Использование биогенного кремнезёма, полученного из отходов рисового производства, для очистки питьевых вод

Использование биогенного кремнезёма, полученного из отходов рисового производства, для очистки питьевых вод.

Научно доказано, что загрязнённая вода, попадая в организм человека, вызывает 70-80% всех известных болезней и на 30% ускоряет его старение. Проведённое исследование в 184 городах России, показало что ни в одном из них нет хорошей чистой воды. Сильно загрязнённая вода и в Приморском крае. Из общего количества поверхностных и подземных источников централизованного питьевого водоснабжения в крае 42,2% не отвечают санитарным требованиям из-за отсутствия зон санитарной охраны, при этом из поверхностных источников водоснабжения не отвечают санитарным нормам и правилам 27,1%. Но самое узкое место – это даже не станции водоподготовки, а техническое состояние подающих воду сетей. Изношенность водопроводных сетей и водопроводных сооружений в Приморском крае составляет от 60 до 100%. Отсюда и колоссальные потери (утечка) воды, и высокое санитарно-химическое и микробиологическое загрязнение питьевой воды в разводящей водопроводной сети.

Поэтому вода, которая поступает к потребителю, требует дополнительной очистки. Очистка воды с помощью обычных бытовых фильтров показала, что наряду с удалением основных загрязнителей (органических веществ, остаточного хлора, биогенных элементов) идёт уменьшение общей минерализации и солей основного состава, а именно Ca2+, Mg2+.

В качестве объектов исследования нами были взяты общеизвестные на мировом рынке бытовые фильтры: «Аквафор», «Барьер», «Гейзер». Результаты исследования представлены в таблице №1.

Таблица №1 Показатели качества воды до и после очистки бытовыми фильтрами

Определяемые показатели	Общая жесткость	Содержание ионов Ca2+	Содержание ионов Mg2+	Общая щелочность	Перманганатная окисляемость	Сульфаты	Хлориды	Общее железо	Нитриты	Нитраты
ммоль/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг O2/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л
«Водопроводная вода»	0,8	7	15	12,05	10,2	38,4	14,5	0,41	0,04	0,41
«Барьер»	0,25	0	6	4	8,3	14,4	20,5	0,11	0,005	0,32
«Аквафор»	0,26	1,58	5,2	7,2	0,8	13,96	4,4	0,2	0,001	0,025
«Гейзер»	0,33	3,95	5,68	9,6	5,8	23,28	7,3	0,36	0,0018	0,025

Рис. 1 Показатели общей жесткости	Рис. 2 Содержания ионов кальция (Ca2+)
Рис. 3 Содержания ионов магния (Mg2+)	Рис. 4 Общая щелочность
Рис. 5 Перманганая окисляемость	Рис. 6 Содержание сульфатов
Рис. 7 Содержание хлоридов	Рис. 8 Содержание общего железа
Рис. 9 Содержание нитритов	Рис. 10 Содержание нитратов)

Рисунки 1–10 показывают, что в водопроводной воде, после прохождения через фильтры, уменьшается содержание ионов Ca2+, Mg2+, HCO32-, SO42-, минерализации и общей жесткости. То есть уменьшается содержание тех ионов, которые определяют физиологическую полноценность воды.

Гидрохимическая особенность приморских вод заключается в их ультрапресном характере, низкой минерализации вод, а, следовательно, и малым содержанием кальция и магния.

Мягкая питьевая вода, т. е. вода с низким содержанием солей кальция и магния является экологическим фактором риска сердечно сосудистой патологии и других широко распространённых заболеваний северо-западных регионов России и Европы. Согласно эпидемиологическим исследованиям, проведённым в мире и некоторых городах бывшего СССР по единой программе под эгидой ВОС, распространённости гипертонической болезни в регионах, снабжающих маломинерализованной водой значительно (до 25-30%) превышает этот показатель для регионов с водой нормальной жесткости. Аналогичная корреляция наблюдается специалистами в отношении заболеваний опорно-двигательного аппарата (системный остеопороз, остеопатии различного генезиса, рахит и т. д.). В первую очередь проблема мягкой воды затрагивает здоровье северо-запада России (наряду с популяцией Скандинавского полуострова) включая Санкт-Петербург, Карелию, Кольский полуостров, а также жителей севера и Дальнего Востока России.

