Химия. Экология. Биотехнология - 2016

Входе электролитического получения магния образуются 3 основных отхода: отработанный магниевый электролит (ОМЭ), шламоэлектролитная смесь (ШЭС) и шлам карналитовых хлораторов (ШКХ).

ОМЭ в основном состоит из KCl, MgCl2 и NaCl. Данный отход наиболее применим для извлечения KCl.

ШЭС схож по составу с ОМЭ, но содержит до 4 % MgO, который необходимо предварительно отделить для извлечения

KCl и MgCl2.

ВШКХ преобладает концентрация хлорида магния, оксида магния и хлорида калия. Он может быть источником как MgO, так и MgCl2.

Вданное время утилизируется только ОМЭ, который после дробления и упаковки продается как калийное удобрение. Он же частично используется в производстве флюсов.

Остальные виды твёрдых отходов складируют. Поэтому для уменьшения негативного влияния накапливающихся отходов требуется разработка новой технологии утилизации, которая будет включать в себя комплексную переработку всех отходов производства с получением товарной продукции или полупродуктов, возвращаемых в процесс.

Вработе рассмотрены возможные способы утилизации данных отходов: переработка ОМЭ и ШЭС в удобрение, использование ОМЭ и ШЭС как минерализатора для бурения, получение противогололёдных материалов, переработка магнийсодержащего сырья на хлормагнезиальное вяжущее, использование шлама в качестве сырья для получения магнезиального цемента и изделий на его основе.

21

УДК 579.26

И.Г. Колпащиков, Н.П. Углев

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ПЕНТАЭРИТРИТА

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

При производстве пентаэритрита образуется достаточно большое количество побочных продуктов, что негативно отражается на качестве выпускаемого монопентаэритрита (МПЭ). Поэтому необходимо усовершенствование стадии синтеза и интенсификации процесса с целью увеличения выхода целевого продукта МПЭ. Планируется увеличение селективности реакции, чтобы уменьшить образование побочных продуктов, таких как дипентаэритрит, циклические моноформали.

Для решения этих проблем на первом этапе были проанализированы литературные данные по кинетике реакции синтеза пентаэритрита. Выяснилось, что реакция близка к первому порядку, константа скорости 0,0165 мин–1.

Проведен эксперимент по трассировке промышленного реактора синтеза пентаэритрита при загрузке в 1/3 объёма. В качестве индикатора использовали муравьиную кислоту с концентрацией 86,5 %, поданную на вход реактора в виде ступенчатого импульса длительностью 38 с. За отклик реактора принимали показания pH-метра на выходе из реактора. Обработка кривой отклика позволила оценить значение критерия Пекле около 0,6–1. Дальнейшее уточнение критерия Пекле при полной загрузке реактора позволит подобрать значения кинетических констант основной и побочных реакций синтеза на основании специального промышленного эксперимента.

22

УДК 544.034

Н.А. Климов, Д.А. Казаков, Ю.Е. Тараканова, В.В. Вольхин

ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ЩАВЕЛЕВОЙ КИСЛОТЫ ПРИ КАТАЛИТИЧЕСКОМ ОЗОНИРОВАНИИ И БИОДЕГРАДАЦИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Щавелевая кислота (ЩК) широко применяется в химической, текстильной и кожевенной промышленности, используется в производстве моющих средств. Содержание ЩК в водоёмах

всоответствии с ПДК не должно превышать 0,5 мг/л, поэтому её поступление в окружающую среду следует предотвращать. Биодеградация ЩК, особенно при её повышенных концентрациях, протекает очень медленно вследствие её довольно сильных кислотных свойств и энергетической бедности для микроорганизмов. Можно предполагать, что скорость биодеградации ЩК можно повысить за счёт поддержания оптимального уровня её концентрации в реакционной среде и применения биокатализатора на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов – деструкторов. Для снижения концентрации ЩК в водной среде до уровня, оптимального для биодеградации, могут быть использованы химические методы её деструкции, наиболее распространённым из которых является озонирование. Однако минерализация ЩК при озонировании характеризуется низкой скоростью, что обусловливает актуальность разработки эффективных катализаторов этого процесса. Высокой активностью

вотношении минерализации ЩК при озонировании характеризуются катализаторы на основе тонкодисперсных углеродных

23

материалов. Вместе с тем выбор углеродных материалов, обладающих оптимальными каталитическими свойствами в отношении минерализации ЩК, затруднён в связи с недостатком информации о взаимосвязи их физико-химических характеристик и каталитической активности. В соответствии с этим, целью настоящего исследования является разработка основ повышения скорости минерализации ЩК при совмещении процессов окисления под действием биокатализатора на основе иммобилизованных микроорганизмов и озонирования в присутствии катализаторов на основе углеродных материалов. Задачи исследования: 1) выделение культуры микроорганизмов – деструкторов ЩК; 2) получение биокатализатора минерализации ЩК на основе иммобилизованных микроорганизмов – деструкторов, изучение активности полученного биокатализатора; 3) определение макрокинетического режима процесса минерализации ЩК при озонировании; 4) синтез катализаторов минерализации ЩК путём карбонизации и химической активации различных прекурсоров углеродных материалов; 5) изучение влияния полученных катализаторов на макрокинетику минерализации ЩК при озонировании; 6) изучение процесса минерализации ЩК, объединяющего её предварительное озонокаталитическое окисление до уровня, оптимального для биодеградации с последующей деструкцией в присутствии биокатализатора.

