ПЕРСПЕКТИВЫ СИНТЕЗА ПОЛИАЛЮМИНИЯХЛОРИДА НА ОСНОВЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается технология получения полиалюминия хлорида как эффективного коагулянта для очистки сточных вод производства. Описаны основные методы синтеза полиалюминия хлорида из различных алюминиесодержащих сырьевых компонентов, включая гидроксид алюминия, оксид алюминия и вторичные отходы нефтегазовой промышленности. Проведён сравнительный анализ физико-химических характеристик, полученных образцов с использованием методов ИК-спектроскопии. Особое внимание уделено оптимизации условий синтеза с целью повышения качества конечного продукта и снижения себестоимости производства. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность полиалюминия хлорида, произведённого из техногенного сырья, что делает технологию перспективной с точки зрения эколого-экономической устойчивости.

ABSTRACT

This article examines the technology for obtaining polyaluminum chloride as an effective coagulant for industrial wastewater treatment. The main methods for synthesizing polyaluminum chloride from various aluminum-containing raw materials, including aluminum hydroxide, aluminum oxide, and secondary waste from the oil and gas industry, are described. A comparative analysis of the physicochemical characteristics of the obtained samples was conducted using IR spectroscopy methods. Special attention is given to optimizing synthesis conditions to improve the quality of the final product and reduce production costs. The obtained results confirm the high efficiency of polyaluminum chloride produced from technogenic raw materials, making this technology promising from the perspective of environmental and economic sustainability.

Ключевые слова: коагулянт, полиалюминия хлорида, отработанный оксид алюминия, сточные воды промышленности, соляная кислота.

Keywords: coagulant, polyaluminum chloride, spent aluminum oxide, industrial wastewater, hydrochloric acid.

Введение

В последние годы в мире ученые отметили, что охрана экологии важна для сохранения здоровья планеты и всех её обитателей, в результате все возрастающего негативного воздействия деятельности человека на окружающую среду увеличивается потребность к принятию мер по снижению или предотвращению загрязнений воздуха, воды и почвы. В мире ведутся научные исследования, направленные на уменьшение экологического ущерба от химической промышленности на природу, все больше уделяется внимание по внедрению более чистых технологий, улучшаются системы переработки отходов и соблюдаются все более строгие экологические стандарты, безотходные технологии помогают сократить негативное влияние на окружающую среду.

Литературный обзор. Ежегодный объём вещества, перемещаемого в результате антропогенной деятельности на поверхности планеты, составляет порядка 4 трлн. тонн. Из общего количества мобилизуемых мировой экономикой ресурсов – около 120 млрд. тонн ископаемого сырья и биомассы в год – лишь около 9 млрд. тонн (примерно 7,5 %) трансформируется в конечную материальную продукцию. При этом основная масса задействованных ресурсов (более 80 %) возвращается в производство [2]. Химические загрязняющие вещества классифицируются в зависимости от источников поступления, области применения и характера воздействия на компоненты окружающей среды. Их разнообразие и количественное множество создают значительные трудности при реализации системного мониторинга и контроля концентраций данных веществ в природных средах [1]. Адсорбция и коагуляция – известные методы удаления красителей из сточных вод. Производство природных адсорбентов и коагулянтов предполагает использование отходов сельскохозяйственной продукции, что делает их экономически эффективными и экологически чистыми [5]. Анионные красители классифицируются как кислотные, прямые и реактивные. Не ионные красители можно разделить на кубовые, дисперсные и сольватные. Катионные красители содержат положительно заряженный ион (катион) и обычно используются в текстильной, бумажной и полиграфической промышленности. Эти красители притягиваются к отрицательно заряженным поверхностям материалов, что позволяет им прочно связываться и создавать яркие и стойкие цвета [6–8; 10]. Адсорбция и коагуляция при очистке сточных вод. Потребность в воде в бытовых и промышленных целях продолжает расти с каждым годом. В настоящее время мир сталкивается с водным кризисом из-за к промышленной глобализации, увеличения жилых и коммерческих зон, а также сельскохозяйственных угодий, что приводит к огромному производству сточных вод. Согласно мировым тенденциям, в странах с высоким уровнем дохода очистка муниципальных и промышленных сточных вод составляет около 70 %, в странах с уровнем дохода выше среднего и ниже среднего проценты снижаются до 38 и 28 % соответственно. Кроме того, в странах с низким уровнем дохода только 8 % подвергаются какой-либо очистке, а более 80 % всех сточных вод сбрасываются без очистки (WWAP (Организация Объединенных Наций Всемирная программа оценки водных ресурсов. Очистка сточных вод является важнейшим фактором в промышленных процессах, поскольку сточные воды, содержащие опасные загрязняющие вещества, оказывают негативное воздействие на все элементы окружающей среды, такие как воздух, почва и вода [3; 4; 10]. Полиалюминий хлорид является эффективным коагулянтом, используемым в процессах очистки воды. Он помогает удалять взвешенные частицы и загрязняющие вещества из воды, что делает его ценным компонентом в водоочистных технологиях [9; 12].

