Химия. Экология. Биотехнология - 2016

С целью повышения селективности к ионам цезия природных материалов и улучшения их сорбционных свойств в матрицу водорослей вводили гексацианоферрат железа. Выбор гексацианоферрата железа в качестве активной составляющей сорбента объясняется тем, что он хорошо изучен в плане биологической безопасности и на его основе выпускается препарат под названием «Ферроцин». Известно, что ГЦФ-Fe имеет высокую сорбционную емкость и селективность к ионам цезия. Однако низкая механическая прочность и способность к пептизации делают невозможным использование его в динамическом режиме.

Для уменьшения дезагрегации осадка и формирования более кристаллической структуры в состав ГЦФ-Fe вводили в качестве допирующего иона – Mn2+. Выбор этого иона был обусловлен его изоэлектронным строением, склонностью координации к CN групп (к.ч. = 6), а также его биогенными свойствами.

Сорбент получали путем последовательной обработки водорослей растворами соли железа (III), хлорида марганца (II) и гексацианоферрата (II) калия. Процентное соотношение солей железа и марганца изменяли в пределах от 5 до 30 (мас. %). Для исключения соосаждения фазы гидроксида железа сорбент на конечной стадии промывали раствором соляной кислоты. В результате были получены четыре образца сорбентов, имеющих следующий состав ГЦФ-фазы:

1)H1.6 K0.31 Mn0.036 Fe0.68 [Fe(CN)6],

2)H1.6 K0.31 Mn0.074 Fe0.63 [Fe(CN)6],

3)H1.67 K0.31 Mn0.11 Fe0.60 [Fe(CN)6],

4)H1.71 K0.33 Mn0.14 Fe0.56 [Fe(CN)6].

Установлено, что введение допирующего иона марганца в состав гексацианоферрата железа даже в незначительных количествах существенно понижает пептизацию осадка и увеличивает механическую прочность сорбента. Рентгенофазовый анализ полученных образцов показал, что частичное замещение ионов Fe+3 (Ri = 0,67 Аº) ионами Mn+2, имеющих больший радиус (Ri = 0,91 Аº), не приводит к изменению симметрии кристаллической ячейки сорбента и образованию новых кристаллических

71

фаз, но сопровождается изменением интенсивности основных дифракционных максимумов, что может свидетельствовать об изменении дефектности структуры.

Изучены сорбционные свойства полученных материалов и селективность по отношению к ионам цезия. Доказаны биологическая безопасность полученных сорбентов и возможность их использования для очистки питьевой воды от ионов цезия.

УДК 579.222.2

Н.А. Печеницина, Л.Г. Черанева

ВЛИЯНИЕ ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS

И ИОНОВ FE(III) НА БИОКОРРОЗИЮ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА В ПРОЦЕССАХ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

По экологическим показателям в настоящее время около 15 % территории России находится в критическом состоянии. Это в основном центральная часть страны, районы Сибири

иУрала. Источником антропогенного загрязнения почв являются продукты и отходы производственной и бытовой деятельности человека. К таким объектам можно отнести химические источники тока (ХИТ), в состав которых входят многие опасные для человека элементы (свинец, цинк, кадмий, марганец и др.). В России слабо развита система переработки ХИТ, а малогабаритные элементы питания вообще часто утилизируются с бытовыми отходами. Период полувыведения из почвы, например цинка, – до 500 лет, свинца – до нескольких тысяч лет, следовательно, очень долго сохраняется вероятность попадания вредных веществ в человеческий организм с продуктами питания

иводой. Это негативно отражается на здоровье человека: свинец

72

может поражать нервную систему, костные ткани, кадмий вредит легким, никель вызывает дерматит, цинк поражает почки. Поэтому переработка и утилизация ХИТ являются важными процессами в современной технологии.

