Авг 30 2001

Математичне моделювання процес1в очистки природних вод вІд органІчних токсикантІв

Математичне моделювання процес1в очистки природних вод вІд органІчних токсикантІв

Н.Г. Кобилінська, В.С. Судавцова, Г.І. Кудін

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ

Покращення водозабезпечення – одна з головних проблем людства. З кожним роком зростає використання води в сільському господарстві, на комунально-побутові потреби. Разом з тим, збільшується забруднення природних вод промисловими стоками і іншими відходами. Тому зрозуміло, що дуже важливе значення має розробка ефективних методів очищення природної і стічної води.

Традиційні методи очищення води, такі як біологічні, хімічні, сорбіційні, електрохімічні та інші, часто є малоефективними. Велика концентрація органічних речовин і наявність дуже токсичних сполук не дозволяє застосовувати традиційні методи очищення. Для очищення води від забрудників органічного походження найбільше підходять окислювальні технології. Як окисники використовують хлор, хлороване вапно, озон, пероксид водню. Тому для удосконалення окислювальних технологій очищення води необхідне детальне вивчення кінетики реакцій, які лежать в їх основі.

Оскільки при очистці води від забруднюючих органічних речовин протікають складні процеси, то їх доцільно змоделювати, щоб прослідкувати вплив ряду факторів на час, за який концентрація вихідних речовин зменшується до ГДК.

Записавши основний постулат хімічної кінетики для кожної з речовин, які приймають участь в реакціях при очистці води пероксидом водню або озоном, ми одержуємо систему диференційних рівнянь, яку розв\’язуємо методом Рунге-Кутта. Константи швидкостей реакції з участю пероксиду водню ми визначали самостійно, а для озону використовували найбільш достовірні літературні дані.

Аналізуючи літературні i власні дані, можна запропонувати такий механізм окислення органічних речовин в присутності Fe2+:

1. Fe2+ + H2O2 = Fe3+ +HO- + HO·

2. Fe3+ + H2O2 = Fe3+ +H+ + HO·

3. C6H4COH + HO· = C6H5OH + Н2O

4. C6H4COH· + HO· = C6H4COH(OH)

5. CH3COH + HO· = CH3CO· + H2O

6. CH3CO· + HO· = CH3COOH

7. C6H6 + HO· = C6H5· + H2O

8. C6H5· + HO· = C6H5OH

Ясно, що реакція окислення органічних речовин пероксидом водню в присутності каталізатору Fe2+ має радикально-ланцюговий механізм, який зумовлює їх високу швидкість. Щоб розробити модель очищення природних вод за допомогою H2О2 необхідно мати константи швидкостей розкладу пероксиду водню в присутності різних каталізаторів, які знаходяться в одній фазі з реагентами. Процес розкладу пероксиду водню в гомогенно-каталітичних реакціях вивчали при 290 К газометричним методом, розміщуючи реакційну посудину в термостат. По кількості виділеного кисню в процесі реакції розрахували константи швидкостей. Нижче, для прикладу, приведені результати досліджень розкладу пероксиду водню в присутності 0,0082 M каталізатора Fe2+.

Також нами було встановлено, що цей процес відбувається при наявності органічних речовин i каталізаторів.

t, °С

135

302

82

663

726

965

1265

1440

1503

3605

VО2, см3

0,45

0,67

0,85

0,9

1,25

1,4

1,65

1,8

1,9

6,05

Таблиця 1. Константи розкладу Н202 при 290 К.

Каталізатор.

Скатал

К сек-1

Fe+3

0,0003

0,008

Fe+2

0,0003

0,0025

Cu+2

0,0003

0,0018

Видно, що при наявності каталізатора та органічної сполуки процес розкладу продовжується з досить великою швидкістю. В табл. 1 приведені встановлені нами ефективні константи розкладу H2О2 при наявності різних каталізаторів. Hi результати узгоджуються з відомими літературними даними.

