Локальная очистка модельной воды от ионов железа (III) реагентами из оболочек злаковых культур

Исследована возможность использования щелочного водного раствора, полученного после натронной варки целлюлозы из оболочек плодов овса, для реагентной очистки модельной воды от ионов трехвалентного железа концентрацией 100 мг/л. Данный способ дает возможность очистки сточных вод от ионов железа (III) с одновременной утилизацией щелочных стоков, образующихся после натронной варки целлюлозы, а также снижение себестоимости процесса очистки за счет исключения дорогостоящих реагентов.

Цель работы заключается в определении возможности использования сточных вод, образующихся после щелочной варки целлюлозы, для очистки воды от ионов железа (III), по сравнению с уже существующими на предприятиях реагентными методами.

Существуют различные методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. В настоящее время наиболее распространен реагентный метод, заключающийся в переводе растворимых веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов (например, Ca(OH)₂, NaOH) с последующим отделением их в виде осадков.

         В качестве щелочных реагентов для очистки кислых железосодержащих сточных вод определяется возможность использовать отходы промышленных производств, в частности сточные воды после натронной варки целлюлозы, т.к. данные стоки содержат едкий натр, чем объясняется их высокое значение рН ~ 13,5, и сложные органические соединения, которые образуют с ионами Fe³⁺ нерастворимые комплексы, выпадающие в виде осадка.  

       Существуют различные методы очистки воды от соединений железа, которые можно условно разделить на реагентные и безреагентные. Основой безреагентных методов является предварительное аэрирование воды, которое может осуществляться различными способами, и последующее фильтрование через зернистую загрузку, например через кварцевый песок. К реагентным относятся методы, связанные с применением хлора, перманганата калия, озона, коагулянтов, флокулянтов, различных щелочных реагентов (гидроксидов кальция, натрия, оксидов кальция, карбонатов натрия), которые добавляют непосредственно в воду. И в том, и в другом случае главной целью является перевод ионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения (гидроксиды, основные карбонаты, сульфиды) и отделение образующейся взвеси тем или иным способом, например фильтрацией или отстаиванием.

         Также используют адсорбционные способы, где в качестве сорбентов используются активированный угль, кремнийсодержащие природные и синтетические материалы, отходы деревоперерабатывающей промышленности, сельского хозяйства и другие.

         Одним из современных направлений обезжелезивания воды является биологический способ, который основывается на использовании микроорганизмов - железобактерии. Некоторые микроорганизмы и водоросли способны аккумулировать металлы, необходимые им для функционирования ферментов. Также обработка сточных вод может проходит в анаэробных условиях накопительной культурой сульфатвосстанавливающих бактерий.

Эксперимент проводился на модельной воде (МВ), представляющей собой  раствор соли FeCl₃∙6H₂O концентрацией ионов Fe³⁺  100 мг/л и рН = 2,26. В качестве реагентов использовались:

1) раствор NaOH c концентрацией 20 г/л;

2) сточная вода, полученная в результате щелочной варки целлюлозы из оболочек плодов овса (ОПО).

Очистка МВ раствором NaOH. В мерный цилиндр емкостью 100 см³ наливалось 100 см³ МВ. Затем небольшими порциями, перемешивая, добавлялся раствор реагента NaOH до выпадения хлопьев Fe(OH)₃ красно-бурого цвета и достижения нужного значения рН раствора (величина рН полного осаждения Fe(OH)₃ составляет 4,1, доводили раствор до нейтрального значения рН = 7-8). Содержимое цилиндра отстаивалось в течение 1 часа.

Уравнение реакции:

FeCl₃ + 3 NaOH = 3 NaCl + Fe(OH)₃.

После отстаивания раствор отфильтровывался, и определялась масса осадка, а в фильтрате определялись остаточная концентрация ионов Fe³⁺, ХПК и значение рН.

Приготовление растворов реагента из отходов сельского хозяйства. В плоскодонную колбу емкостью 250 см³ помешалось 3 г навески ОПО и 100 см³ раствора NaOH с концентрацией 20 г/л, затем проводилась термическая обработка (продолжительность варки 10 минут). По истечении времени выдержки содержимое колбы фильтровалось под вакуумом, осадок промывался до нейтрального значения рН. В результате был получен раствор реагента после щелочной варки ОПО.

Очистка МВ раствором реагента, полученного после щелочной варки целлюлозы из ОПО. В мерный цилиндр емкостью 100 см³ наливалось 100 см³ МВ с концентрацией ионов Fe³⁺ 100 мг/л. Затем небольшими порциями, перемешивая, добавлялся реагент до выпадения хлопьев Fe(OH)₃ красно-бурого цвета и достижения нужного значения рН раствора (рН = 7-8). Содержимое цилиндра отстаивалось в течение 1 часа.

После отстаивания раствор отфильтровывался, и определялись те же параметры, что и в предыдущем опыте.

Результаты очистки МВ от ионов Fe³⁺ представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты проведенных опытов

Реагент	Vреагента, см3	Фильтрат			mосад, г/л	Эффективность очистки, %
		ХПК, мг О2/л	рН	СFe3+, мг/л
Раствор NaOH	1,21	39,37	7,09	14,97	0,407	85,03
После щелочной варки ОПО	1,6	36,31	7,58	12,83	0,648	87,17

 

Из полученных данных видно, что при использовании раствора после щелочной варки ОПО в качестве реагента происходит очистка МВ от ионов железа (III). Это объясняется тем, что в ОПО содержится лигнин (18,40 %), который  вступает в реакцию с ионами железа и образует нерастворимые комплексы, которые выпадают в виде осадка наряду с хлопьями гидроксида железа (III). 

Можем сделать вывод, что СВ, образующиеся после натронной варки целлюлозы из ОПО, возможно рекомендовать в качестве щелочного реагента для очистки кислых железосодержащих сточных вод. В обоих случаях остаточная концентрация ионов Fe (III) не соответствует нормам ПДК для сброса в городскую канализационную сеть (ПДК = 0,6 мг/л), поэтому перед сбросом сточные воды следует разбавлять.

1. Шайхиев И.Г. Очистка гальваностоков сульфидсодержащими сточными водами нефтехимических производств / И.Г. Шайхиев [и др.] // Экология и промышленность России. - 2008. - № 6. - С. 14-15.
2. Иванов Ю.С. Производство сульфатной целлюлозы: учебное пособие / Ю.С. Иванов. - СПб.: СПбГТУРП, 2010. - 77 с.
3. Фазлиахметова Р.Р. Физико-химическая очистка модельных вод от ионов железа комплексным реагентом из шелухи ячменя / Р. Р. Фазлиахметова, Э. Ф. Магизова, С. В. Степанова // Технологии техносферной безопасности. - 2014. - № 6 (58). - С. 1-5.
4. Юсупова А.И. Очистка сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, сорбентами и экстрактами из таннинсодержащих отходов: дис. ... канд. техн. наук / А.И. Юсупова. - Казань, 2015. - 165 с.

Investigated the possibility of using the alkaline aqueous solution obtained after sodic pulping of cellulose from the shells of oats’ fruit for purposes of reactant purification of model water from ions of trivalent iron concentration of 100 mg/dm3. This method offers an opportunity of waste water treatment from ions of iron (III) with the simultaneous disposal of alkaline wastewater generated after sodic pulping of cellulose as well as the cost reduction of the purification process by excluding expensive reagents.