Целью нашего исследования является создание технологии утилизации отработанных ХИТ на основе процессов биокоррозии. В качестве ХИТ использовали наиболее распространенные Zn–Mn элементы питания. Для их окисления были выбраны

Acidithiobacillus ferrooxidans, которые относятся к группе тио-

новых бактерий. Эти микроорганизмы часто встречаются в кислых шахтных водах и могут являться дешевым сырьем в процессах утилизации. A. Ferrooxidans были выделены из кислых (рН = 2,5) сточных вод шахты им. Калинина (г. Губаха) на питательной среде Сильвермана и Люндгрена (9К).

Для определения технологических параметров процесса разложения ХИТ было рассмотрено влияние целого ряда факторов. Так, например, от показателя кислотности среды зависят электрохимическая коррозия стального корпуса элемента питания и рост микроорганизмов. Эксперимент проводили с варьированием рН растворов в интервале 1,4 – 3,1. Согласно диаграмме Пурбе при рН > 3 выпадает осадок гидроксида железа (III), т.е. теряется окислитель – ионы железа (III), которые образуются из ионов железа (II) в результате жизнедеятельности бактерий. А создание очень кислой реакции среды, хотя и является благоприятным для растворения стального корпуса ХИТ, но в такой среде бактерии развиваются в меньшей степени. Оптимальной для развития микроорганизмов будет среда с рН 2,6 – 3,1, в которой выше оптическая плотность растворов, т.е. больше содержание ионов железа (III), и наблюдается увеличение количества микроорганизмов, замеренное в счетной камере Горяева (КОЕ 1,2·106–1,3·106). Влияние таких факторов, как дробление ХИТ и перемешивание растворов на качалке (145 об/мин), на процесс растворения разных типов Zn–Mn элементов питания в дисковой форме представлено в таблице.

73

Влияние кинетических показателей на процесс биокоррозии ХИТ

Из таблицы следует, что при создании в растворах одинакового количества A. Ferrooxidans, в расчете на единицу поверхности, показатели биокоррозии значительно лучше у маленьких ХИТ. Причем дробление их лишь незначительно увеличивает степень растворения ῶ и коэффициент коррозии Km±. Зато существенное отличие наблюдается при подключении перемешивания растворов. В этом случае при постоянном обновлении реагентов на поверхности можно добиться высокой степени растворения ХИТ (более 80 %) и почти в два раза повысить коэффициент их коррозии.

УДК 621.182.112 : 612.182.44

А.В. Шишигина, О.Р. Середкина, С.В. Лановецкий

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Березниковский филиал Пермского национального исследовательского

политехнического университета

Серьезной проблемой для промышленных предприятий, тепловых электростанций, жилищно-коммунального хозяйства является жесткость воды. Соли жесткости, главным образом

74

кальция и магния, образуют малорастворимые соединения, откладывающиеся на стенках трубопроводов, теплообменных аппаратов и установок. Следствиями этого процесса являются снижение пропускной способности, рост гидравлического сопротивления, преждевременный износ, выход из строя теплообменных аппаратов, перерасход энергоресурсов.

Выбор того или иного метода предотвращения образования осадка на теплопередающих поверхностях и удаление его часто носят эмпирический характер, что приводит к неоправданным затратам и в ряде случаев не даёт положительных результатов.

Целью представленной работы явилось исследование влияния гидродинамики водного потока, концентрации ингибитора

В ходе выполнения исследований установлено наличие гидродинамического барьера, оказывающего значительное влияние на интенсивность солеотложений на поверхности металлических пластин. Данную особенность следует учитывать при выборе скоростного режима движения оборотной воды в теплообменных аппаратах и установках.

Показано, что введение ингибирующего комплекса 1-гид- роксиоксиэтилидендифосфоновой кислоты с цинком в заданном концентрационном диапазоне позволяет, в зависимости от гидродинамических условий, на порядок снизить интенсивность инкрустации металлической поверхности теплообменных установок.

Оценено влияние добавки глицерина на процесс инкрустации. Установлена оптимальная концентрация ПАВ в оборотной воде, позволяющаяв7 разснизитьинтенсивностьсолеотложения.

