Выбор модельных растворов для исследования и методики определения их в водных растворах
В качестве модельных веществ для исследования были выбраны органические вещества, отличающиеся молекулярной массой, размером молекул, полярностью и являющиеся типичными примесями сточных и природных вод: краситель – метиленовый голубой, фенол, гуминовые соединения, гуматы металлов (железа (III), меди (II)).
Выбор в качестве модельного вещества метиленового голубого обусловлен тем, что он является устойчивым интенсивным красителем катионного типа трудно окисляемого биологическими методами. Кроме того, он широко используется для определения сорбционной активности пористых материалов (активных углей, силико- и алюмогелей). Его физико-химические характеристики и поведение в водных растворах достаточно хорошо изучены [8]. В растворах краситель образует агрегаты, состоящие из димеров. При адсорбции и фильтровании его молекулы ориентируются параллельно поверхности пористого материала и образуют монослои. Площадь, занятая одной молекулой метиленового голубого при плоской ориентации составляет 1,2 нм2, диаметр молекулы 1,26 нм.
Для определения метиленового голубого используют колориметрический метод. Готовят растворы с концентрацией 6.25, 12.5, 25, 50, 100 мг/л, затем определяют их оптическую плотность. По полученным данным строят калибровочный график (рис. 2.1), с его помощью определяют концентрацию исследуемого раствора.
Калибровочный график на метиленовый голубой
= 400 нм, кювета 10
Рис.2.1. Зависимость оптической плотности от концентрации раствора
Фенол является типичной примесью сточных вод нефтехимической промышленности, коксовых заводов. Фильтрационные воды полигонов ТБО также содержат фенолы, которые образуются в процессах биохимической деструкции полимерных материалов, целлюлозы, синтетических волокон. Размер площадки, занимаемой молекулой фенола при плоской ориентации к фильтрующей поверхности составляет – 0,32 нм2 , ван-дер- ваальсовский размер молекулы – 0,63 нм .
Содержание фенола определяют методом перманганатной окисляемости. В анализируемую воду добавляют раствор серной кислоты и перманганата калия, затем кипятят 5 минут, вводят 0,1Н раствор щавелевой кислоты до обесцвечивания и титруют перманганатом калия до розовой окраски. По объему, пошедшему на титрование, определяют окисляемость и содержание фенола [].
Основная причина ухудшения органолептических свойств воды поверхностных водоисточников – ее органический состав, формирующийся при участии почвенного и торфяного гумуса, планктона, высшей водной растительности, продуктов жизнедеятельности и распада растительных и животных организмов водных бассейнов, а также органических веществ, вносимых в воду в связи с развитием промышленности и сельского хозяйства.
Чаще других органических веществ в природных водах находятся гумусовые соединения, фенолы, углеводороды, реже встречаются спирты, сложные и простые эфиры, альдегиды и кетоны.
Присутствие в воде этих соединений обусловливает высокую цветность, запах воды, повышенную вспениваемость и может оказывать отрицательное действие на организм человека.
Кроме того, как уже отмечалось, гуминовые соединения и гуматы тяжелых металлов являются одной из трудноокисляемых примесей фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО.
Гумусовые вещества представляют собой комплекс органических веществ – продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Источником ароматических соединений могут быть структурные единицы, освобождающиеся при распаде лигнина и дубильных веществ, и полифенолы, являющиеся продуктами жизнедеятельности и обмена веществ микроорганизмов. Источником азотсодержащих соединений – протоплазма микроорганизмов, участвующих в процессах распада и синтеза органических соединений.
Почвенные гумусовые вещества – это специфические высокомолекулярные, полифункциональные, азотсодержащие соединения циклического строения и кислотного характера.
Гуминовыми кислотами называют соединения, вымываемые из почвы щелочами, фосфорнокислым, щавелевокислым или фтористым натрием и другими растворителями и осаждаемые из полученных растворов минеральными кислотами в виде темно-коричневого осадка.
В настоящее время известно несколько эмпирических формул гуминовых кислот:
C60H52O24(COOH), м. в. 1336;
С64Н41О4(СООН)4ОСН2ОН, м. в. 1278;
С69Н58О38, м. в. 1440;
С59Н41О17(СООН)4(ОН)3СН3О, м. в. 1282.
Молекулярный вес гуминовых кислот, по данным различных исследований, колеблется в широких пределах – от 290 – 350 до 30 – 50 тыс. В водных растворах они образуют ассоциаты молекул (мицеллы), которые трудно удаляются традиционными методами очистки: биохимические, фильтрация на АУ и др. Авторы [10] определили мицеллярную массу гуминовых кислот равной 3700-8200 г/моль.
Кроме того, гуминовые и фульвокислоты образуют прочные комплексы с ионами тяжелых металлов (меди (II),кадмия (II), железа (II) и (III), никеля (II) и др.)[9]. Крупные комплексные ионы металлов также практически не извлекаются ионообменными полимерными смолами и микропористыми неорганическими ионообменными материалами (цеолиты, силикагели, алюмогели).
Разработка эффективных методов очистки природных вод от гуматов металлов и гумусовых веществ является весьма трудной и актуальной задачей. Одним из перспективных методов их очистки является ультрафильтрационный.
В исследовании использовали водные растворы выбранных веществ с концентрацией 25-50 мг/л, при изучении очистки от гуминовых соединений варьировали цветность и содержание ионов металла.
Для определения цветности был использован метод визуального сравнения со стандартными растворами, содержащими бихромат калия и соль кобальта. Смешением раствора бихромата калия и сульфата кобальта с дистиллированной водой в определенных соотношениях получают шкалу цветности в градусах цветности, с которой проводят сравнение анализируемой воды[].
Для определения железа (III) использовался титрометрический метод. Он основан на свойстве сульфосалициловой кислоты образовывать с солями железа (III) окрашенные комплексные соединения[].