CC BY
22
УДК 628.316
И. Г. Шайхиев, В. Ю. Бегишева, А. И. Мавлетбаева ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАКТОВ ИЗ ЖОМА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В КАЧЕСТВЕ РЕАГЕНТОВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИОНОВ МЕДИ ИЗ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
Ключевые слова: жом сахарной свеклы, экстракт, ионы меди, модельный раствор, удаление.
Исследована возможность использования экстрактов, полученных из жома сахарной свеклы, с различными значениями рН для удаления из модельных растворов ионов меди. Определены зависимости значений массы осадка, рН, светопропускания, ХПК и остаточного содержания ионов меди в фильтратах. Найдено, что степень удаления ионов меди с концентрацией 100 мг/дм3 при приливании экстрактов в соотношении 2 : 1 составляет 82-88 %.
Keywords: sugar beet pulp, essence, copper ions model solution, removing.
Was investigated the possibility of using essences from sugar beet pulp, with various values of pH for removal copper ions from model solutions. Was defined the dependences of the sediment mass, pH, transmittance, COD and residual content of copper ions in the filtrates. It was found that the degree of copper ions removal with a concentration of 100 mg / dm3 in the process of pouring essences in a ratio of 2 : 1 is equal to 82-88 %.
Ионы тяжелых металлов (ИТМ) являются приоритетными поллютантами по загрязнению водных сред вследствие высокой токсичности для человека и гидробионтов. Одной из актуальнейших задач настоящего времени является проблема ограничения поступления ИТМ в природные водные объекты в составе недостаточно очищенных сточных вод.
Среди существующих множества способов удаления ИТМ из водных сред, сорбционные методы занимают особое положение - они позволяют удалять поллютанты из природных и сточных вод любых концентраций - от высоких до сверхмалых. Штатные сорбенты, как правило, это активированные угли различных марок, обеспечивают практически полное извлечение загрязняющих веществ до концентраций гораздо ниже значений ПДК того или другого поллютанта в водной среде. Среди указанных достоинств сорбционной очистки, недостатками являются дороговизна активированных углей и, как следствие, необходимость их регенерации, что еще больше увеличивает стоимость очистки.
В связи с вышеизложенным, в настоящее время в мировом научном сообществе быстрыми темпами развивается новое инновационное направление -применение отходов промышленного и сельскохозяйственного производства в качестве реагентов для удаления поллютантов из сточных и природных вод. Особый интерес, в том числе и для извлечения ИТМ из водных сред, представляют возобновляемые целлюлозо- и белоксодержащие отходы деревообработки и переработки сельскохозяйственного сырья [1-20]. Количество публикаций в мировой научной прессе по данному направлению увеличивается и ежегодно насчитывает сотни трудов. Преимуществами названных реагентов является многотоннажность, дешевизна, отсутствие проблем с утилизацией, при этом решается двойная экологическая задача -отходы производства переходят в ранг вторичных материальных ресурсов и используются в качестве реагентов для очистки сточных вод.
Одной из наиболее значимых в мировом масштабе, особенно в Российской Федерации, сельскохозяйственных культур является сахарная свекла. При производстве сахарозы на предприятиях соответствующей отрасли в количестве ~ 83 % от массы перерабатываемой свеклы образуется наиболее массовый отход - жом сахарной свеклы (ЖСС). Учитывая тот факт, что объемы образуемого жома составляют сотни, а то и миллионы тонн в год на одном предприятии сахаропереработки, возникает ряд проблем: под хранение ЖСС отводятся огромные площади. Но по причине плюсовых температур наружного воздуха и повышенной влажности, в весенний и осенний периоды ЖСС закисает, приобретая неприятный запах гниения и не может быть использован в качестве корма, и, в большинстве своем, перегнивая в буртах, создает напряженную экологическую обстановку вокруг мест хранения.
В данное время, являясь ценным углеводистым кормом, свекловичный жом нашел вторичное применение в сельском хозяйстве. Для сохранения его сушат, что приводит к значительному потреблению электроэнергии или силосуют. По общей питательности он незначительно уступает некоторым видам концентратов. Несмотря на то, что ЖСС является одним из лучших кормов для скота, его рекомендуют использовать только в невысоких дозах для подкормки животных.