На организм влияет то содержание кальция и магния, которое определяет жесткость воды. Поэтому для Приморья необходимы фильтры, которые не удаляют, а обогащают воду необходимыми ионами.

В своей работе мы используем фильтр, где сорбентом был аморфный кремнезём, приготовленный из рисовой шелухи, которая является отходом сельскохозяйственного производства.

Поиск новых экологически безопасных способов утилизации многотоннажных промышленных отходов – актуальная задача во многих странах мира. Одним из перспективных направлений является получение новых веществ из нетоксичных промышленных отходов, среди которых особое место занимают отходы растительного производства и, в частности, отходы переработки риса.

С каждым годом производство риса в мире неуклонно растет и на сегодняшний день составляет примерно 560 млн. тонн, а объем производства в России составляет более 500 тыс. тонн в год. Рис в нашей стране выращивают, в основном, в Краснодарском крае, Астраханской, Ростовской областях, Калмыкии, Адыгее и Приморском крае. Отходы, образующиеся в процессе производства рисовой крупы, представляют собой солому, плодовые оболочки (шелуха или лузга) и мучку. Доля рисовой соломы, составляющая 45-65% в общей наземной массе, частично используется в сельском хозяйстве, для получения бумаги, но значительная часть до сих пор сжигается на полях. Шелуха риса, образующаяся на предприятиях при очистке зерна, применяется, в основном, в виде топлива, а большая часть ее вывозится в отвалы. Рисовую мучку добавляют в корма. В то же время все эти отходы представляют собой перспективное сырье для разных отраслей промышленности, и в первую очередь – для химической.

Растение риса является рекордсменом среди злаковых культур по содержанию аморфного кремнезема (SiO2), достигающего в шелухе риса 10-30%, а в соломе 6-12%. Аморфный кремнезем, в зависимости от свойств, может быть использован в различных сферах деятельности человека: в фармацевтике, парфюмерии, колоночной хроматографии, резиновой, фарфоровой, стекольной, текстильной, пластмассовой, бумажной отраслях промышленности, а также как сырье для производства кремния, силицидов, карбида кремния, нитрида кремния, водорастворимых силикатов и других соединений кремния, в производстве кварцевых изделий, люминофоров, абразивов, электродов, литейных форм, звуко - и термоизолирующих материалов.

Мы использовали аморфный кремнезём в качестве сорбента для очистки питьевых вод.

Аморфный кремнезем получали по схемам, разработанным в Институте химии ДВО РАН, с некоторыми изменениями в схеме 3 (использовали угольный фильтр).

Схема 1. Навеску сырья (60 г) обугливали на плитке при температуре ~ 4000С до удаления летучих компонентов, а остаток сжигали в муфельной печи на воздухе при температуре 600-7000С до постоянной массы. Получали золу серого или розового цвета.

Схема 2. Навеску сырья гидролизовали 0,1 н раствором азотной кислоты, в течение 1 часа, при температуре 900С. Затем остаток отфильтровывали, промывали водой и сушили. Далее эксперимент вели, согласно схеме 1. Получали продукт светлого цвета.

Схема 3. Навеску сырья обугливали при температуре ~4000С, измельчали и обрабатывали остаток 1 н раствором едкого натра в течение 1 часа при 900С. Нерастворившийся остаток отфильтровывали, промывали водой и сжигали в муфельной печи при температуре 6000С до постоянной массы. Горячий фильтрат пропускали через угольный фильтр и осаждали кремнезем в виде H2SiO3 серной кислотой при рН ≈ 8. Полученный гель сушили при температуре 1600С до постоянной массы или при сильной загрязненности прокаливали в муфельной печи при температуре 6000С до постоянной массы. Образовавшаяся зола имела белый цвет.

В качестве ёмкости для фильтрования использовали фильтр «Родник – 3М», в фильтрующем патроне заменили сорбент на диоксид кремния, выделенный из шелухи и соломы риса.

Для химико-экологической оценки питьевой воды нами были выбраны основные показатели, которые наиболее полно отражают качество питьевой воды. В результате проведённых исследований били получены следующие данные, которые отражены в таблице №2.

