СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ Российский патент 2024 года по МПК C02F1/72 B01J23/745 B01J21/04 

Изобретение относится к области химической промышленности и охраны окружающей среды и может быть использовано для очистки сточных вод химических, фармацевтических, гальванических и красильных производств, содержащих органические красители и характеризующихся цветностью и токсичностью. Для обезвреживания подобных сточных вод традиционно используют метод окислительной деструкции, что приводит к обесцвечиванию растворов и образованию полупродуктов, пригодных к последующей биологической обработке.

Существуют различные способы окисления органических красителей в сточных водах, которые отличаются применяемыми окислителями (кислород, озон, пероксид водорода) и условиями осуществления процесса. Каталитическое окисление пероксидом водорода проводят с помощью гетерогенного процесса на катализаторах, содержащих соединения переходных металлов, чаще всего железа, для увеличения эффективности процесса применяют ультрафиолетовое излучение.

Известен способ очистки сточных вод от красителей (патент RU №2404930). Для его осуществления проводят очистку от азокрасителей в ячейке с нанодисперсным фотокатализатором Fe₂O₃ при облучении дневным светом и давлении кислорода 0,3 МПа. Недостатком способа служит повышенное давление и высокая концентрация катализатора, при этом достигается низкая степень обесцвечивания раствора.

Известен способ очистки сточных вод от органических примесей, в том числе от красителей (патент RU №2135419). Сточную воду пропускают через загрузку из смеси железной стружки и углеродсодержащего материала в присутствии кислорода воздуха и пероксида водорода. В качестве катализатора используются соединения железа, генерируемые в результате гальванокоагуляции во время процесса очистки воды. Недостаток способа состоит в дополнительном использовании электрического тока и невозможности повторного использования полученного катализатора.

Известен способ окисления органических соединений в водных растворах с использованием пероксида водорода и катализатора на основе твердофазных железосодержащих алюмосиликатов (патент №2301790). Недостатком катализатора является сложность и длительность получения катализатора, использование органических реагентов.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату является способ очистки сточных вод от азокрасителей методом каталитического окисления с помощью пероксида водорода, прототип (патент RU №2430890). Катализатор получают путем интеркалирования полигидроксокатиона, содержащего ионы железа и алюминия в природную монмориллонитовую глину, перед применением катализатор прокаливают при 500°С. Недостатком способа является сложность получения катализатора, длительность проведения процесса и трудность отделения катализатора от очищенной воды.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа каталитического окисления органических красителей в сточных водах с использованием катализатора, полученного из отходов производства, активного в течение продолжительного времени эксплуатации без снижения эффективности очистки воды, а также сокращение времени очистки воды.

Поставленная решается путем разработки способа окисления органических красителей в сточных водах пероксидом водорода в присутствии твердофазного катализатора при рН 3,0-4,0 и температуре 50-60°С, при этом в качестве катализатора используют предварительно обработанный железо-алюмосодержащий отход переработки бокситов, содержание железа в катализаторе составляет 40,1-55,9 масс.%.

Сущность предварительной обработки заключается в следующем: 5 г железо-алюмосодержащего отхода перемешивают в 30 мл 6М раствора соляной кислоты при температуре 80°С в течение 3 часов, не растворившийся остаток центрифугируют, к раствору добавляют 22 мл 2М раствора карбоната аммония, полученный осадок центрифугируют и прокаливают при температуре 550°С в течение 2 часов.

В качестве объекта окисления использован азокраситель кармуазин как наиболее трудно окисляемое соединение среди органических красителей. Достижение технического результата подтверждается приведенными далее примерами.

Пример 1

К 100 мл водного раствора кармуазина с концентрацией 20 мг/л, находящегося в термостатируемом реакторе при перемешивании, добавляют катализатор в количестве 0,3 г и пероксид водорода в количестве 70 мг, процесс окисления красителя проводят при перемешивании при 60°С и рН=3,0. Раствор декантируют. Степень обесцвечивания раствора кармуазина за 30 мин контакта составляет 95,1%.