Методология исследования

Для получения коагулянта полиалюминия хлорида, в реактор загружают оксид алюминия – отход нефтегазовой промышленности и 50 %-ный водный раствор гидроксида натрия в молярном соотношении к оксиду алюминия. Затем температуру в реакторе повышают до 180⁰С и реакцию поддерживают при этой температуре до 3 часов. Затем реакционную смесь охлаждают и разбавляют водой. Разбавленную реакционную смесь нейтрализуют (осаждают) в присутствии разбавленных кислот соляной. Полученный осадок несколько раз промывают и сушат. Полученный гидроксид алюминия можно подвергнуть реакции с соответствующими разбавленными кислотами для получения желаемой соли (сульфата алюминия или полихлорида алюминия). Необходимо использовать концентрированный раствор NaOH, чтобы ускорить реакцию. Обычно раствор NaOH используется в соотношении 2:1 или 3:1 по отношению к Al₂O₃. После реакции образуется натрий алюминат в виде раствора, который может быть использован в различных химических процессах, таких как получение алюминия хлорида или для очистки воды. Раствор натрия алюмината используется в качестве основного компонента для получения полиалюминия хлорида и сульфата алюминия, что является важным этапом в производстве коагулянта. Использование натрия алюмината с примесями хлора в качестве коагулянта для очистки воды является эффективным методом, который позволяет удалять загрязнители и улучшать качество воды. Процесс включает в себя растворение адсорбента, добавление хлора и коагуляцию с образованием флокул, которые затем удаляются через осаждение и фильтрацию. Соблюдение оптимальных температурных и концентрационных условий важно для достижения наилучших результатов в очистке воды.

Результаты и их обсуждение. Результаты ИК исследования сырья и полученных образцов коагулянтов. Спектр ИК-Фурье (FTIR) спектроскопии для оксида алюминия (Al₂O₃), снятый с использованием прибора Shimadzu бы сделан для подтверждения состава и структуры полученных образцов Al₂O₃, а также для анализа возможных примесей. Исследование проведено в режиме интенсивности % пропускания (% Transmittance), Happ-Genzel (фильтр для обработки спектра), пятикратное число сканирования с разрешением 4 см⁻¹.

Рисунок 1. ИК исходного сырья, отработанного оксида алюминия

По оси X отложены волновые числа (см⁻¹), а по оси Y – процент пропускания. Основные пики: 1579.70 см⁻¹, 1489.95 см⁻¹, 1315.45 см⁻¹ – возможны колебания примесей или дефектов в структуре Al₂O₃, 1066.64 см⁻¹ – возможно, связаны с колебаниями Al-O, 673.15 см⁻¹, 645.16 см⁻¹, 629.45 см⁻¹, 594.93 см⁻¹, 518.85 см⁻¹ – характерные пики для Al₂O₃, относящиеся к колебаниям Al-O. Этот спектр подтверждает состав и структуры Al₂O₃, а также возможные примеси.

Этот ИК- спектр принадлежит соединению полихлорида алюминия, записанному с использованием спектрометра Shimadzu. Данный спектр демонстрирует основные характеристики вибрационных мод хлорида алюминия и возможных примесей. Основные полосы поглощения (в см⁻¹): 2997.38 см⁻¹ – возможно, связано с колебаниями примесных органических соединений (C-H растяжения), 2445.2 см⁻¹ – возможно, проявление обертонных или комбинационных соединений, 1633.71 см⁻¹ – вероятно, деформационные колебания молекулы воды (H-O-H). Это указывает на присутствие влаги в образце, 1128.36 см⁻¹ – возможно, связано с колебаниями Al-Cl, 825.53 см⁻¹ – характеристическая полоса хлорида алюминия, 624.94 см⁻¹, 597.53 см⁻¹, 513.57 см⁻¹ – соответствуют колебаниям Al-Cl в различных структурных модификациях.

Рисунок 2. Ик-спектр синтезированного полиалюминия хлорида

ИК-спектр полихлорида алюминия подтверждает его полимерную природу, сочетая колебания Al-Cl, Al-OH и Al-O. Основные отличия полиалюминия хлорида от Al₂O₃, в спектре – наличие интенсивных полос O-H (3400 см⁻¹-2997.38 см⁻¹) и H-O-H (1633-1650см⁻¹), свидетельствующих о гидролизе. Ослабление и расширение полос Al-Cl, что указывает на образование полимерных структур. 1100–1000 см⁻¹ – растяжения Al-OH, характерные для гидролизованных алюминиевых комплексов, 850–600 см⁻¹ – растяжения Al-Cl, определяющие основные связи в полиалюминия хлорида, 500–400 см⁻¹ – колебания Al-O, характерные для оксидных форм алюминия.

