970 УДК 504.45:628.162:628.3
ПРИМЕНЕНИЕ ИОНООБМЕННЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ НИТРАТОВ
Трус Инна Николаевна [email protected]
К.т.н., ассистент кафедры Э и ТРП Национального технического университета Украины
«Киевский политехнический институт», Киев, Украина Петриченко Алѐна Игоревна
Аспирант кафедры Э и ТРП НТУУ «КПИ», Киев, Украина Научный руководитель – Н.Д. Гомеля
На сегодняшний день в мире уже ощущается проблема нехватки пресной воды.
Постоянный рост городов, развитие промышленности, сельского хозяйства и значительное расширение площадей орошаемых земель неизменно приводят к загрязнению и истощению поверхностных вод. Среди всех источников загрязнения природных водоемов большая часть связана со сбросом промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков.
В результате антропогенного воздействия значительное количество водоемов характеризуется высоким уровенем минерализации. Одной из достаточно серьезных проблем при подготовке питьевой воды, требующих немедленного решения является загрязнение воды нитратами вследствие как антропогенных, так и природных факторов [1, 2].
В поверхностные воды нитрат-ионы попадают вместе с атмосферными осадками, с накопленными твердыми отходами, со сточными водами химических, химико- фармацевтических, резинотехнических, лакокрасочных и текстильных производств, со сточными водами пищевой промышленности, а также в результате использование минеральных азотных удобрений в сельском хозяйстве [3]. Загрязнение водных басейнов нитратами может привести к изменению химического состава воды, интенсивной эвтрофикации водоемов и возникновению в них токсических веществ. Чрезмерная эвтрофикация водоема начинается при концентрации азота в воде 0,2-0,3 мг/дм3 [4].
Поскольку нитраты являются стабильными и хорошо растворимыми в воде соединениями с низкой способностью к осаждению или адсорбции, то довольно сложно найти универсальный и простой метод очистки воды от них. Содержание NO3-
в питьево й воде не должно превышать 50 мг/дм3 (ДСТУ 7525:2014, ДСанПіН 2.2.4-171 -10).
Для очистки воды от нитратов используют реагентные, биологические, мембранные и ионообменные методы. Использование баромембранного методов для извлечения нитрат ионов малоэффективно, из-за энергозатратности, высокие требования к предварительной очистки воды и сложность переработки концентратов [5]. При электрохимическом восстановлении нитраты распадаются с образованием токсичных веществ - нитритов и аммиака [6]. Малоэффективным является и адсорбционная изъятия нитратов. Реагентные методы нецелесообразны за высокой стоимости реагентов и необходимость утилизации отходов. Наиболее эффективным методом удаления нитратов после биологической очистки и концентрирования - есть ионообменные методы. Преимуществом этих методов является простота и неприхотливость к предварительной очистки воды [7].
Исследования по очистке воды от нитратов проводили на высокоосновном анионите АВ-17-8 в Сl- и SO42-
формах и низкоосновном анионите DOWEX Marathon WBA в Сl- форме.
Концентрация нитратов в сточной воде может быть на уровне 1 мг-экв/дм3, при этом достаточно сложно определить обменную емкость ионита, поскольку продолжительность опытов существенно увеличивается за счет пропускания больших объемов воды. Поэтому в работе были использованы модельные растворы с содержанием нитратов 2,7 ÷ 38,7 мг- экв/дм3, которые пропускали через аниониты объемом 10 см3 со скоростью фильтрования - 2,12-3,18 м/ч.
971
Было установлено, что при использовании низкоосновной анионита Dowex Maraton WBA в Cl- форме для сорбции нитратов с концентрацией 3,2 мг-экв/дм3 что ПОДЕ составляет 1,014 экв/дм3 (рис.1). При концентрации нитратов 3,2 мг-экв/дм3 анионит АВ-17-8 в Cl- форме имел полную обменную динамическую емкость на уровне 1,027 экв/дм3, а в SO42-
форме 0,992 экв/дм3. Это можно объяснить высокой селективностью ионита по сульфатам, по сравнению с хлоридами.
Рисунок 1 – Исходные кривые сорбции нитратов на анионитах АВ-17-8 (1) и Dowex Maraton WBA (2) (Vi=10 см3) в Cl- -форме при фильтровании растворов NaNO3 с концентрацией 3,2 мг-экв/дм3
При использовании насыщенных растворов с концентрацией NaNO3 38,7 мг-экв/дм3 полная обменная динамическая емкость для АВ-17-8 достигала 2,048 экв/дм3, для Dowex Maraton WBA - 1,733 экв/дм3 (рис.2). Мы можем видеть, что разница в значениях ПОДЕ более существенная, чем при сорбции из разбавленных растворов, что можно обьяснить надеквивалентною сорбцией. Но это не имеет существенного значения, поскольку реальна перспектива использования анионитов для сорбции нитратов из разбавленных растворов.