75

УДК 579.695

Р.Г. Хайбуллин, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

УДАЛЕНИЕ ПИРОКАТЕХИНА ИЗ ВОДНЫХ СРЕД С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОГО БИОКАТАЛИЗАТОРА

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Широкое применение пирокатехина в органическом синтезе, в производстве фармацевтических препаратов и парфюмерной продукции приводит к интенсивному его поступлению в окружающую среду со сточными водами. Поступление пирокатехина в окружающую среду необходимо предотвращать, поскольку его содержание в водоёмах в соответствии с ПДК не должно превышать 0,1 мг/л. Перспективными в настоящее время считаются биологические методы очистки сточных вод, что подразумевает минерализацию органических соединений при помощи микроорганизмов, использующих эти вещества в качестве источника углерода и энергии. Эффективность биодеградации токсичных субстратов, в том числе пирокатехина, может быть повышена при использовании микроорганизмов, иммобилизованных на твёрдофазных тонкодисперсных носителях. При многократном применении биокатализаторов на основе иммобилизованных микроорганизмов возникает необходимость их извлечения из водной фазы, что часто создаёт трудности. В качестве одного из подходов к решению этой проблемы может рассматриваться разработка магнитных биокатализаторов, которые легко извлекаются из водной фазы под действием постоянного магнитного поля. Целью настоящего исследования является изучение процесса удаления пирокатехина из водной среды с применением магнитного биокатализатора. Задачи исследования: 1) выделение культуры микроорганизмов-деструкторов пирокатехина, изучение динамики минерализации пирокатехина

76

выделенной культурой микроорганизмов; 2) получение магнитного носителя для биокатализатора, изучение кинетики и равновесия адсорбции пирокатехина на этом носителе; 3) получение биокатализатора окисления пирокатехина путём физической иммобилизации микроорганизмов-деструкторов на магнитном носителе; 4) изучение процесса минерализации пирокатехина

сприменением магнитного биокатализатора.

Входе исследования из активного ила биологических очистных сооружений ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» выделена культура микроорганизмов-деструкторов пирокатехина. Начато изучение кинетики роста выделенной культуры и динамики биодеградации пирокатехина. Проведён синтез магнитного носителя для биокатализатора, состоящего из частиц активированного

угля и магнетита (Fe3O4). Изучено равновесие адсорбции пирокатехина на данном носителе. Определены параметры уравнения Ленгмюра: константа адсорбционного равновесия K = 7,3·10–3

и величина предельной адсорбции A∞ = 83,3 мг/г. Показано, что кинетика адсорбции пирокатехина на магнитном носителе описывается уравнением псевдовторого порядка.

УДК 579.695

А.Е. Ошева, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

БИОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ 4-НИТРОФЕНОЛА МИКРООРГАНИЗМАМИ, ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ НА КОМПОЗИЦИОННОМ МАГНИТНОМ НОСИТЕЛЕ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Нитроароматические соединения, в частности 4-нитро- фенол (4-НФ), широко используются в производстве фунгицидов, пестицидов, красителей и лекарственных препаратов. Со-

77

держание 4-НФ в водоёмах в соответствии с ПДК не должно превышать 0,02 г/м3, поэтому его поступление в окружающую среду необходимо предотвращать. Для удаления 4-НФ из водной среды может быть использована биодеградация, характеризующаяся низкой стоимостью. Основной проблемой применения биодеградации для удаления 4-НФ является его токсичность для микроорганизмов, что особенно выражено при высоких концентрациях ксенобиотика. Можно предполагать, что в условиях повышенной концентрации 4-НФ эффективность его биодеградации в водной среде может быть повышена за счёт применения иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов. Для удобства многократного применения иммобилизованных микроорганизмов и обеспечения простоты их извлечения из водной фазы после завершения процесса очистки при проведении иммобилизации в качестве носителя могут быть использованы магнитные частицы. Данные об эффективности удаления 4-НФ из водных сред с применением систем, включающих в себя микроорганизмы-деструкторы и магнитный носитель, в литературе отсутствуют, что подтверждает актуальность проведения исследований в данном направлении. В соответствии с этим целью работы является изучение процесса биокаталитического окисления 4-НФ микроорганизмами, иммобилизованными на магнитном носителе. Задачи исследования: 1) выделение культуры микроорганизмов, окисляющих 4-НФ, изучение динамики его биодеградации и кинетики роста микроорганизмовдеструкторов; 2) получение магнитного носителя для иммобилизации микроорганизмов-деструкторов, изучение равновесия и кинетики адсорбции 4-НФ на полученном носителе; 3) получение биокатализатора путем физической иммобилизации мик- роорганизмов-деструкторов на магнитном носителе; 4) изучение кинетических характеристик процесса деструкции 4-НФ под действием биокатализатора; 5) проведение сравнительной оценки процессов удаления 4-НФ из водной фазы путем физической адсорбции, биодеградации свободными и иммобилизованными на магнитном носителе клетками микроорганизмов.