Таблица № 2 Показатели, характеризующие эффективность очистки воды при помощи аморфного диоксида кремния

Определяемые показатели	Общая минерализация (сухой остаток)	Общая жесткость	Содержание ионов Ca2+	Содержание ионов Mg2+	Общая щелочность	Перманганатная окисляемость	Сульфаты	Хлориды	Остаточный хлор	Общее железо	Нитриты	Нитраты	Ортофосфаты
мг/л	ммоль/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг O2/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л
До очистки	240	1,865	34,07	1,98	1,75	1,65	65,47	75,26	0,07	0,9	0	0,025	0,55
После очистки	280	2,035	42,08	0,78	3,2	1,15	53,64	74,55	0	0	0	0	0

Рис. 11 Показатели общей жесткости	Рис. 12 Показатели общей минерализации (сухого остатка)
Рис. 13 Содержания ионов кальция (Ca2+)	Рис. 14 Содержания ионов магния (Mg2+)
Рис. 15 Показатели общей щелочности	Рис. 16 Показатели перманганатной окисляемости
Рис. 17 Содержание сульфат-ионов (SO42-)	Рис. 18 Содержание хлорид-ионов
Рис. 19 Содержание остаточного хлора	Рис. 20 Содержание общего железа
Рис. 21 Содержание нитрит-ионов (NO2-)	Рис. 22 Содержание нитрат-ионов (NO3-)
Рис. 23 Содержание ортофосфатов

Из таблицы №2 и рисунков 11–23 следует, что увеличилось общее солесодержание, за счёт увеличения общей жесткости, содержание ионов кальция и гидрокарбонатов, т. е. произошло обогащение воды ионами основного состава. В то же время уменьшилась перманганатная окисляемость, а содержание ионов железа, нитратов, нитритов, ортофосфатов и остаточного хлора снизилось до нуля.

После прохождения воды через фильтр, произошла дополнительная карбонизация воды в полученном сорбенте в виде микропримесей находятся оксиды металлов: кальция, калия, магния, цинка и др.

Таблица № 3 Результаты атомно-абсорбционого анализа фильтрата, г/л

Si/SiO2	0,031/0,066
Fe/Fe2O3	0,013/0,019
Al/Al2O3	0,006/0,011
Ca/CaO	0,1/0,14
Mg/MgO	0,045/0,075
Cu/CuO	0,0011/0,0014
Pb/PbO	н. о.
Sn/SnO	н. о
Na/Na2O	0,0125/0,17
K/K2O	0,625/0,75
Ag/Ag2O	н. о
Zn/ZnO	0,048/0,6

На основании проведённых исследований можно сделать вывод, что сорбент из биогенного кремнезёма имеет ряд преимуществ перед синтетическими аналогами:

·  практически бесплатное сырьё для его производства;

·  простая технологическая схема получения,

·  содержит набор оксидов металлов, которые обогащают маломинерализованные воды ионами основного состава;

·  более эффективно очищает воду, от органических и биогенных элементов.

Приложение

Аннотация научной работы

1.  Использование биогенного кремнезёма, полученного из отходов рисового производства, для очистки питьевых вод.

2.  «Уссурийский государственный педагогический институт», кафедра химии

3.  , 541 группа, 4 курс,

4.  2009 год,

5.  Объём работы 8 страниц.

Характеристика работы

1.  Цель научной работы: очистка питьевых вод с помощью биогенного кремнезёма, полученного из отходов рисового производства,

2.  Методы проведённых исследований: получение сорбента из рисовых отходов, определение гидрохимических показателей качества воды.

3.  Основные результаты, выводы научного исследования: получен сорбент из природных материалов, который не только эффективно очищает воду от загрязнений, но и обогащает воду микрокомпонентами основного состава.

Отзыв научного руководителя Потенко Е. И.

Каретников Александр самостоятельно провёл следующую работу:

1.  отобрал образцы шелухи и соломы риса из разных районов Приморского края (Анучинский, Ханкайский, Хорольский);

2.  изучил образцы кремнезёма, изучил их состав;

3.  провёл химический анализ по определению гидрохимических показателей качества питьевых вод.

Приложение

Сведения

об авторе и научном руководителе работы, представленной на конкурс

Автор

1.  Каретников

2.  Александр

3.  Васильевич

4.  4

5.  E-mail: *****@***ru

6.  692512 г. Уссурийск кв. 65, тел. [phone]

Научный руководитель

1.  Потенко

2.  Елена

3.  Ивановна

4.  Уссурийский государственный педагогический институт, доцент

5.  кандидат биологических наук, доцент

6.  , тел. [phone]