Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Физико-химическое обоснование и лабораторная апробация интегрально-сорбционного метода контроля загрязнений водных объектов

Диссертация: Физико-химическое обоснование и лабораторная апробация интегрально-сорбционного метода контроля загрязнений водных объектов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Принципиально новым подходом в этой области является интегрально-сорбционный метод, который предполагает создание и использование устройств и методик, иногда называемых «экологический полицейский» или «экологический сторож». Идея метода была предложена проф. М. М. Сенявиным (ГЕОХИ РАН) и состоит в том, что по распределению концентрационных профилей нормируемых компонентов в ионообменной… Читать ещё >

Физико-химическое обоснование и лабораторная апробация интегрально-сорбционного метода контроля загрязнений водных объектов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
  • ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  • ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
    • 1. 1. Способы контроля динамики загрязнения природных 10 вод. Проблема непрерывного контроля
    • 1. 2. Контроль качества природных и сточных вод с 15 применением сорбционных накопителей
    • 1. 3. Теоретические основы ионообменного метода 24 непрерывного контроля ионных загрязнений в природных и сточных водах
    • 1. 4. Постановка задач диссертационной работы
  • ГЛАВА II. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТ
    • II. 1. Использованные реагенты и материалы
    • 11. 2. Методики анализа
    • 11. 3. Методики получения исследуемых форм ионитов
    • 11. 4. Методики экспериментов
    • 4. 1. Хроматогрфические исследования
    • 4. 2. Исследование равновесия обмена Са2±Си2+, 49 Ca2±Zn2+ и Ca2±Ni2+ на катионитах в Са-форме отечественного и зарубежного производства
  • ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
    • III. 1. Выбор сорбционного материала
    • 111. 2. Хроматографирование микрокомпонентов на 54 сильнокислотном катеоните КУ-2х
    • 111. 3. Равновесие обмена ионов на сульфокатионитах и 59 подтверждение эффекта полифункциональности в области низких концентраций ионов переходных металлов
    • 111. 4. Разработка метода модификации ионитов. 68 Хроматографические исследования и апробация метода на модельных системах
    • 111. 5. Влияние различных факторов на формирование 73 концентрационных профилей компонентов в хроматографических колонках
    • 5. 1. Влияние природы исходной формы катионита
    • 5. 2. Влияние комплексообразования в растворе
    • 5. 3. Влияние процессов осаждения
    • 5. 4. Выбор состава и концентрации 86 модифицирующих ионов
    • 111. 6. Математическое моделирование и методы решения 89 прямых задач
    • 111. 7. Решение обратной задачи

Актуальность темы

Современная хозяйственная деятельность связана с образованием сточных вод, содержащих загрязняющие вещества. К условиям их сброса в естественные водоемы предъявляются весьма жесткие требования, и за правонарушения в этой области законом предусмотрена ответственность. Тем не менее, состав сточных вод часто не отвечает установленным требованиям. Более 55% водоотведения приходится на промышленность. Большую группу загрязняющих веществ промышленных стоков составляют цветные и тяжелые металлы, содержание которых в сточных водах характеризуются существенными колебаниями во времени. Особую трудность для используемых в настоящее время методов экологического контроля водных объектов представляет выявление кратковременных «скрытых» сбросов в канализацию или водные объекты загрязняющих веществ, наносящих экологический вред, но практически недоступных службам контроля. Поэтому разработка новых методов и средств экологического контроля сточных вод остается актуальной проблемой.

Принципиально новым подходом в этой области является интегрально-сорбционный метод, который предполагает создание и использование устройств и методик, иногда называемых «экологический полицейский» или «экологический сторож». Идея метода была предложена проф. М. М. Сенявиным (ГЕОХИ РАН) и состоит в том, что по распределению концентрационных профилей нормируемых компонентов в ионообменной хроматографической колонке, находившейся определенное время в выходном створе промышленного стока предприятия, можно восстановить параметры залповых сбросов: время, мощность и состав. Первое экспериментальное испытание метода с использованием системы последовательно соединенных колонок с алюмосиликатным сорбентом и значительными концентрациями целевых компонентов показало возможность практического применения интегрально-сорбционного метода (Э.А. Катанова, 1993). Общие теоретические основы метода, связанного с решением обратных задач хроматографии, были разработаны в 1995;2000 гг. Е. В. Венициановым (ИВП РАН), Н. А. Тихоновым и Н. К. Трубецковым (МГУ). Однако для дальнейшего использования метода стала очевидной необходимость разработки физико-химических основ интегрально-сорбционного метода.

Цель работы. Разработка физико-химических основ и лабораторная апробация нового интегральчо-сорбционного метода экологического контроля качества сточных вод при их водоотведении.

