CC BY
81
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 628.339.048 + 661 : 547
А. А. Гайфуллин, С. Н. Тунцева, Т. Н. Преображенская,
Р. А. Гайфуллин, Х. Э. Харлампиди
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА РАЗЛОЖЕНИЕ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
В СРЕДЕ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: сточные воды, пероксид водорода, разложение, примеси.
Представлены результаты исследований по влиянию примесей на разложение пероксида водорода в процессе щелочной очистки сточных вод производства стирола и оксида пропилена.
Keywords: sewage, hydrogen peroxide, decomposition, impurity.
The results of researches on influence of impurity on hydrogen peroxide decomposition in process of alkaline treatment of sewage in production of styrene and propylene oxide are presented.
Ранее проведенные исследования [1, 2] позволили подобрать оптимальные условия
щелочного разложения пероксида водорода в среде сточных вод производства стирола и
оксида пропилена (СОП), образующихся при промывке оксидата этилбензола от ионов натрия.
В процессе работы было установлено [1], что Н2О2 в модельном растворе разлагается менее интенсивно, чем в сточной воде. Максимальная степень разложения пероксида в искусственном растворе при 25°С составляет 23%, в то время как в среде сточных вод этот показатель соответствует 87% при той же температуре. Различными являются и условия разложения пероксида водорода, обеспечивающие максимальную степень распада. Так оптимальное мольное соотношение [НО-]:[-О-О-] в реальном стоке составляет 1:3, а в модельной реакции - 1:2. Это наводит на мысль, что более глубокое разложение Н2О2 в сточной воде обусловлено дополнительным расходованием его в какой-то параллельной реакции и свидетельствует о более сложном механизме распада H2O2 в реальных производственных сточных водах.
В связи с этим, возникла необходимость изучить влияние отдельных компонентов стока на процесс разложения пероксида водорода. Полученные результаты могут быть полезны при реализации предложенного метода очистки стока в условиях непостоянства его состава.
Для идентификации и определения содержания органических примесей в воде был проведен хроматографический анализ образца сточной воды с концентрацией пероксида водорода 0,31 моль/л и рН=2,9. Результаты анализа приведены в таблице 1.
Полученные данные позволили провести серию опытов, целью которых было изучить влияние отдельных компонентов стока на степень разложения пероксида водорода в модельных растворах. Эксперимент заключался в следующем. В водный раствор, содержащий 0,3 моль/л пероксида водорода, вводили органическое соединение в той концентрации, в которой оно было обнаружено в составе стока. Затем в приготовленную смесь добавляли гидроксид натрия и следили за изменением концентрации Н2О2 во времени. В таблице 2 приведены результаты этой серии опытов.
Таблица 1 - Содержание органических примесей в сточной воде
Примеси Содержание, % мас.
Этилбензол 0,07
Уксусная кислота 0,17
Муравьиная кислота 0,15
Пропиленгликоль 0,3
Ацетофенон 0,19
Метилфенилкарбинол 0,28
Фенол 0,01
Бензойная кислота 0,02
Таблица 2 - Влияние добавок органических веществ на процесс разложения Н2О2 в модельном растворе ([МэОИ] = 0,15 моль/л, Т=30°С)
Добавка Время, мин.
10 20 35 45 60
Степень разложения, %
Без добавки 15 22 31 36 38
Этилбензол 15 21 30 35 37
Уксусная кислота 12 20 28 30 33
Муравьиная кислота 11 22 26 29 32
Пропиленгликоль 10 14 16 21 27
Ацетофенон 9 14 20 25 29
Метилфенилкарбинол 10 - - - 32
Фенол 13 21 29 35 37
Бензойная кислота 13 20 26 32 35
Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что органические примеси не оказывают существенного влияния ни на скорость, ни на степень разложения пероксида водорода.
Ранее нами было показано [1], что наибольшая скорость разложения Н2О2 в среде сточных вод достигается в области рН 10-11. Увеличение скорости распада пероксида водорода в указанном интервале рН, авторы работы [3], объясняют ионизацией молекулы пероксида водорода по реакции
Н2О2 + НО" ^ НОО" + Н2О,
и дальнейшим превращением гидропероксид-аниона c участием примесей ионов металлов.
Таким образом, наиболее вероятными претендентами на роль катализатора разложения Н2О2 в среде сточных вод могут быть ионы металлов.
Наличие примесей металлов в сточной воде определяли методом атомноабсорбционной спектроскопии. В результате анализа выявлено, что в изучаемом стоке содержатся такие металлы переменной валентности как железо, молибден, медь, марганец, хром и кобальт. Из них количественно преобладает железо (23±0,5 мг/л), содержание других металлов на 2-3 порядка ниже.