Одним из направлений использования свекловичного жома является его применение в качестве сорбционного материала для удаления поллютантов из водных сред. Ранее нами исследовалась возможность использования ЖСС различных фракций в качестве сорбционного материала для извлечения нефти и продуктов ее переработки с водной поверхности [21-23]. Также исследовался свекловичный жом для извлечения из водных сред ионов Си(11) [24-28], Сг(У1) [29, 30], еа(П) и РЬ(11) [31], ги (II) [27], N1(11) [28]. Сорбционные показатели по названным ионам тяжелых металлов авторы работы [32] расположили в следующий ряд: Си2+~РЪ2+ > Са2+~гп2+ > №2+ >
Са2+. Авторами работ [24-32] отмечается, что максимальная сорбционная емкость по названным ИТМ не превышает 50 мг/г.
Одним из путей увеличения степени удаления ИТМ из водных растворов является использование в качестве реагентов экстрактов, в частности, из различных отходов сельскохозяйственного производства. Проведенными экспериментами показана возможность удаления ионов Си2+, №2+, и Сг6+ экстрактом из лузги гречихи. Определено, что в состав последних входят соединения группы флавоноидов (в том числе рутин и кверцетин), липиды, полисахариды, кумарины, аминокислоты, дубильные и другие вещества органического происхождения. Данное обстоятельство способствует глубокому удалению ИТМ за счет образования с полифлаваноидами и другими соединениями, входящими в состав экстракта, нерастворимых в воде комплексов [33, 34].
Также показана возможность извлечения из модельных растворов ионов Си(11), Со(11) и N1(11) с использованием водных экстрактов из шелухи стручков гороха [35, 36]. Экстракты содержат в своем составе белки и аминокислоты, которые образуют с ИТМ нерастворимые в воде комплексы, выпадают в осадок и удаляются известными способами.
По литературным данным [37], вещественный (качественный) состав жома разнообразен и имеет значительные количественные вариации: в 100 кг сухих веществ свежего жома содержится около 20 кг клетчатки, 30-35 кг гемицеллюлозы, примерно такое же количество пектина, 8-10 кг белков, 2-3 кг сахара и около 2 кг минеральных веществ. Содержание сухого вещества в свежем жоме составляет 6-7 %, в составе которого находятся 2,5 % клетчатки; 2,6 % пектиновых веществ; 0,2 % золы; 0,2 % сахарозы и 0,6 % азотистых веществ.
Целлюлоза (клетчатка - высокомолекулярный полисахарид, нерастворимый даже в горячей воде), представляет главную составную часть клеточных стенок растений (в том числе и растений сахарной свеклы). Спутниками целлюлозы являются гемицеллюлозы, а также менее сложные полисахариды клеточных стенок, в состав которых входят пектозаны, гексозаны, некоторое количество уроновых кислот. В свою очередь, пектиновые вещества состоят из пектозы (пропектин), растворимого пектина и полигалактуроновой (пектиновой) кислоты [37].
Азотистые вещества жома, в основном, представлены труднорастворимыми формами белка (до 80 % от общего количества азота). Общее содержание азота сложных белков-протеидов (аминокислот) колеблется в пределах 0,3-0,5 %. Кроме того, в 1 кг свежего жома содержится около 19 мг витамина С. В ЖСС найдены и другие витамины (мг/кг): В! - 0,55; В2 - 0,20; В6 - 0,18; С -5,0; пектиновая кислота - 0,21; биотин - 0,001 [37].
Наличие в составе жома белковых соединений, по всей видимости, и способствует, в частности, хемосорбции ИТМ и удалению последних из водных растворов. На основании вышеизложенного,
в данной работе исследовано удаление из модельного раствора ионов меди с использованием экстракта из высушенного свекловичного жома. Выбор названного иона металла обусловлен тем, что сухой свекловичный жом имеет максимальную сорбционную емкость по ионам Cu2+ в сравнении с другими ИТМ [32].
Одним из крупных источников образования отходов в Республике Татарстан является ОАО «Буинский сахарный завод», г. Буинск, который перерабатывает более 350 тыс. т. сахарной свеклы в сезон. В работе в качестве сорбционного материала применялся высушенный ЖСС, полученный на ОАО «Буинский сахарный завод».