Задачи исследований:

— установление закономерностей равновесия и динамики многокомпонентного ионного обмена в модельных системах, содержащих ионы переходных металлов в виде микрокомпонентов на фоне основных макрокомпонентов природных вод;

— выявление основных факторов, влияющих на формирование концентрационных профилей в хроматографической колонне;

— разработка методик восстановления состава растворов, поступавших на вход колонны по концентрационным профилям компонентов в колонке.

Научная новизна работы. Выявлены основные закономерности и разработаны физико-химические основы интегрально-сорбционного метода контроля загрязнений водных объектов ионами цветных и тяжелых металлов:

— установлено, что в области малых концентраций ионов переходных металлов, соизмеримых с их предельно допустимыми концентрациями в воде, монофункциональные сильнокислотные катиониты проявляют эффект полифункциональности, существенно нарушающий линейность изотерм сорбции микрокомпонентов и осложняющий хроматографическое поведение ионов;

— предложен метод модификации катионитов, стабилизирующий равновесные параметры, и соответственно скорость переноса концентрационных профилей целевых компонентов в хроматографической колонке;

— установлены закономерности влияния состава катионита и сточных вод на динамику ионного обмена и распределение концентрационных профилей компонентов в хроматографической колонке;

— разработаны методики решения обратных задач ионообменной хроматографии на основе математических моделей динамики сорбции и обоснованы условия их применения с целью восстановления характеристик сброса загрязняющих веществ.

Практическая значимость работы. Выявленные в работе закономерности ионообменной хроматографии и результаты использования нового интегральносорбционного метода для восстановления характеристик сбросов загрязняющих веществ в сточные воды, апробированы на модельных системах и являются достаточными для практической реализации систем «экологический сторож» для непрерывного контроля состава сточных вод.

На защиту выносятся;

— обоснование выбора ионообменных материалов для использования в системах типа «экологический сторож»;

— экспериментальное доказательство эффекта полифункциональности сульфокатионитов, нарушающего линейность изотермы в области малых концентраций ионов переходных металлов;

— метод модификации катионитов с целью стабилизации их равновесных параметров;

— закономерности влияния составов ионита и раствора на динамику ионного обмена и на распределение концентрационных профилей целевых компонентов в хроматографической колонке;

— результаты решения прямых и обратных задач динамики многокомпонентной хроматографии;

— практические рекомендации для использования сорбционных систем контроля типа «экологический сторож».

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на VIII Региональной конференции по проблемам химии и химической технологии (Воронеж, 2000 г.) — Международной конференции «Мембранные и сорбционные процессы» (Сочи, 2000 г.) — Всероссийском симпозиуме.

Современные проблемы хроматографии", посвященном 100-летию К. В. Чмутова (Москва, 2002 г.) — 5-ом Международном конгрессе и технической выставке «Вода: Экология и технология» (Москва, 2002 г.) — 2-й Международной конференции «Ecological Chemistry» (Chisinau, Republic of Moldova, 2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи, 2 описания патента и полезной модели, а также 4 тезиса докладов.

выводы.

1. Предложен новый вариант интегрально-сорбционного метода экологического контроля сточных вод при залповых сбросах ионов цветных и тяжелых металлов, основанный на использовании хроматографической колонки с монофункциональным сильнокислотным катеонитом, в котором колонка используется в качестве «запоминающего» устройства, позволяющего по распределению компонентов в слое катеонита восстановить состав исходного раствора во времени. Проведено физико — химическое обоснование метода: выявлены закономерности равновесия и динамики хроматографических процессов в модельных системах, определены возможности и рациональные условия применения метода, а также его ограничения.

2. Экспериментально показано, что для малых концентраций загрязняющих ионов переходных металлов возникает эффект «полифункциональности», приводящий к сильной нелинейности изотермы и замедлению скорости переноса пика микрокомпонента в хроматографической колонке.

3. Предложен метод модификации катеонитов введением в их состав ионов переходных металлов, позволяющий стабилизировать равновесные параметры катионита, благодаря чему скорость пика микрокомпонента становится постоянной.

4. Изучено влияние природы исходной ионной формы катионита на характер распределения концентрационных профилей. Выявлены условия, при которых возникают эффекты «слияния» хроматографических полос и приемы, препятствующие слиянию.

5. Изучено влияние различных комплексоообразующих агентов в растворе (ионов гидроксила, бикарбоната, фульвокислот) на характер распределения и скорость переноса концентрационных профилей в хроматографических колонках. Разработаны способы учета эффектов комплексоообразования. Показано, что для растворов с типичным макроанионньш составом природных вод при значениях рН < 6 наиболее существенным фактором, влияющим на скорость переноса ионов переходных металлов, является образование гидроксокомплексов.

