Разработка и исследование свойств ионитов для очистки промышленных сточных вод

Идея ноосферы, ответственности человека за судьбу биосферы, а, следовательно, и за будущее человечества, сформулированная нашим соотечественником В. И. Вернадским, родилась в качестве альтернативы воззрению на мир как на безграничную кладовую ресурсов[1].

Сегодня нет острой необходимости доказывать, что принцип потребительства, точнее, условия природно-материальной жизни общества, послужившие его основанием, по существу уже исчерпаны. Изменения в биосфере, являющиеся результатом активной человеческой деятельности в нынешнем столетии (повышение температуры поверхности Земли, глобальное загрязнение воды, воздуха и почвы, опустынивание планеты, загрязнение Мирового океана, разрушение озонного слоя), известны сейчас каждому человеку. Поэтому современные концепции природопользования должны базироваться на принципах гармоничной оптимизаций условий взаимодействия человека с природой.

Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека - по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны [2].

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса:

• •    перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это - физическое испарение;

• •    транспирация - биологическое испарение воды растениями, но не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

• •    инфильтрация - просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в  ней

коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

• •    сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Роль воды во всех жизненных процессах общепризнанна. Без воды человек может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Растения содержат 90% воды.

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Буквально все производства требуют только пресную воду. Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете; 85% -морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды; 22,4% - грунтовые воды; 0,35% - атмосфера; 5,05% - устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать, приходится всего 10 '² % всей пресной воды на Земле [3].

Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания, которые распадаются на различные ионы. Количество минеральных солей в водах постоянно растет.Основная причина засоленности вод - чрезмерное испарение воды. Громаден объем сброса дренажных вод .

Водоемы, в частности, пруды -представляют собой сложную экологическую систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели экосистемы.

Самым важным условием, необходимым для того, чтобы биохимические процессы в водоеме протекали правильно и обеспечивали самоочищение воды, является наличие в ней растворенного кислорода. Если кислорода недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, создающих вторичные загрязнения водоема. Основными примесями, оказывающими губительное воздействие популяций водных организмов являются ионы различных тяжелых и токсичных металлов, которые содержаться в большом количестве в составе промышленных сточных вод нефтегазовой промышленности [4].

По уровню отрицательного воздействия на окружающую природную среду нефтедобывающее и нефтеперерабатывающее производство занимает одно из первых мест среди отраслей промышленности, и это обусловлено теми особенностями, что это производство загрязняет практически все сферы окружающей среды - атмосферу, гидросферу и литосферу. Для решения этой проблемы нами на протяжений многих лет проводятся большие исследования по разработке эффективных химических реагентов, флокулянтов, коагулянтов и ионитов для очистки промышленных сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий. При этом особое внимание необходимо уделять к селективности разрабатываемых ионитов.

Для объяснения селективности ионного обмена, как и многих других явлений, можно использовать самые различные подходы. Эмпирический подход состоит в накоплении достаточного количества фактов с последующим их обобщением. Эти обобщения в ряде случаев позволяют объяснить даже такие явления, которые сами по себе весьма трудны для понимания. В противоположность этому теоретический подход характеризуется стремлением объяснять факты исходя исключительно из свойств основных частиц (атомов, ионов и т. п.), в отношении которых достоверно или предположительно известно, что они участвуют в данном явлении. На практике, конечно, оба подхода обычно сочетаются и все попытки истолкования явлений ионообменной селективности, которые были когда-либо предложены, включают в себя в той или иной степени как эмпирические, так и теоретические элементы.

Теория Грегори [5] дает весьма наглядное качественное объяснение свойств ионита, связанных с явлениями набухания. Что же касается селективности, то для истолкования соответствующих явлений в теории Грегори главным образом используются представления об объемах гидратированных ионов. Несколько иная теория была предложена нами [6]. Е.Ергожин с сотрудниками произвели тщательную оценку влияния различных факторов на степень набухания ионообменных смол. Их основное допущение состоит в том, что некоторые противоионы «связаны» с фиксированными группами ионита, причем этот процесс подчиняется закону действия масс и константы, отвечающие закону действия масс различны для каждого из двух противоионов. Равновесие набухания в соответствии с теорией Гарриса и Райса определяется, с одной стороны, взаимным электростатическим отталкиванием тех фиксированных групп, которые не связаны с противоионами, и, с другой стороны, конфигурационной энтропией полимерной сетки.

На основе этих представлений мы вычислили степень набухания ионообменных смол полученных на основе четвертичных фосфониевых солей с дивинильными мономерами в воде и водных растворах.