Не вызывает сомнений, что более интенсивный распад пероксида водорода в среде сточных вод при щелочном разложении обусловлен реакциями с участием ионов металлов, и, в первую очередь, ионов железа.
В связи с этим, представляло интерес оценить влияние примеси железа в стоке на процесс щелочного разложения пероксида водорода. Предварительно была определена концентрация щелочи, обеспечивающая максимальную степень разложения Н2О2 в среде сточных вод с концентрацией пероксида 0,62 моль/л и кислотностью среды 0,17 г-экв/л. Результаты данной серии опытов представлены на рисунках 1 и 2.
На рисунке 1 изображены кинетические кривые разложения пероксида водорода в присутствии различных концентраций щелочи.
Рис. 1 - Влияние концентрации МэОИ на разложение Н2О2 в сточной воде при Т=50°С ([N804], моль/л: 1 - 0,10; 2 - 0,19; 3 - 0,22; 4- 0,24;5- 0,26; 6 - 0,28; 7 - 0,38)
Рисунок 2 иллюстрирует зависимость остаточной концентрации Н2О2 в воде от концентрации гидроксида натрия.
е;
о
0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5
[МэОИ], моль /л
Рис. 2 - Влияние концентрации МэОИ на остаточное содержание пероксида водорода (время реакции 20 минут)
Анализ кинетических данных показал, что оптимальной концентрацией ЫаОИ, обеспечивающей максимальную степень разложения пероксида водорода в среде сточных вод, является концентрация 0,28 моль/л.
Определив оптимальную концентрацию щелочи, мы провели модельный эксперимент с раствором пероксида водорода в дистиллированной воде. В качестве источника ионов железа использовали сульфат железа (II). Требуемую кислотности среды устанавливали, добавляя в искусственную смесь уксусную кислоту.
На рисунке 3 приведены кинетические кривые распада пероксида водорода в отсутствии (кривая 1) и в присутствии ионов железа (кривая 2).
0.3 0.7
_|ц 0.6
с 0,5
О
= 0,4
9 о,з
“0,2 0,1 о
0 5 10 15 20 25
Время. М1Н
Рис. 3 - Влияние концентрации ионов железа на распад пероксида водорода ([МэОИ] =
0,28 моль/л, [РСООИ]=0,17 моль/л, Т=50°С,1-[Рв2+]=0, 2-[Рв +]=0,23 мг/л)
Установлено, что в присутствии железа начальная скорость распада пероксида водорода в 4,7 раза превышает скорость распада Н2О2 в водном растворе, не содержащем ионов железа. Значительные различия наблюдаются также при сравнении остаточных концентраций пероксида: в присутствии железа она составляет 0,018 моль/л, без него 0,3 моль/л.
Влияние концентрации железа на эффективность щелочного разложения пероксида водорода показано на рисунке 4.
Опытные данные свидетельствуют, что при увеличении концентрации металла с 12,5 до 37,5 мг/л степень разложения Н2О2 растет и достигает своего максимального значения при содержании ионов железа 25-30 мг/л. Основываясь на полученных результатах, следует отметить, что сточные воды производства СОП содержат достаточно железа, чтобы обеспечить эффективное разложение пероксида водорода в щелочной среде.
0,05
0,04
.5 § 0,03 5 у
£ 0,02
О * ф
0,01
0 1 1 1 1
0 10 20 30 40
[Ре]2+, мг/л
Рис. 4 - Влияние концентрации ионов железа на остаточное содержание Н2О2 ([О-О] =
0.7 моль/л, [ЫзОИ] = 0,28 моль/л, [РСООИ] = 0,17 моль/л,Т = 50°С, т=20 мин)
Литература
1. Гайфуллин, Р.А. Очистка сточных вод от пероксидов. Сообщение 1. Разложение пероксидов в щелочной среде / Р.А. Гайфуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - № 6. - С. 84-88.
2. Гайфуллин, Р.А. Очистка сточных вод от пероксидов. Сообщение 2. Реагентная очистка / Р.А. Гайфуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - № 6. - С. 89-93.
3. Вершаль, В.В. Исследование разложения пероксида водорода в щелочной среде и его влияние на отбелку лигноцеллюлозы и гомогенное окисление лигнина / В.В. Вершаль [и др.] //Химия растительного сырья. - 1998. - №2. - С. 45-50.
© А. А. Гайфуллин - канд. техн. наук, доц. каф. общей химической технологии КНИТУ, [email protected]; С. Н. Тунцева - учебный мастер каф. общей химической технологии КНИТУ; Р. А. Гайфуллин - инж. I категории каф. общей химической технологии КНИТУ; Т. Н. Преображенская - канд. хим. наук, доц. каф. общей химической технологии КНИТУ; Х. Э. Харлампиди - д-р хим. наук, проф., зав. каф. общей химической технологии КНИТУ.
