УДК 542.61:543.2
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИЦЕЛЛЯРНО-ЭКСТРАКЦИОННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ И ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
О. Л. СУВЕРНЕВА, канд. хим. наук, доцент
Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет ул. 2-я Красноармейская, 4, г. Санкт-Петербург, 190005, Россия
В статье обсуждается проблема извлечения токсичных микрокомпонентов из водных сред сложного состава. Показана универсальность применения мицеллярно-экстракционного метода для извлечения токсичных микропримесей с целью химического анализа и эффективной очистки водных объектов.
Ключевые слова: микрокомпоненты, водные объекты, мицеллярно-экстракционное извлечение, химический анализ, эффективная очистка.
Природная пресная вода является важнейшим биохимическим и промышленным ресур -сом нашей планеты. Задача сохранения гидросферы в экологически-безопасном состоянии имеет глобальные масштабы. Состав природной воды довольно сложен и многообразен. Естественное протекание геохимических и биохимических процессов нарушается в присутствии техногенных загрязнений. Для использования воды, имеющей различные качественные показатели, разработаны специальные ГОСТы, в которых приведены требования потребителей к содержанию в воде тех или иных компонентов [1].
Развитие новых промышленных технологий приводит к ежегодному росту наименований загрязняющих веществ гидросферы. Наибольшую опасность представляют вещества с низкими значениями предельно допустимых концентраций (ПДК). Вещества и элементы, содержание которых в природных и сточных водах измеряется в мкг/дм3, называются микроэлементами. К микроэлементам относятся типичные катионы: Li+, Rb+, Sr2+, Ba2+, ^2+, №2+, Ag+, Au+, Pb2+, 1^2+, ^2+, Cd2+ ; типичные анионы: Br , I , F ; радиоактивные элементы (уран, торий) и многие другие неорганические и органические загрязняющие вещества. Природные и сточные воды содержат микрокомпоненты в самых разнообразных формах. Это взвешенные вещества, растворенные недиссо-циированные молекулы, комплексные соединения с гуминовыми и другими органическими кислотами, в ионной форме. Микроэлементы входят в состав соединений, обладающих специфическими функциями (ферментов, витаминов, гормонов) [2].
Использование природной и сточной воды для питьевого, культурно-бытового и других видов водопользования неизбежно приводит к
развитию новых методов и методик химического анализа гидросферы. Не менее важной задачей является совершенствование технологий очистки сточных вод.
В настоящее время для анализа водных объектов широко применяются методы с высоким порогом обнаружения элементов (ПрО): атом-но-абсорбционная спектроскопия (ААС), атом-но-эмиссионная спектроскопия (АЭС), высокоэффективная жидкостная хроматогра-фия(ВЭЖХ), термическая линзовая спектроскопия (ТЛС), индуктивно-связанная плазма (ИПС), флуоресцентный анализ (ФЛ), капиллярный электрофорез(КЭ), спектрофотометрия (СФ) [3].
При выборе метода анализа объектов гидросферы важными критериями являются: высокий ПрО, универсальность, т.е. возможность определения группы количественных характеристик в одном образце, экспрессность, наличие аттестованным методик, простота аппаратурного оформления. Перечисленным требованиям удовлетворяет, например, потенциомет-рический метод анализа. Метод основан на измерении электродвижущей силы электрохимической цепи, для которой потенциал электрода близок к равновесному значению [4].
Если концентрации определяемых веществ ниже ПрО и совместное определение компонентов раствора невозможно, необходимо предварительное концентрирование и разделение микрокомпонентов. Наиболее универсальным и распространенным методом разделения и концентрирования в химическом анализе жидких сред является метод экстракции органическими растворителями [3,5].
Метод экстракции основан на распределении определяемого вещества между водной (I) и органической (II) фазами при условии химического равновесия. Коэффициент распределе-
ния (Б) вещества «А» в обеих фазах характеризует отношение равновесных концентраций:
Л = ^ сг
(1)
где С и Сц - концентрации вещества «А» в водной и в органической фазах соответственно.
Количественными характеристиками процессов концентрирования являются степень извлечения (Я) и коэффициентов концентрирования (8) [3,5].
Степень извлечения (Я) показывает эффективность извлечения вещества «А» из одной фазы в другую:
Яш
Я =
(2)
Я + ЯП
где 0! и Он - количество вещества «А» в первой и во второй фазах соответственно.
Коэффициент концентрирования (8) дает информацию об относительном изменение концентрации вещества «А» в результате перехода в органическую фазу:
ч/Я
Б = -
(3)
Япроба
где q и qIIPOба - содержание микрокомпонентов в концентрате и пробе, О и Опроба - содержание макрокомпонентов в концентрате и пробе соответственно.
При однократной экстракции вещества в органический растворитель степень извлечения (Я)) составляет 30-70% в зависимости от природы отделяемого вещества и природы органического растворителя. Полное извлечение (близкое к 100%) достигается многократным повторением процедуры экстракции [3, 5].