6. Обоснованы условия и разработана методика использования математических моделей для двух вариантов: раздельного появления пиков и их частичного слияния. Апробированы методы решения обратных задач в применении к интегрально-сорбционному методу контроля воды, загрязненной неконтролируемыми залповыми сбросами.

7. Сформулированы практические рекомендации для использования интегрально — сорбционных систем для непрерывного контроля состава сточных вод. В зависимости от типов вод классифицированы возможные ограничения метода.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1999 году». — М.: Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов, 2000 — 451 с.
  2. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1995 году». — М.: Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов, 1996. 451 с.
  3. Временные методические рекомендации по расчету ПДС загрязняющих веществ в водные объекты со сточными водами Л.: Госкомприрода, 199 047 с.
  4. Анализ объектов окружающей среды: Инструм. Методы/Под ред. Р. Сониасси//Перевод с англ. И. В. Плетнева М.: Мир, 1993 — 78 с.
  5. Майстренко В. Н, Хамитов Р. З., Будников Г. К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов.- М.: Химия, 1996 318 с.
  6. С.Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы М.: Стройиздат, 1997−224 с.
  7. И.Н., Орлов Д. С., Садовникова Л. К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. Учеб. пособие для студентов хим., хим.-технол., биол. спец. и направлений вузов М.: Высш. шк., 1998 — 286 с.
  8. Ю.А. Основы аналитической химии. Кн.2. Методы химического анализа-М.: Высшая школа, 1996.-461 с.
  9. Ю.А. Аналитическая химия: проблемы и достижения- М.: Наука, 1992.- 288 с.
  10. Appelblad P. K, Baxter D. C, Thunberg J.O. Determination of metal humic complex, free metal ions and total concentrations in natural waters// J. Environ. Monitoring.1999.- Vol. 1, № 3.- 211 217 p.
  11. Warnken K.W., Gill G.A., Wen L.-S., Griffin L.L., Santschi P.H. Trace metal analysis of natural waters by ICP MS with on — line preconcentration and ultrasonic nebulization//J A AS: J. Anal. Atom. Spectr.- 1999.- Vol. 14, № 2.- 247 — 252 p.
  12. Maksimova I.M., Morosanova E.I., Kuz’min N.M., Zolotov Yu.A. Segmented flow analysis: On — line microwave sample processing for the analysis of natural waters//Fresenius J. Anal. Chem.- 1997.- Vol. 357, № 6.- 946 — 949 p.
  13. Yamane Т., Osada Yo., Suzuki M. Continuous flow systems for the determination of trace vanadium in natural waters utilizing in line preconcentration separation coupled with catalytic photometric detection//Talanta — 1998 — Vol. 45, № 3 — 583 -589 p.
  14. Каттрал Роберт В. Химические сенсоры/Максименко О.О. (пер. с англ) — Петрухин О. М. (ред).- М.: Науч. Мир, 2000 113 с.
  15. Ю.А., Кузьмин Н. М. Концентрирование микроэлементов. М.: Химия, 1982.-288 с.
  16. Э.А., Аюкаев Р. И. Метод непрерывного интегрального контроля качества промстоков//Социально-экономические и правовые основы спасения басейна реки Волги/Тез. докл. конф. Пенза, 1991- 16 с.
  17. Э.А. Разработка метода и средств интегрально сорбционного контроля качества промышленных стоков: Дисс. канд. техн. наук, С-Пб. Инженерно — строительный институт, 1993 г.
  18. Р.И., Катанова Э. А., Веницианов Е. В. Способ интегрально-сорбционного определения содержания тяжелых металлов. Патент на изобретение. МПК G01 № 30/00, G 01 № 31/10 от 15.06.94.
  19. Патент РФ № 2 121 673, МКИ G 01 N 30/00 Способ сорбционного контроля загрязнения водных объектов/Зеленская О.Б., Крачак А. Н., Веницианов Е. В., Хамизов Р. Х., Аргин М.А.- Опубл. 10.11.98, Бюл. № 31.
  20. Н.А., Трубецков Н. К., Веницианов Е. В. Использование интегрально -сорбционного метода для определения залповых сбросов загрязняющихвеществ//Водные ресурсы.- 1996 Т.23, № 2.- 230 — 233 с.
  21. Е.В., Тихонов Н. А., Трубецков Н. К. Интегрально сорбционный способ контроля состава сточных вод//Водные ресурсы- 1996 — Т.23, № 5 — 575−577 с.
  22. М.М., Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ М.: Химия, 1980 — 272 с.
  23. В., Уолтон Г. Ионообменная хроматография в аналитической химии-М.: Мир, 1973.-375 с.
  24. . Разделение на ионообменных смолах М.: Мир, 1967- 432 с.
  25. О.А. Основы гидрохимии Д.: ГИМИЗ, 1953 — 296 с.
  26. С.Р., Швец В. М., Гидрохимия М.: Недра, 1992 — 463 с.
  27. Е.В., Лепехин А. П. Физико химические основы моделирования миграции и трансформации тяжелых металлов в природных водах/ Под науч. Ред. A.M. Черняев, ФГУП Кам НИИВХ. — Екатеринбург: Изд. Рос НИИВХ.-2002.-236 с.
  28. Ю.А., Пасечник В. А. Равновесие и кинетика ионного обмена— Л.: Химия, 1970.-336 с.
  29. Е.В., Рубинштейн Р. Н. Динамика сорбции из жидких сред М.: Наука, 1982,-237 с.
  30. A.M., Сенявин М. М., Волощик И. Н. Ионный обмен и ионная хроматография М.: Наука, 1993- 222 с.
  31. В.И., Сафонов М. С., Воскресенский Н. М. Ионный обмен в противоточных колоннах М.: Наука, 1981- 224 с.
  32. М.М., Рубинштейн Р. Н., Веницианов Е. В. и др. Основы расчета и оптимизации ионообменных процессов.- М.: Наука, 1972 175 с.
  33. B.C. Исследование в области теории ионного обменных равновесий: Дис. докт. хим. наук, Минск, ИОНХ АН БССР, 1969 г.
  34. А.И. Смешанно диффузионная кинетика ионообменной сорбции. II. Оценка типа изотерм сорбции по виду выходной кривой//Журн. физ. Химии-1995.- Т.69, № 10.- 1816 1820 с.
  35. Gluekauf Е. Theory of chromatography. lO. Formula for diffusion into spheres and their application to chromatography//Trans. Farad. Soc 1955 — V.51, pt.ll.- 1540 — 1551 p.
  36. Теоретические основы деминерализации пресных вод. Сенявин М. М., Рубинштейн Р. Н., Комарова И. В., СмагинВ.Н., Ярошевский Д. А., Галкина
  37. Н.К., Никашина В.А.- М.: Наука, 1975.- 326 с.
  38. Д. Селективность ионного обмена//В сб. Ионный обмен/Под ред. Я. Маринского. М.: Мир.- 1968.- 104 — 173 с.
  39. А.А. Сорбенты и хроматографические носители (справочник).- М.: Химия, 1972.-320 с. 45.3еликман А.Н., Вольдман Г. М., Белявская J1.B. Теория гидрометаллургических процессов.- М.: Металлургия, 1975 504 с.
  40. Ю.Ю., Рыбников А. И. Химический анализ производственных сточных вод. Изд. 4-е, перераб. и доп.- М.: Химия, 1974 336 с.
  41. В.Н. Аналитическая химия магния. Серия «Аналитическая химия элементов».- М.: Наука, 1973 254 с.
  42. Н.С., Кручкова Е. С., Мупггакова С. П. Аналитическая химия кальция. Серия «Аналитическая химия элементов».- М.: Наука, 1974 252 с.
  43. В. П. Селезнева Е.А. Аналитическая химия цинка. Серия «Аналитическая химия элементов». -М.: Наука, 1975.-206 с.
  44. С.К., Барашков К. М., Ольшанова К. М. Аналитическая химия. Изд. 2 е, перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1994- 384 с.
  45. У инфицированные методы исследования качества вод. Часть I. Методы химического анализа вод М.: СЭВ, 1977 — 831 с.
  46. Основы аналитической химии. Практическое руководство: Учеб. Пособие для вузов/ Фадеева В. И., Шеховцева Т. И., Иванов М. В. и др./Под ред. Ю. А. Золотова М.: Высшая школа, 2001- 255 с.
  47. П.Р., Баранова А. Г. Практикум по химии воды М.: Высшая школа, 1971.- 39−63 с.
  48. A.M., Сенявин М. М., Волощик И. Н. Ионный обмен и ионная хроматография. М.: Наука, 1993 114 с.
  49. В.М., Савостина В. М. Аналитическая химия никеля. Серия «Аналитическая химия элементов». — М: Наука, 1966- 203 с.
  50. В.М., Симонова Л. Н. Аналитическая химия элементов. Медь М.: Наука, 1990.- 279 с.
  51. Н.С. Методы анализа по фотометрии пламени М.: Химия, 1 967 308 с.
  52. В.М., Семенко К. А., Прохорова Г. В., Симонова Е. Ф. Натрий. Серия «Аналитичекая химия элементов». — М.: Наука, 1986 255 с.
  53. Н.С., Мешкова С. Б., Полуэктов Е. Н. Аналитическая химия лития. Серия «Аналитическая химия элементов». — М.: Наука, 1975 204 с.
  54. И.М. Аналитическая химия калия. Серия «Аналитическая химия элементов». -М.: Наука, 1964.-255 с.
  55. Д.П., Матвеец М. Аналитическая химия кадмия. Серия «Аналитическая химия элементов». — М.: Наука, 1975 255 с.
  56. В.И. Экспериментальные методы изучения равновесия ионного обмена/Сб. Термодинамика ионного обмена Минск: Наука и техника- 1968. -122−135 с.
  57. В.А., Малых Я. Н., Горшков В. И. Равновесие обмена щелочных металлов и водорода на катионите КУ- 2×8 при малых содержаниях Н+//Журн. физ. Химии.- 1986.- Т.60, № 3.- 715 718 с.
  58. В.Ш., Золотарев П. П., Градышев П. П. Неоднородность сорбентов (феноменологическая модель).- Алма Ата: Наука, 1983 — 288 с.
  59. Myers G.E., Boyd G.E. Thermodynamic calculation of cation exchange selectivities// Journ. Phys. Chem.- 1956, — Vol.60, № 5.- 521 529 p.
  60. Gregor H. P., Belle J., Marcus R.A. Studies on ion exchange resins. XIII. Selectivity Coefficients of Quaternary Base anion — exchange resins toward univalent anions//Journ. Amer. Chem. Soc.- 1955.- Vol. 77, № 9.- 2713 — 2719 p.
  61. Freeman D. C., Stamires Jr., Dennis N. Electrical conductivity of synthetic crystalline zerolites//Journ. Chem Phys.- 1961, — Vol. 35, № 3.- 799 806 p.
  62. Spinner I.H., Ciric J., Graydon W.F. Preparation of ion exchange resins//Can. Journ. Chem.- 1954.- Vol. 32, № 2.- 143 — 152 p.
  63. Cornaz J.- P., Deuel H. Ionengleichgewichte an einem bifunktionellen Kationenaustauscher//Helvetica Chim. Acta, 1956.-V. 39, № 5.- 1227−1231 p.
  64. Hogfeldt E. On ion exchange equilibria. VI. The heterogeneity of ion exchangers//Arkiv for kemi.- 1959.- Band 13, № 49.- 491 506 p.
  65. Bonner O.D., Torres A. L. The determination of the ionization constants of some sulfonic acids by Raman measurements//Journ. Phys. Chem 1965- Vol. 69, № 12. -4109−4112 p.
  66. В.И., Королев Ю. З. Селективность сульфо и сульфофенольных катеонитов по отношению к ионам щелочных металлов//Вестник Московского Университета.- Москва: МГУ — 1966.-№ 1- 16 — 20 с.
  67. Cruickshnk Е.Н., Meares P. The thermodynamics of cation exchange. Part 3. -Thermodynamic properties of resins containing a mixture of cations//Trans. Faraday Soc.- 1958.- Vol. 54, pt.2.- 174 185 p.
  68. Ti Т. H. Polyfunctionality and equilibrium selectivity coefficient of ion exchange system. Reaction of alkali metal cations with phosphoric acid resins//Journ. Phys.
  69. Chem.- 1964.- Vol. 68, № 5.- 1021 1025 p.
  70. Sherry H.S. The ion exchange properties of zerolites. I. Univalent ion exchange in synthetic faujasite//Journ. Phys. Chem.- 1966.- Vol. 70, № 4.- 1158 — 1168 p.
  71. Г. И., Динамическое сорбционное концентрирование микроэлементов в неорганическом анализе: дисс. док. хим. наук. — Москва. МГУ, 2000 г.
  72. Г. А., Супаташвили Г. Д. Сосуществующие соединения меди в поверхностных водах/Академия наук СССР. Институт океанологии им. П.П. Ширшова//"Химический анализ морских осадков". Сборник трудов- М.: Наука.-1988.- 69−73 с.
  73. Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы//Сггравочник химика. Второе издание переработанное и дополненное. -М.: Химия (Ленинградское отделение).- 1964- Т.З.- 1008 с.
  74. Ю.Ю. Справочник по аналитической химии М.: Химия — 1979 — 480 с.
  75. Свойства неорганических соединений. Справочник. Под ред. Ефимова А.И.-Л.: Химия.-1983.-390 с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!