В ходе исследования на селективной питательной среде из активного ила очистных сооружений ООО «ЛУКОЙЛ – Пермнефтеоргсинтез» выделена культура микроорганизмов – деструкторов ЩК. Установлено, что выделенная культура относится к микромицетам, имеет развитый мицелий и спорангии.

На основе изучения влияния ЩК на скорость растворения озона в водной фазе и определения макроскопической скорости окисления ЩК озоном показано, что процесс её минерализации протекает в переходном режиме, т.е. лимитируется одновременно массопереносом озона в системе «газ – жидкость» и скоростью его взаимодействия с ЩК. Таким образом, макроскопиче-

24

ская скорость минерализации ЩК может быть повышена за счёт применения катализаторов. На основе различных прекурсоров углеродных материалов (агар – агар (образец 1), березовые опилки (образец 2), избыточный активный ил очистных сооружений ООО «ЛУКОЙЛ – Пермнефтеоргсинтез» (образец 3)) путём карбонизации с химической активацией получены катализаторы минерализации ЩК. В таблице представлены значения

в присутствии полученных катализаторов.

Результаты изучения озонокаталитической минерализации ЩК

Можно видеть (см. таблицу), что наиболее эффективным является катализатор, полученный карбонизацией активного ила. Введение этого катализатора в реакционную среду существенно повышает эффективность использования озона за счёт роста скорости его абсорбции и увеличения скорости минерализации ЩК.

25

УДК 544.478-03

А.В. Цуканов, Д.А. Рожина, Я.А. Байдина, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

ГЛУБОКАЯ МИНЕРАЛИЗАЦИЯ 4-НИТРОФЕНОЛА И ПРОДУКТОВ ЕГО ОКИСЛЕНИЯ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДАМИ ОЗОНИРОВАНИЯ И БИОДЕСТРУКЦИИ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Нитрофенолы широко используются в производстве пестицидов, фунгицидов, гербицидов, красителей и взрывчатых веществ. В основном эти вещества поступают в окружающую среду со сточными водами, оказывая на нее неблагоприятные воздействия. Предельно допустимая концентрация 4-нитрофенола (4-НФ) в водоёмах составляет 0,02 мг/л. Поэтому существует необходимость в предотвращении поступления 4-НФ в окружающую среду со сточными водами. Наиболее распространённым методом отчистки воды от органических соединений является биодеградация. Однако при использовании этого метода для очистки воды от 4-НФ возникает проблема, связанная с его токсичностью для микроорганизмов-деструкторов, что особенно проявляется при высоких концентрациях 4-НФ. Таким образом, при очистке воды с повышенным содержанием 4-НФ существует необходимость снижения его концентрации до уровня, приемлемого для биодеградации. Одним из путей решения данной проблемы может являться последовательное использование озонирования (для первоначального снижения концентрации 4-НФ) и биодеструкции для полного окисления 4-НФ. Целью исследования является разработка основ интенсификации процесса минерализации 4-НФ за счёт сочетания методов озонирования и биодеструкции. Задачи исследования: 1) выделение микроор-

26

ганизмов-деструкторов 4-НФ и изучение динамики его биодеградации; 2) получение биокатализатора минерализации 4-НФ путем иммобилизации микроорганизмов-деструкторов на магнитосепарируемом носителе; 3) определение макрокинетического режима минерализации 4-НФ при озонировании; 4) изучение влияния гомогенных и гетерогенных катализаторов минерализации 4-НФ на массоперенос озона в системе «газ – жидкость» и макроскопическую скорость процесса; 5) изучение процесса минерализации 4-НФ, объединяющего его предварительное озонокаталитическое окисление до уровня оптимального для биодеградации с последующей деструкцией в присутствии биокатализатора.

На текущем этапе исследования выделена смешанная культура микроорганизмов-деструкторов 4-НФ, в которой преобладают палочковидные бактерии.

Изучено влияние 4-НФ на массоперенос озона в системе «газ – жидкость» в условиях барботажа (таблица). Показано, что при увеличении концентрации 4-НФ в диапазоне 0,001– 0,01 моль/л происходит повышение объёмного коэффициента массопередачи озона. Дальнейшее повышение содержания 4-НФ приводит к снижению величины KLa. Такую зависимость можно объяснить тем, что увеличение концентрации 4-НФ приводит одновременно к существенному росту величины удельной поверхности контакта фаз (а) и снижению коэффициента массопередачи озона (KL).