Таблица

Очистка сточных вод с использованием полихлорида алюминий на основе отхода производства

Проба № 1 – Исходная сточная вода (до очистки). Это исходный состав воды, поступающей в систему очистки, рН – 7,1, что соответствует нейтральной среде, содержание нефтепродуктов – 280 мг/л, что в 11 раз превышает норму, взвешенные вещества – 56,5 мг/л, что выше допустимого предела, минерализация – 1533 мг/л, что указывает на высокое содержание растворённых солей, растворённый кислород – 0,55 мг/л, что крайне мало, азот аммония – 2,2 мг/л

Проба № 2 – Очистка с ПАА и AlCl₃ (хлорид алюминия)

В этой пробе сточная вода была обработана коагулянтом, что привело к некоторым изменениям в составе; рН – снизился до 6,3, что означает увеличение кислотности воды, содержание нефтепродуктов – уменьшилось с 280 до 278 мг/л, но остаётся в 11 раз выше норматива, взвешенные вещества – сократились с 56,5 до 34,8 мг/л, что уже ближе к нормативу, минерализация – выросла до 1575 мг/л, что может быть связано с введением коагулянта, растворённый кислород – немного повысился до 0,70 мг/л, но всё ещё крайне низкий, азот аммония – остался неизменным на уровне 2,2 мг/л.

Выводы

Полихлорид алюминия синтезирован на основе местного сырья. Изучены оптимальные условия проведения реакции. Синтезированный полихлорид алюминия исследован методом ИК-спектрального анализа. Полихлорид алюминия, синтезированный из местного сырья, прошел испытания для использования в очистке промышленных сточных вод, в результате анализа выявлено, что взвешенные вещества – сократились с 56,5 до 34,8 мг/л, что уже подходит к нормативным параметрам по требованиям к взвешенным веществам используемых вод в производстве. Полученные образцы полиалюминия хлорида обладают удовлетворительными физико-химическими характеристиками: высокая растворимость, стабильный уровень основности, хорошие показатели по содержанию активного алюминия, а также соответствие по требованиям к коагулянтам, применяемым в водоочистке сточных вод производства по взвешенным веществам.

Список литературы:

1. Батян А., Фрумин Г., Базылев В. Основы общей и экологической токсикологии: учеб. пособие. – Санкт-Петербург: «СпецЛит», 2009. – 352 с.
2. Радкевич М.В., Шипилова К.Б. Управление отходами: учеб. пособие для магистров. – Ташкент, 2004. – 327 с.
3. Abdelbasir S.M., Shalan A.E. An overview of nanomaterials for industrial wastewater treat ment // Korean Journal of Chemical Engineering. – 2019. – Vol. 36(8): – Pp. 1209–1225.
4. Abdi J., Vossoughi M., Mahmoodi N.M., Alemzadeh I. Synthesis of metal-organic framework hybrid nanocomposites based on GO and CNT with high adsorption capacity for dye removal // Chemical Engineering Journal. – 2017. – Vol. 326. – Pp. 1145–1158. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.054.
5. Ahmed A. E., Majewska-Nowak K. Removal of reactive dye from aqueous solutions using banana peel and sugarcane bagasse as biosorbents // Environment Protection Engineering. – 2020. – № 46. – Pp. 121–135. https://doi.org/10. 37190/epe200308 30.
6. Chairunnisa L.Y. Preliminary studies of cassava leaves’ ability to remove dyes from water // Journal of Mathematical and Fundamental Sciences. – 2020. – Vol. 52. – Pp. 66–80. https://doi.org/10.5614/j.math.fund.sci.2020.52.1.5
7. Chandarana H., Suganya S., Madhava A.K. (2020). Surface functionalized Casuarina equisetifolia pine powder for the removal of hetero-polyaromatic dye: Characteristics and adsorption // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. – 2020. – № 0306-7319. Pp. 1-15 https://doi.org/10. 1080/03067319.2020.1798418
8. Chethana M., Sorokhaibam L.G., Bhandari V.M. (2016). Green approach to dye wastewater treatment using biocoagulants // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2016. – Vol. 4. – Pp. 2495–2507. https://doi.org/10.1021/acssuschem eng.5b01553
9. Chowdhury A. R. P. D. Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater Treatment // Journal of Water Chemistry and Technology. – 2005. – Vol. 35. – Pp. 162–167.
10. Dai L., Zhu W., He L. Calcium-rich biochar from crab shell: An unexpected super adsorbent for dye removal // Bioresource Technology. – 2018. – Vol. 267. – Pp. 510–516. https:// doi.org/10.1016/j.biortech.2018.07.090
11. Hadid Sukmana.Adsorption and coagulation in wastewater treatment – Review // Progress in Agricultural Engineering Sciences. – 2021. – Vol.17 (1). – Pp. 49–68. DOI: 10.1556/446.2021.00029
12. Ochs J.S. Water Treatment Coagulants: Aluminum-based Chemicals // Environmental Science & Technology. – 2011. – Vol. 45 (no. 7). – Pp. 1280–1285.