+ от объема пропущенного раствора

Характер кривой с Cu2+ носитклассический характер с выраженным периодом поглощения ионов, точкой проскока, а с ионами Ni2+ процесс хаотичный и неустановившийся, предполагаем, что это связано как с высокими скоростью пропускания и исходной концентрацией, так и проблемами координации иона никеля (II) в растворе и слабостью образующихся связей между ионами.

Диаграммы статического эксперимента поглощения ионов на хитине и хитозане приведены на рис. 7.

Рисунок 7. Результаты статического ионного обмена

Полученные данные подтверждают высокую сорбционную способность изучаемых сорбентов из разбавленных растворов (опыты с ионами меди(II) и хрома (VI)), эффективность поглощения 88—97 %. Поглощение ионов никеля (II) указывает на различный характер взаимодействия ионов с природными полисахаридами: аминополисахариды, являющиеся основой хитозана, легко образуют комплексные соединения с ионами металлов, в ацетиламидной группе хитина образование комплексов затруднено, следовательно, и эффективность процесса поглощения из растворов невысока.

В целом представленные исследования позволяют сделать вывод о принципиальной возможности поглощения ионов ТМ природными сорбентами и рекомендации использования этой способности для разработки технологии очистки осадков сточных вод путем биоремедиации.

Список литературы:

1.Наумов И.И., Шемель И.Г. Биосорбционная обработка осадков СВ // Безопасность жизнедеятельности: наука, образование, практика: материалы II Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием:сборник научных статей — Южно-Сахалинск: изд-во СахГУ, 2012. — с. 127—131.

2.Наумов И.И., Шемель И.Г. Биосорбционное извлечение тяжелых металлов при обработке осадков сточных вод // Международная научно-практическая конференция и школа молодых ученых и студентов «Образование и наука для устойчивого развития», посвященная 40-летию проведения Конференции ООН по окружающей среде и развитию и выходу доклада Римского клуба «Пределы роста» — Москва, 2012. — ч. 1 — с. 40—44.

3.Наумов И.И. Основы технологии биосорбционного извлечения тяжелых металлов при обработке осадков сточных вод // Наукоемкие технологии в приборо — и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы региональной научно-технической конференции — М., Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — Т. 2 — С. 51—57.

4.Нудьга Л.А., Петрова В.А., Кевер Е.Е., Макарова Т.В.. // Изучение гидролиза хитин-глюканового комплекса гриба ASPERGILLUS NIGER фосфорной кислотой // Журнал прикладной химии 2002. Т. 75. № 11. — С. 1901—1903.

5.Нудьга Л.А., Петрова В.А., Петропавловский Г.А., Пазухина Г.А., Овчинников И.В. // Химический состав и свойства культивированных дереворазрушающих грибов PHANEROCHAETE SANGUINEA И GANODERMA APPLANTUM // Журнал прикладной химии. — 2001. — Т. 74. № 1. — С. 135—137.

6.Попадич И.А., Траубенберг С.Е., Осташенкова Н.В., Лысюк Ф.А. Аналитическая химия — М.: Химия, 1989. — С. 180—186.

7.Рубин А. Дж. Химия промышленных сточных вод — М.: Химия, 1983. — С. 289.

8.Феофилова Е.П.// Хитин грибов: распрастранение, биосентез, физико-химические свойства и перспективы использования// в книге «Хитин и хитозан». — М. «Наука», 2002. — 365 С.

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Поставьте оценку первым.

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

463

Закажите такую же работу

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке