Токсичность фенольных растворов после обработки пероксидом водорода в присутствии Fе-монтмориллонита

Одной из актуальных проблем охраны окружающей среды является обезвреживание сточных вод (СВ) от растворенных органических загрязнителей, в частности фенола, который является высокотоксичным соединением, оказывающим крайне неблагоприятное воздействие на живые организмы не только своей токсичностью, но и значительным изменением режима биогенных элементов и растворенных газов (кислорода, углекислого газа). Значительное количество фенола сбрасывается в водоемы со СВ нефте- и коксохимических, целлюлозно-бумажных, сланце-перерабатывающих, угольных предприятий, процессов получения и переработки фенолов. Несмотря на большое число отечественных и зарубежных разработок по очистке производственных СВ от фенолов, данную проблему нельзя считать решенной. Многие эффективные способы глубокой очистки сопряжены с большими экономическими и ресурсными затратами, использованием дефицитных реагентов с последующей их регенерацией, утилизацией или захоронением отходов. Поэтому поиск новых эффективных способов очистки промышленных СВ является настоятельной потребностью сегодняшнего дня. В последние годы для очистки стоков, загрязненных органическими соединениями, применяется окислительная деструкция в присутствии твердых катализаторов, среди которых перспективными являются материалы, содержащие ионы железа, закрепленные на различных носителях (цеолит, угли, алюмосиликаты, глины) [1-2]. Гетерогенное каталитическое окисление органических соединений в водных растворах позволяет избежать вторичного загрязнения СВ ионами железа и провести деструкцию с образованием нетоксичных продуктов [3].

Цель данной работы – изучение токсичности водных растворов фенола после их обработки пероксидом водорода в присутствии Fe-содержащего монтмориллонита.

Экспериментальная часть

Окислительную деструкцию фенола проводили в водном растворе при условиях: [С 6 Н 5 ОН]=1∙10^-3 моль∙л^-1; [Н 2 О 2 ]=1,4∙10^-3 моль∙л^-1; [катализатор]=1 г/л; рН=5.6; t=50˚С в термостатированном реакторе, с перемешиванием на магнитной мешалке. Определение концентрации фенола определяли по спектрам поглощения реакционной смеси в процессе окисления фенола. Спектры поглощения фенола записывали на спектрофотометре UV-VIS Agilent-8453. В качестве катализатора применяли Fe-содержащий монтмориллонит (Fe-Мт), полученный по методу [4]. Содержание железа в катализаторе составляло: 86 мг/г. Токсикологические исследования проводили согласно [5]. Токсичность водных растворов фенола определяли до и после реакции каталитического окисления при концентрациях, составляющих 2.5; 5; 10; 25; 50; 100% от исходной концентрации фенола. Синхронизированные культуры ветвистоусых рачков Daphnia magna Straus в возрасте 6-24 ч (по 10 особей) помещали в исследуемые растворы фенола. Острое токсическое действие исследуемой воды на культуры дафний определяли по их летальности за определенный период экспозиции.

Результаты и их обсуждение

Согласно полученным экспериментальным данным содержание фенола уменьшается от 1∙10-3 моль/л до 0 в течение 90 мин при обработке раствора фенола, что соответствует увеличению конвер- сии фенола до 100% (рис). Окислительная деструкция фенола пероксидом водорода протекает через образование промежуточных продуктов, таких как гидрохинон, n-бензохинон, дикарбоновые и карбоновые кислоты, которые при полной деструкции окисляются до углекислого газа и воды [3]: С6Н5ОН + 14 Н2О2 = 6 СО2 + 17 Н2О. Образующиеся промежуточные продукты окисления фенола могут обладать большей токсичностью, чем исходный фенол. Для подтверждения полной деструкции фенола до углекислого газа и воды нами применен метод биотестирования с использованием культур дафний по методике [5]. После проведения окислительной деструкции реакционный раствор отделяли от катализатора, разбавляли культивационной водой, доводили рН до 7.0. Затем в реакционный раствор помещали особи дафний. В соответствии с [5] критерием острой токсичности служит гибель 50 и более процентов дафний за 48 ч в исследуемой воде при условии, что в контроле гибель не превышает 10%. В экспериментах по определению острого токсического действия устанавливают: среднюю летальную кратность разбавления вод (ЛКР50-96), вызывающую гибель 50% тест-объектов за 96 ч экспозицию; безвредную кратность разбавления вод (БКР10-96), вызывающую гибель 10% тест-объектов за 96 ч экспозицию. Для определения острой токсичности исследуемых вод рассчитывается процент погибших в тестируемой воде дафний (А, %) по сравнению с контролем: А = ( Хк – Хτ) / Хк ∙ 100%, где Хк – количество выживших дафний в контроле; Хτ – количество выживших дафний в тестируемой воде. При А ≤ 10% тестируемая вода не оказывает острого токсического действия (безвредная кратность разбавления). При А ≥ 50% тестируемая вода оказывает острое токсическое действие (средняя летальная кратность разбавления) [5].

Рис. Зависимость конверсии фенола от времени

Результаты экспериментов по определению токсичности исходного раствора фенола и раствора фенола после окислительной деструкции в присутствии катализатора Fе-Мт, проведенных с трехкратной повторностью, показали, что разведение исходного раствора фенола в 4 раза через 96 ч приводит к полной гибели дафний (рис.). Раствор, разведенный в 20 раз, также оказывает токсическое действие на дафнии. За 96 ч вымирает 50% дафний. Исходный раствор фенола не оказывает токсического действия при его разбавлении в 40 раз. Количество погибших дафний в обработанной воде за 96 ч экспозиции по сравнению с контролем составило 10%, что свидетельствует о том, что раствор фенола после его обработки пероксидом водорода в присутствии катализатора Fе-Мт не оказывает острого токсического действия на культуры рачков Daphnia magna Straus .