Эксракты готовились следующим образом: высушенные частицы ЖСС с размером частиц от 0,5 до 1 мм заливались 1 дм3 дистиллированной воды, нагретой до 90 °С, отношении жом : вода = 1 : 10 и настаивалась в течение 1 часа для наиболее полного экстрагирования органических веществ в водную фазу. Для оценки влияния значения рН на эффективность удаления ионов Cu2+ экстрактами, воду предварительно подкисляли или подщелачивали 0,1 Н растворами HCl или NaOH, соответственно. По истечении названного промежутка времени, экстракты отделялись от сырья и анализировались на первоначальные физико-химические показатели, которые приведены в таблице 1. Экстракты из свекловичного жома, полученные в нейтральной, кислой и щелочной среде, получили условные обозначения ЭСЖ, ЭСЖк и ЭСЖщ, соответственно.
Таблица 1 - физико-химические показатели экстрактов из ЖСС
Показатели ЭШГ ЭШГк ЭШГщ
рН 6,06 2,74 9,91
ХПК, мг О/дм3 6000 5080 5800
Плотность, мг/см3 1001 1001 1007
Светопропускание, % 41,5 67,9 60,5
Цвет янтарно- светло- светло-
бурый янтарный янтарный
Соответственно, модельный раствор с содержанием ионов Си2+ 100 мг/дм3, приготовленный растворением соответствующей навески Си804 в 1 дм3 дистиллированной воды, имел следующие показатели: рН - 3,85, светопропускание - 99 %, цвет - голубой.
Ход проведения эксперимента заключался в следующем: в шесть плоскодонных колб, содержащих по 100 см3 заранее приготовленного модельного раствора, добавлялся тот или иной экстракт в объеме от 5 до 50 см3. Добавление последнего приводило к образованию дисперсной фазы, которая удалялась фильтрованием, сушилась и взвешивалась, а фильтрат анализировался на изменение физико-химических показателей. По полученным данным строились зависимости, демонстрирующие эффективность использования экстракта при очистке модельных вод от ионов Си2+. Графики изменения массы образующегося сухого вещества осадка (МСО) в зависимости от вида экстракта приведены на рисунке 1.
Объем добавленного ЭСЖ, мл
МСО раствора с ЭСЖ Ш МСО раствора с ЭСЖк А МСО раствора с ЭСЖщ
Рис. 1 - Зависимость изменения массы сухого остатка от объема добавляемого экстракта
Как следует из приведенных на рисунке 1 зависимостей, наибольшая масса осадка образуется при приливании к модельному раствору щелочного экстракта, наименьшая - в случае добавления подкисленного экстракта. Масса осадка в первом случае практически вдвое больше.
Данное обстоятельство, по всей видимости, объясняется значениями рН смесевых фильтратов. Зависимости изменения последних от объемов приливаемых экстрактов приведены на рисунке 2.
Объем добавленного ЭСЖ, мл
рН раствора с ЭСЖ И рН раствора с ЭСЖк А рН раствора с ЭСЖщ
Рис. 2 - зависимость изменения значений рН от объемов добавляемых экстрактов
Как следует из графиков изменения значений рН смесевых растворов, добавление нейтрального и щелочного экстрактов приводит к увеличению искомого параметра, подкисленного - к уменьшению рН, что вполне закономерно. Наибольшее изменение значений рН наблюдается при добавлении 5 см3 экстрактов к 100 см3 модельных медьсодержащих растворов.
Последующее увеличение в последующем объемов приливаемых экстрактов способствует дальнейшему плавному изменению значений рН в кислую или щелочную области.
Выпадение осадка способствует уменьшению содержания ионов меди в смесевом фильтрате за счет образования последнего с органическими веществами, перешедшими из ЖСС, нерастворимых в воде комплексных соединений. Данное обстоятельство подтверждается зависимостями
изменения содержания ионов Си(11) в смесевых растворах от дозировок приливаемых экстрактов, приведенных на рисунке 3.
Объем добавленного ЭСЖ, мл
—Концю ионов меди в растворе с ЭСЖ -■ Кон. ионов меди в растворе с ЭСЖк -А1 Конц. ионов меди растворе с ЭСЖщ
Рис. 3 - графики изменения содержания ионов Си(11) в зависимости от дозировок приливаемых экстрактов
Как следует из приведенных графиков (рис. 3), последние практически адекватны. Наименьшая остаточная концентрация ионов Си(11) наблюдается в случае приливания к модельному стоку 50 см3 ЭСЖ (8 мг/дм3), наибольшее - при добавлении щелочного экстракта (12 мг/дм3).
Проведенными расчетами определено, что степень удаления ионов Си(11) с учетом разбавления модельного раствора экстрактами (ЭСЖ, ЭСЖк и ЭСЖщ) составила 82-88%.
Проведенными анализами установлено, что во всех случаях значения ХПК фильтратов с увеличением количества добавляемых к модельным растворам экстрактов повышаются, что вполне закономерно, так как последние имеют высокое содержание органических соединений, что подтверждается начальными значениями ХПК экстрактов. Графики изменения значений ХПК смесевых фильтратов в зависимости от дозировок приливаемых экстрактов приведены на рисунке 4.
Верхние линии на графиках (рис. 4а-в) показывают изменение значений ХПК, полученные в результате смешения экстрактов с дистиллированной водой (эксперимент сравнения) в результате простого разбавления в указанных ранее пропорциях (на 100 см3 воды 5-50 см3 экстрактов). Нижние графики показывают зависимости изменения значений ХПК смесевых фильтратов после отделения образовавшегося осадка. Разница между значениями ХПК эксперимента сравнения и смесевого фильтрата при удалении ионов Си2+ соответствует тому количеству органических соединений в экстракте, вступивших в реакцию с ионами меди с образованием нерастворимых в воде соединений, выпавших в осадок.
Сравнивая графики, приведенные на рисунках 4а-в, очевидно, что наибольшая разница при приливании максимального в данных экспериментах количества экстрактов (50 см3 к 100 см3 модельного раствора) наблюдается при
использовании щелочного экстракта (Д ХПК = 383
мг О2/ДМ3).
Объем добавленного ЭСЖ, мл ХПКпрактич. "Л ХПКтеоретич.
а
Объем добавленного ЭСЖк, мл
ХПКпрактич. ХПКтеоретич.
б
Объем добавленного ЭСЖщ, мл
Н ХПКграктич. - ХПКтеоретич.
в
Рис. 4 - Изменение значений ХПК в зависимости от объема приливаемого экстракта: а) ЭСЖ; б) ЭСЖк; в) ЭСЖщ
Стоит отметить, что в отличие от ожидаемого, добавление щелочного экстракта не приводит к более глубокому удалению ионов меди в сравнении с другими экстрактами. По всей видимости, образующийся гидроксид меди, при добавлении
ЭСЖщ сорбирует часть органических соединений, увлекая их в осадок.
При добавлении ЭСЖ и ЭСЖк к модельному раствору, значения разницы между значениями ХПК в указанных соотношениях составляют (Д ХПК = 298 и 243 мг О2/дм3, соответственно).
Таким образом, проведенными экспериментами определено, что наибольшая степень удаления ионов кобальта из модельных растворов, с концентрацией названных ионов 100 мг/дм3, наблюдается при добавлении подкисленного водного экстракта из высушенных и измельченных оболочек стручков гороха.
Литература
1. W.S. Wan Ngah, M.A.K.M. Hanafiah, Bioresource Technology, 99, 3935-3948 (2008).
2. T.A. Kurniawan, G.Y. Chan , W.H. Lo , S. Babel, Science Total Environmental, 366, 2-3, 409-426 (2006).
3. D. Park, J.M. Park, Korean Chemical Engineering Research, 44, 2, 107-113 (2006).
4. P. Miretzkya, A.F. Cirelli, Journal of Hazardous Materials, 180, 1-19 (2010).
5. V. Stankovic, D. Bozic, M. Gorgievski, G. Bogdanovic, Chemical Industry & Chemical Engineering Quarterly, 15, 4, 237-249 (2009).
6. Y.S. Ho, G. McKay, Process Biochemistry, 34, 451-465 (1999).
7. M.A.Mohammed, A. Shitu, M.A. Tadda, M. Ngabura, International Research Journal of Environment Sciences, 3, 3, 62-71 (2014).
8. S.S. Ahluwalia, D. Goyal, Bioresource Technology, 98, 2243-2257(2007).
9. V.K. Gupta, A. Nayak, S. Agarwal, Environmental Engineering Research, 20, 1, 1-18 (2015).
10. J.R. Evelyne, V. Ravisankar, International Journal of Research in Earth & Environmental Sciences, 1, 6, 20-26 (2014).
11. K.S. Rao1, M. Mohapatra, S. Anand, P. Venkateswarlu, International Journal of Engineering, Science and Technology, 2, 7, 81-103 (2010).
12. G. Zhao, X. Wu, X. Tan, X. Wang, The Open Colloid Science Journal, 4, 19-31 (2011).
13. M. Ahmaruzzaman, Advanced Colloid Interface Science, 166, 1-2, 36-59 (2011).
14. N.T. Abdel-Ghani, G.A. El-Chaghaby, International Journal of Latest Research in Science and Technology, 3, 1, 24-42 (2014).
15. X. Yang, K. Ikehata, R. Lerner, Y. Hu, K. Josyula, S.X. Chang, Y. Liu, Water Environment Research, 82, 10, 13961425 (2010).
16. S.O. Lesmana, N. Febriana, F.E. Soetaredjo, J. Sunarso, S. Ismadji, Biochemical Engineering Journal, 44, 19-41 (2009).
17. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 3, 15-25 (2010).
18. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 4, 30-40 (2010).
19. И.Г. Шайхиев, Вестник машиностроения, 4, 73-77 (2006).
20. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 12, 29-42 (2008).
21. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 13, 246-248 (2015).
22. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 14, 236237 (2015).
23. И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, К.И. Шайхиева, А.И. Мавлетбаева, Вестник технологического университета, 18, 17, 258-261 (2015).
24. Z. Aksu, I.A. I^oglu, Process Biochemistry, 40, 9, 30313044 (2005).
25. H.S. Altundogan, N.E. Arslan, F. Tumen, Journal of Hazardous Materials, 149, 2, 432-439 (2007).
26. Z. Aksu, I.A. Isoglu, Chemical Engineering Journal, 127, 1-3, 177-188 (2007).
27. E. Pehlivan, S. Cetin, B.H. Yanik, Journal of Hazardous Materials, 135, 1-3, 193-199 (2006).
28. Z. Reddad, C. Gerente, Y. Andres, M.-C. Ralet, J.-F. Thibault, P.L. Cloirec, Carbohydrate Polymers, 49, 1, 23-31 (2002).
29. H.S. Altundogan, Process Biochemistry, 40, 3-4, 14431452 (2005).
30. Z. Reddad, C. Gerente, Y. Andres, P.L. Cloirec, Environmental Technology, 24, 2, 257-264 (2003).
31. E. Pehlivan, B.H. Yanik, G. Ahmetli, M. Pehlivan, Bioresource Technology, 99, 9, 3520-3527 (2008).
32. V.M. Dronnet, C.M.G.C. Renard, M.A.V. Axelos, J.-F. Thibault, Carbohydrate Polymers, 34, 1-2, 73-82 (1997).
33. В.Н. Шекуров, Н.В. Киселева, В.К. Половняк, Известия ВУЗов. Химия и хим. технология, 41, 3, 125126, 141 (1998).
34. Н.В. Киселева, дисс. ...канд. техн. наук, КГТУ, Казань, 1999. 113 с.
35. Т.А. Прокопенко, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 8, 60-64 (2011).
36. И.Г. Шайхиев, К.И. Шайхиева, С.В. Степанова, А.А. Хаертдинова, Вестник технологического университета, 19, 2, 98-102 (2016).
37. В.И. Титова, М.В. Дабахов, Е.В. Дабахова, Обоснование использования отходов в качестве вторичного материального ресурса в сельскохозяйственном производстве: учебное пособие, Изд-во ВВАГС, Н. Новгород, 2009. 178 с.
© И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, 1Маге@тЪох.ги; В. Ю. Бегишева - магистр той же кафедры; А.И. Мавлетбаева - аспирант той же кафедры.
© I. G. Shaikhiev - PhD, Head of Department of Environmental Engineering of Kazan National Research Technological University, [email protected]; V. Yu. Begisheva - a master of Department of Environmental Engineering of the same university; A. I. Mavletbaeva - graduate student of Department of Environmental Engineering of the same university.