Дополнительные возможности экстракции реализуются в новом методе концентрирования - мицеллярной экстракции микрокомпонентов фазами неионогенных поверхностно-активных веществ (НПАВ) при температуре помутнения (Тп) [6]. Мицеллярно-экстракционное концентрирование основано на явлении фазового расслоения в водных растворах полиоксиэтилиро-ванных НПАВ при температуре помутнения. НПАВ на основе оксида этилена растворяются в воде вследствие образования водородных связей между атомами кислорода полиоксиэтиле-новой цепи и молекулами воды. При этом атомы водорода воды взаимодействуют со свободной парой электронов эфирного атома кислорода. Водные растворы оксиэтилированных НПВА при нагревании до некоторой критической температуры (Тп) проявляют обратимый фазовый переход, который определяется по помутнению раствора. Точки помутнения обна-
руживают водные растворы оксиэтилирован-ных спиртов, алкидфенолов, полигликолевых эфиров высщих карбоновых кислот, блок-сополимеров оксида этилена и оксида пропилена (бутилена) и других алкоксилатов. Обратимое помутнение при нагреваниии обнаруживают также растворы некоторых полимеров (по-липропиленгликоля, метилцеллюлозы, частично гидролизованного поливинилацетата). Во-дорастворимость НПВА связана с гидрофиль-но-липофильным баллансом и обусловлена гидратацией оксиэтиленовой цепи. При нагревании раствора происходит разрыв водородных связей между кислородными атомами цепи и молекулами окружающей воды. Дегидратация оксиэтиленовых цепей НПВА вблизи точки помутнения ведет к слиянию мелких мицелл в более крупные. При температуре помутнения начинается выделение эмульсионной мицел-лярной фазы, которая представляет собой жидкий концентрат. Возможность разделения фаз обусловлена различием плотностей мицелляр-ной и водной фаз.
Мицеллярная фаза НПВА образует устойчивые соединения с микрокомпонентами анализируемой (очищаемой) воды и извлекает последние из водного раствора. Вследствие своей дифильности фаза НПВА способна извлекать гидрофильные и гидрофобные субстраты, в том числе заряженные частицы. Перспективность мицеллярно-экстракционного концентрирования обусловлена достижением высоких степеней извлечения (Я = (80-99)%) для органических веществ и высоких коэффициентов концентрирования (8 = (40-250)) для ионов металлов. Установлено, что ионы металлов извлекаются в мицеллярную фазу в форме комплексных соединений с органическими лигандами: 1-(2-Тиазолилазо)-2-нафтол, 2-(5-Бромо-2-
пиридилазо)-5 -диэтиламинофенол, пирроли-динкарбодитионат аммония и др. [6]. Таким образом, при соответствующем выборе органического лиганда и НПВА для мицеллярной экстракции, возможно универсальное и эффективное извлечение микропримесей органических и неорганических веществ, в том числе ионов металлов, из водной среды в мицеллярную фазу сложного состава.
Мицеллярная органическая фаза может быть отделена от водной фазы при отстаивании, центрифугировании, методом сорбции на поверхности твердых сорбентов. Для эффективного разделения водной и органической фаз можно предварительно использовать коагулянты. Например, для очистки сточных вод промышленных предприятий в качестве коагулянтов используют сульфат алюминия, сульфат
железа(Ш) и смеси этих солей [7]. Для эффективного отделения мелкодисперсной фазы от промливневых стоков авторы работы [7] предлагают использовать коагулянт «Аква-Аура-30», полученный на основе кристаллического полиоксихлорила алюминия. Показано, что эффективность очистки промышленных вод от
некоторых органических соединений достигает 50-70% на стадии коагуляции.
Таким образом, применение мицеллярно-экстракционного концентрирования в сочетании с коагуляцией и сорбцией представляется весьма перспективным и универсальным методом эффективного извлечения загрязняющих микропримесей из водных объектов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусева Т.В., Молчанова Я.П., Заика Е.А., Виниченко В.Н., Аверочкин Е.М. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды. Справочные материалы. Ч.1.Экологическое нормирование. [Эколайн]. 1999. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ecolife.org.ua/data/tdata/td 41.рИр. (дата обращения: 12.09.09).
2. Рублева И.М., Кострова Ю.М., Ефимова Г.А. Основные понятия и термины гидрохимии. Химический анализ природных вод: учебное пособие. Яросл. гос. ун-т. - Ярославль, 1998. - 67с.
3. Отто. М. Современные методы аналитической химии. Перевод с нем. под ред./ А.В.Гармаша.-М.: Техносфера, 2006.-544с.
4. Сувернева О.Л. Потенциометрический метод в анализе природной и сточной воды //Доклады 63-й НК профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ. Ч.1. - 2006. - С. 193 - 195.
5. Москвин Л.Н., Царицина Л.Г. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии.-Л.:Химия, 1991.-256 с.
6. Кущевская Н.Ф., Горбачевский А.Н., Дорощук В.А., Куличенко С.А. Мицеллярно-экстракционное концентрирование микрокомпонентов фазами неионогенных ПАВ при температуре помутнения // Химия и технология воды.-2008.- Т.30
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.