Пример 2

К катализатору из примера 1 приливают при перемешивании 100 мл водного раствора кармуазина с концентрацией 20 мг/л, затем добавляют пероксид водорода в количестве 70 мг, процесс окисления красителя проводят при перемешивании при 60°С и рН=3,5. Таким образом, осуществляют второй цикл использования катализатора при очистке раствора. Раствор декантируют. Степень обесцвечивания раствора кармуазина за 30 мин контакта составляет 96,3%.

Пример 3

К катализатору из примера 2 приливают при перемешивании 100 мл водного раствора кармуазина с концентрацией 20 мг/л, добавляют пероксид водорода в количестве 50 мг, процесс окисления красителя проводят при перемешивании при 50°С и рН=4,0. Таким образом, осуществляют третий цикл использования катализатора при очистке раствора. Раствор декантируют. Степень обесцвечивания раствора кармуазина за 30 мин контакта составляет 94,2%.

Пример 4

К катализатору из примера 3 приливают при перемешивании 100 мл водного раствора кармуазина с концентрацией 20 мг/л, добавляют пероксид водорода в количестве 70 мг, процесс окисления красителя проводят при перемешивании при 60°С и рН=3,0. Таким образом, осуществляют четвертый цикл использования катализатора при очистке раствора. Раствор декантируют. Степень обесцвечивания раствора кармуазина за 30 мин контакта составляет 98,2%.

Таким образом, можно проводить 20 циклов использования катализатора при очистке раствора, при этом степень обесцвечивания раствора кармуазина за 30 мин контакта составляет 94,3-99,4%.

Выход за верхние пределы рН и температуры ускоряют процесс разложения пероксида водорода и снижают эффективность обесцвечивания раствора красителя.

Из представленных примеров видно, что использование предварительно обработанного железо-алюмосодержащего отхода переработки бокситов в качестве катализатора позволяет существенно сократить время процесса очистки воды - до 30 минут по сравнению с прототипом (патент RU №2430890) и увеличить продолжительность эксплуатации катализатора без снижения эффективности очистки воды - степень обесцвечивания раствора красителя составляет не менее 94% в течение 20 циклов использования катализатора. Способ каталитического окисления красителей может использоваться для широкого ряда органических красителей, данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Эффективность каталитического окисления органических красителей в сточных водах в присутствии предварительно обработанного железо-алюмосодержащего отхода переработки бокситов Органический краситель Концентрация красителя, мг/л Количество H₂O₂, мг Время, мин Т,°С рН Степень обесцвечивания раствора красителя,
% Кристаллический фиолетовый 20 70 30 60 3,5 98,1 Кислотный алый 15 70 30 60 3 99,0 Синозол 25 70 30 60 4 97,7

Изобретение относится к области химической промышленности и охраны окружающей среды и может быть использовано для очистки сточных вод химических, фармацевтических, гальванических и красильных производств, содержащих органические красители и характеризующихся цветностью и токсичностью. Способ включает окисление органических красителей в сточных водах пероксидом водорода в присутствии твердофазного катализатора при рН 3,0-4,0 и температуре 50-60°С. В качестве катализатора используют железо-алюмосодержащий отход переработки бокситов, который предварительно растворяют в 6М соляной кислоте при температуре 80°С. Осадок центрифугируют, полученный раствор обрабатывают 2М раствором карбоната аммония. Образующийся осадок центрифугируют и прокаливают при температуре 550°С в течение 2 часов. Содержание железа в катализаторе составляет 40,1-55,9 мас.%. Способ позволяет существенно сократить время процесса очистки сточных вод от красителей, увеличивает продолжительность эксплуатации катализатора без потери эффективности очистки сточных вод. 1 табл., 4 пр.

Способ каталитического окисления органических красителей в сточных водах пероксидом водорода при рН 3,0-4,0 и температуре 50-60°С в присутствии твердофазного катализатора, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют железо-алюмосодержащий отход переработки бокситов, который предварительно растворяют в 6М растворе соляной кислоты при температуре 80°C, не растворившийся остаток центрифугируют, полученный раствор обрабатывают 2М раствором карбоната аммония, полученный осадок центрифугируют и прокаливают при температуре 550°С в течение 2 часов.