78

В ходе исследования из воды р. Данилиха (г. Пермь) выделена смешанная культура микроорганизмов, использующих 4-НФ в качестве единственного источника углерода и энергии. Путём осаждения магнетита в присутствии частиц активированного угля марки АГ-3 получен композиционных магнитный носитель для иммобилизации микроорганизмов-деструкторов. Определены равновесные и кинетические характеристики физической адсорбции 4-НФ на магнитном носителе. Построена изотерма адсорбции 4-НФ на магнитном носителе, определены параметры уравнения Ленгмюра: величина предельной адсорбции A∞=158,7 мг/г; константа адсорбционного равновесия K = 0,148 л/мг.

Дальнейшие исследования будут направлены на получение биокатализатора путем физической иммобилизации микроорга- низмов-деструкторов на магнитном носителе, а также изучение кинетических характеристик процесса деструкции 4-НФ под действием биокатализатора.

УДК 579.695

И.И. Соколова, Д.А. Казаков, В.В. Вольхин

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТОСЕПАРИРУЕМОГО БИОКАТАЛИЗАТОРА ОКИСЛЕНИЯ ФЕНОЛА

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Содержание фенола в воде в соответствии с ПДК не должно превышать 0,001 мг/л, поэтому его поступление в окружающую среду должно быть максимально снижено. Биологическое разложение фенола затруднено вследствие его токсичности по отношению к микроорганизмам. Эффективность биодеградации токсичных субстратов, в том числе фенола, может быть повы-

79

шена при использовании биокатализаторов на основе иммобилизованных микроорганизмов, отличающихся более высокой стабильностью по сравнению с интактными клетками. Кроме того, биокатализаторы на основе иммобилизованных микроорганизмов могут быть использованы в технологическом процессе многократно. Однако после завершения биодеградации тонкодисперсные частицы биокатализатора необходимо извлекать из водной фазы, что осложняет технологический процесс. Перспективным подходом к решению этой проблемы представляется разработка биокатализаторов с магнитными свойствами, которые могут быть легко удалены из водной фазы с применением магнитного сепарирования. В соответствии с этим целями настоящего исследования являются получение и изучение свойств магнитосепарируемого биокатализатора окисления фенола. Задачи исследования: 1) выделение культуры микроор- ганизмов-деструкторов фенола, изучение динамики биодеградации фенола и кинетики роста выделенной культуры; 2) получение твёрдофазного магнитосепарируемого носителя для биокатализатора, изучение равновесия и кинетики адсорбции фенола на полученном носителе; 3) получение биокатализатора окисления фенола путём иммобилизации микроорганизмов-деструк- торов на магнитосепарируемом носителе, изучение динамики окисления фенола в присутствии биокатализатора; 4) сравнительная оценка процессов удаления фенола из водной среды в ходе физической адсорбции, биодеградации интактными клетками микроорганизмов и окисления в присутствии магнитосепарируемого биокатализатора.

В ходе исследования из проб воды р. Пыж (г. Пермь) выделена культура микроорганизмов-деструкторов фенола. Начаты исследования динамики биодеградации фенола и кинетики роста выделенной культуры. Проведён синтез твёрдофазного магнитосепарируемого тонкодисперсного носителя для биокатализатора, представляющего собой композитные частицы, состоящие из магнетита (Fe3O4) и активированного угля марки АГ-3. Изучены равновесие и кинетика адсорбции фенола на данном

80