Влияние 4-НФ на массоперенос озона в системе «газ–жидкость»

Примечание: KLa – объёмный коэффициент массопередачи озона; KL – коэффициент массопередачи озона; а – удельная поверхность контакта фаз «газ – жидкость».

27

На основе данных по скорости поглощения озона в процессе минерализации 4-НФ рассчитаны коэффициент ускорения абсорбции (Е = 1,07) и критерий Хатта (Ha = 0,48). Полученные значения параметров Е и Ha показывают, что процесс окисления 4-НФ при озонировании протекает в диффузионном режиме.

УДК 579.695

М.В. Кулакова, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

БИОДЕГРАДАЦИЯ ФЕНОЛА МИКРООРГАНИЗМАМИ, ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ НА МАГНИТНОМ НОСИТЕЛЕ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Фенол является одним из наиболее распространенных загрязнителей, поступающих в поверхностные воды со стоками предприятий. Сброс фенольных вод в водоемы оказывает сильное отрицательное влияние на живые организмы. Содержание фенола вводе в соответствии с ПДК не должно превышать 0,001 мг/л, поэтому его поступление в окружающую среду должно быть максимально снижено. Одним из наиболее распространенных методов очистки воды от органических соединений является биологическое окисление. Однако в случае фенола биодеградация затруднена вследствие его токсичности для микроорганизмов. Эффективность биоокисления фенола может быть повышена при использовании иммобилизованных микроорганизмов, отличающихся более высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Кроме того, иммобилизованные микроорганизмы могут быть использованы в процессе очистки воды многократно. После завершения процесса окисления фенола частицы биокатализатора на основе иммобилизованных микроорганизмов необходимо удалять

28

из водной фазы, что осложняет технологический процесс. Одним из подходов к решению этой проблемы может быть разработка биокатализаторов с магнитными свойствами, которые легко извлекаются из водной фазы под действием постоянного магнитного поля. В соответствии с этим целью настоящего исследования является изучение процесса биодеградации фенола микроорганизмами, иммобилизованными на магнитном носителе. Задачи исследования: 1) выделение устойчивого консорциума микроорганизмовдеструкторов фенола; 2) изучение динамики биодеградации фенола и кинетики роста выделенной культуры микроорганизмов; 3) синтез магнитного носителя для иммобилизации; 4) иммобилизация микроорганизмов-деструкторов на магнитном носителе иизучение динамики деградации фенола в присутствии полученного биокатализатора.

В ходе исследования из активного ила очистных сооружений ООО «ЛУКОЙЛ – Пермнефтеоргсинтез» выделена культура микроорганизмов-деструкторов фенола. Культивирование проводили на селективной синтетической питательной среде при температуре 30 °С на орбитальной качалке (150 об/мин) в конических колбах на 250 мл. В ходе микроскопирования выделенной культуры обнаружены бактерии шаровидной формы – кокки, диплококки, тетракокки. Начато изучение динамики биодеградации фенола и кинетики роста выделенной культуры.

Путём карбонизации композиционного материала, представляющего собой частицы магнетита (Fe3O4), покрытые полисахаридной оболочкой (агар-агар), проведён синтез магнитного углеродного носителя для иммобилизации микроорганизмов.

На следующем этапе исследования планируется провести иммобилизацию выделенных микроорганизмов-деструкторов на магнитном носителе и определить активность полученного биокатализатора.

29

УДК 544.344+542.61

А.В. Станкова, С.А. Денисова, А.М. Елохов

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМАХ «ВОДА – НЕОНОЛ АФ-9-12 (АФ-9-25) –

ВЫСАЛИВАТЕЛЬ» ПРИ 25 °С

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Среди распространенных методов разделения и концентрирования наиболее актуальной является жидкостная экстракция. Данный метод достаточно быстр, универсален, прост в технике исполнения и легко поддается автоматизации. Преимущественно применяются экстракционные системы с водной и органической фазами, расслаивание которых происходит за счет ограниченной взаимной растворимости воды иорганическогорастворителя. Однако в связи токсичностью, летучестью, взрыво- и пожароопасностью органических растворителей возникает ряд ограничений при использовании подобных систем. Для повышения безопасности экстракционных процессов целесообразным является применение экстракционных систем без органического растворителя. Примером могут служить системы на основе водорастворимых полимеров, таких как полиэтиленгликоль и поли-N-винилпирролидон, а также сис- темынаосновеповерхностно-активных веществ.

Целью настоящего исследования являются подбор компонентов и определение концентрационных параметров процесса жидкостной экстракции в трехкомпонентных расслаивающихся системах на основе неонолов АФ 9-12 и АФ 9-25 (оксиэтилированных нонилфенолов – С9H19(C6H4O)(CH2CH2O)nH, где n = 12 для неонола АФ 9-12 и n = 25 для неонола АФ 9-25).

В предварительных испытаниях установлено, что расслаивание наблюдается в системах с сульфатами аммония, алюминия, магния, натрия, с карбонатом, фторидом и нитратом аммо-

30