Враховуючи складність процесів, які протікають в навколишньому середовищі, дуже перспективними в наш час є розробка моделей очищення природних вод від органічних забруднювачів. Ми провели роботу по складанню моделей очищення природних водойм в присутності каталізатору Fe2+, так як для таких реакційних сумішей відомі константи швидкостей реакцій.

Використовуючи метод квазстаціонарних станів була складена система диференційних рівнянь, кожне з яких враховувало зменшення концентрації визначеного реагенту в часі, а також константи швидкостей реакцій:

де С1 - С12 – початкові концентрації H2О2, кисню, ацетальдегіду, оцтової кислоти, фенолу, гідрохінонону, толуолу, бензойної кислоти, бенз-, метагідроксибензальдегіду, відповідно; K1-K7 - константи швидкостей реакцій, приведених нижче:

1. H2O + 1/2O2 H2O2

2. H2O2 H2O + 1/2O2

3. H2O2 H2O + 1/2O2

4. CH3COH + H2O2 = CH3COOH + H2O

5. C6H5OH + H2O2 = C6H4(OH)2 + H2O

6. C6H5CH3 + H2O2 = C6H5COOH + H2O

7. C6H5COH + H2O2 = C6H4(OH)COH + H2O

Задаючи початкові концентрації всіх реагуючих речовин i константи швидкостей реакцій, ми одержимо зміну вмісту сполук багатокомпонентної системи в часі (мал. 1).

Мал. 1.Залежність концентрацій органічних речовин від часу їх окислення пероксидом водню, де 1 – H2О2, 2 – ацетальдегід, 3 – фенол, 4 – гідрохінонону, 5 – толуолу, 6 – бензойної кислоти, 7,8 – бенз-, метагідроксибензальдегіду.

Встановили, що концентрації всіх речовин суттєво зменшуються i основні з них досягають постійного значення через 60 хв. Тому, можна рахувати, що пероксид водню є ефективним окислювачем для ряду органічних речовин.

Останнім часом в процесах оксидації органічних сполук в стічних та природних водах використовують озон [1,2]. Використовуючи константи швидкостей реакцій озонування органічних речовин , ми розробили динамічну математичну модель, з допомогою якої розрахували зміну концентрацій останніх в часі (мал. 2).

Мал. 2.Залежність концентрацій органічних речовин від часу їх окислення озоном, де 1 – H2О2, 2 – ацетальдегід, 3 – фенол, 4 – гідрохінонону, 5 – толуолу, 6 – бензойної кислоти, 7,8 – бенз-, метагідроксибензальдегіду.

Ясно, що i в цьому випадку не всі речовини ефективно знешкоджуються озоном. Це викликало необхідність створити нову модель, з допомогою якої можна було б прогнозувати знешкодження органічних речовин з допомогою пероксиду i озону одночасно. Результати розрахунків за цією моделлю приведені на мал.3, що узгоджується з експериментальними результатами, наведеними в [3].

Мал. 3.Залежність концентрацій органічних речовин від часу їх окислення пероксидом водню та озоном, де 1 – H2О2, 2 – ацетальдегід, 3 – фенол, 4 – гідрохінонону, 5 – толуолу, 6 – бензойної кислоти, 7,8 – бенз-, метагідроксибензальдегіду.

Таким чином, моделювання процесів очистки природних вод від органічних домішок дозволяє прослідкувати як змінюється концентрація всіх реагентів багатокомпонентної екосистеми.

Використання окиснювальних технологій дозволить підвищити якість води для споживання.

Література

1. Разумовский С.Д., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями.-М.:Наука, 1974.-322 с.

2. Рудяк С.С., Соложенко Е. Г., Соболева Н. М., Гончарук В. В., Деструкция пиклорама под действием озона и пероксида водорода//Хим. и техн. воды.- 1987.- 9,№ 5.

3. Гончарук В. В., Вакуленко В.Ф., Самсони-Тоборо А.О. и др. Фотоокисление пестицидов озоном и пероксидом водорода при водоподготовке//Хим. и техн. воды.- 1995.- т. 17, № 4, с. 397-410.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.