Рисунок 2 – Исходные кривые сорбции нитратов на анионитах АВ-17-8 (1) та Dowex Maraton WBA (2) (Vi=10 см3) в Cl- -форме при фильтровании растворов NaNO3 с концентрацией 38,7 мг-экв/дм3
При проведении регенерации ионитов пробы отбирали по 10 см3 со скоростью фильтрования - 0,2-0,4 м/ч.
Для регенераций анионита АВ-17-8 использовали растворы хлорида и сульфата аммония, хлорида и карбоната калия. В процессе регенерации образуются нитрат аммония или калия, которые являются минеральными удобрениями. При использовании сульфатов регенерация проходит довольно неэффективно. Наиболее лучшие результаты получены при использовании хлоридов. Очевидно, что большая эфективность раствора карбоната калия
972
при регенирации анионита в сравнении с раствором сульфата аммония обусловлена частичным гидролизом карбоната калия и подщелачиванием среды.
Было отмечено, что эффективность регенерации повышается с увеличением концентрации регенерационного раствора. Но стоит отметить, что избыток хлоридов в растворе на выходе усложняет возможность их использования, как минеральных удобрений.
Была достигнута высокая степень регенерации низкоосновного анионита Dowex Maraton WBA при использовании растворов карбоната калия, аммиака и хлорида аммония. Это обьясняется тем, что функциональные группы даного анионита при рН >10 переходят в недиссоциированных форму, поэтому анионы легко десорбируются.
Наиболее эффективным регенерационные раствором оказался аммиак: при его концентрации 1,5 г-экв/дм3 степень регенерации при qп=5 см3/см3 достигала 90%, а при qп=10 см3/см3 – 97 %. Данный раствор возможно перерабатывать с помощью электрохимических методов, что позволяет отделить избыток аммиака или получить растворы аммиака и азотной кислоты. Но существует значительный недостаток такой регенирации, поскольку низькоосновний анионит Dowex Maraton WBA в основной форме не будет повторно сорбировать нитраты в результате подщелачивание раствора. Но при обработке анионита эквивалентным количеством соляной кислотой для перевода его в Cl--форму возможно восстановить сорбционную емкость ионита для обеспечения дальнейшей эффективной сорбции нитратов.
Таким образом в результате проведенных исследований по извлечению из воды нитратов показано, что высокоосновных анионит АВ-17-8 и низькоосновний анионит Dowex Maraton WBA обеспечивают степень извлечения нитратов на уровне 90%. Установлено, что эффективность сорбции высокоосновного анионита выше в хлоридной форме, чем в серной форме, а низькоосновний анионит лучше сорбирует нитраты в хлоридной форме, в основной форме сорбция нитратов не происходит.
Было установлено, что эффективность регенерации высокоосновного анионита АВ-17-8 в NO3- форме выше при использовании растворов хлоридов и возрастает с повышением концентрации регенерационного раствора. Эффективность регенерации низкоосновной анионита Dowex Maraton WBA лучше проходит при использовании основных растворов - карбоната калия и аммиака.
Список использованных источников
1. Singleton Michael J. Tracking sources of unsaturated zone and groundwater nitrate contamination using nitrogen and oxygen stable isotopes at the Hanford Site, Washington / Michael J. Singleton, Katharine N . Woods, Mark E . Conrad, Donald J. Depaolo, P . Evan D r e s e l //
Environ. Sci. and Technol. – 2005. – 39, № 10. – P. 3563–3570.
2. Piatek K.В. Sources of nitrate in snowmelt discharge: evidence from water chemistry and stable isotopes of nitrate / Kathryn В. Piatek, Myron J . Mitchell, Steven R. Silva, Carol Kendal // Water, Air, and Soil Pollut. – 2005. – 165, № 1–4. – P. 13–35.
3. Кульский Л.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды / Л.А. Кульский, И. Гороновский. – К.: Наук. думка, 1980. – 1206 с.
4. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных водна сооружениях с аэротенками. – М.: АКВАРОС, 2003. – 512 с.
5. Иевлева О.С . Методы удаления нитратов из природных и питьевых вод / О.С . Иевлева, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. – 2006. – 28, № 3. – C. 256–273.
6. Polatides C. Electrochemical removal of nitrate ion from aqueous solution by pulsing potential electrolysis / C. Polatides, M. Dortsiou, G. Kyriacou // Electrochim. acta. – 2005. – 50, № 25–26. – P. 5237–5241.
7. Mackiewicz J. Usuwanie azotanow z wod podziemnych na selektywnych zywicach anionowymiennych IONAC / Jolanta Mackiewicz, Andzey Dzibek // Ochr. srod. – 2005. - №4. – С.45-47.
