Анотація до роботи:

Смолін С. К. Особливості вилучення екологічно небезпечних поверхнево-активних речовин із водних систем .- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю -21.06.01 – екологічна безпека. - Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, Київ, 2003р.

Проведено експериментальне дослідження закономірностей адсорбції біорезистентних поверхнево-активних речовин активованим вугіллям різної пористої структури з метою обґрунтування ефективних методів вилучення ПАР з водних систем. Встановлено термодинамічні та дифузійні характеристики та проведено моделювання експериментальних результатів вилучення ПАР активним вугіллям в рівновазі та кінетиці. Вияснено особливості масопередачі ПАР з водних розчинів при адсорбції окремими зернами в умовах максимальної турбулентності потоку і в нерухомих шарах активного вугілля при фільтруванні. Для досягнення ефективності і доцільності методу необхідно при організації динаміки адсорбції враховувати не тільки раціональну пористу структуру АВ, але й уповільнену кінетику вилучення масивних ПАР і розтягнутість зони масообміну.

Показано, що у відсутності біоцидних реагентів адсорбційне вилучення резистентних ПАР шаром вуглецевого адсорбенту трансформується в біоадсорбційне. Проаналізовані можливості прогнозу результатів роботи шару АВ, виходячи з даних ізотерм та кінетики адсорбції. Перевірено принципову можливість і ефективність екологічно безпечного мікробіологічного способу відновлення адсорбційної ємності АВ від резистентних ПАР. Проаналізовано вплив на ефективність біорегенерації фізико-хімічних характеристик відпрацьованого АВ.

1. Методи адсорбції на активованому вугіллі дозволяють надійно і повністю вилучати біорезистентні поверхнево-активні речовини з водних систем. Поєднання екологічної ефективності з економічною доцільністю використання активного вугілля для захисту водних джерел від токсичних забруднень досягається при мінімізації органічного навантаження на сорбент, раціональному виборі пористої структури АВ і умов організації процесу адсорбційного вилучення ПАР, які враховують обмеженість ємності сорбенту, особливості кінетики та динаміки адсорбції та можливості застосування біологічних способів реактивації ємності активного вугілля.

2. Проведено дослідження адсорбції ПАР активованим вугіллям (КАД, АГ-3, АГ-ПР, F400, АКАНТ, СКНП1) із молекулярних водних розчинів у статичних умовах і встановлено, що ефективність вилучення ПАР з води залежить від величини поверхні мезопор та доступних супермікропор АВ. У відповідності з величинами вибірковості адсорбції ПАР визначено послідовні ряди ефективності АВ і показано переваги сорбентів СКНП1, F400, АКАНТ щодо глибокого вилучення ПАР з води.

3. Досліджено закономірності кінетики вилучення поверхнево-активних речовин із водних молекулярних розчинів активним вугіллям. Встановлено, що в умовах максимальної турбулентності потоку початкова стадія масообміну при адсорбції ПАР із постійного об’єму розчину окремими зернами активного вугілля відбувається в змішанодифузійному режимі. Доведена можливість застосування для опису експериментальних даних внутрішньодифузійної моделі, що базується на рівнянні кінетики Глюкауфа при умові включення в модель додаткового параметра, що враховує суттєвий вплив зовнішньої дифузії на початкову швидкість адсорбції .

4. Показано, що коефіцієнти поверхневої дифузії ПАР в АВ на два порядки менші за величини, які характерні для адсорбції невеликих ароматичних сполук. Уповільнена кінетика вилучення ПАР із води активним вугіллям обумовлена розмірами та хімічною природою їх молекул і, відповідно, високою енергією активації елементарного акту поверхневої міграції. Відмінності в швидкості внутрішнього масопереносу при сорбції ПАР активним вугіллям різних марок визначаються часткою в структурі сорбенту вузьких пор з критичним щодо розмірів молекул адсорбата розміром діаметра.

5. Уповільнена внутрішньодифузійна кінетика адсорбції ПАР окремими зернами активного вугілля зумовила розтягнутість вихідних кривих динаміки та встановлення змішанодифузійного масообміну за таких гідродинамічних умов, які при вилученні невеликих органічних молекул в нерухомому шарі активного вугілля забезпечують виключно зовнішньодифузійний режим масообміну. В подібній ситуації зростання величини числа Рейнольдса (в 16 разів) за рахунок швидкості потоку незначно (на третину) збільшує коефіцієнт поверхневої дифузії ПАР в АВ, тоді як довжина робочого шару зростає майже в десять разів.

6. Доведено, що ефективність очищення води від резистентних ПАР в нерухомих шарах АВ задовільно прогнозується за допомогою апроксимаційних моделей, що враховують найбільш повільну стадію масопередачі, величини кінетичних коефіцієнтів, параметри ізотерми адсорбції та динаміки. З метою прогнозу тривалості роботи шару активного вугілля в режимі повного вилучення резистентного ПАР необхідно користуватись даними зовнішньодифузійної моделі. При цільовій помірній ефективності очищення води від ПАР (до 60-50%) кращі результати отримані при вутрішньодифузійному моделюванні.

7. Встановлено, що тривале фільтрування біорезистентного ПАР без додаткової стерилізації АВ призводить до трансформації адсорбційного механізму вилучення полютанта в біоадсорбційний. Перебіг спонтанних біорегенерацій активованого вугілля під дією природної мікрофлори спричинює зростання фактичної ємності шару понад рівноважну величину, внаслідок чого опис експериментальних вихідних кривих на адсорбційних засадах стає неможливим.

8. Проведено дослідження регенерації відпрацьованого АВ за допомогою консорціуму штамів бактерій-деструкторів. На основі уявлень про недоступність внутрішньої пористої структури для бактерій і відмінності в характері реалізації адсорбційної ємності в статичних і динамічних умовах розмежовано внески у відновлення активного вугілля власне деструкції ПАР і псевдонасичення вуглецевого сорбенту. Термодинамічна можливість десорбції і швидкість дифузії ПАР у периферичну зону зерна визначаються енергією адсорбції і пористою структурою сорбенту. Встановлено, що внесок бактерій-деструкторів обмежується ємністю пор, що формують зовнішню поверхню або безпосередньо межують з нею.

9. Показано, що ефективність біорегенерації залежить від характеру розподілу ПАР у пористій структурі відпрацьованого активного вугілля. Відновлення ємності АВ після динаміки адсорбції досягається більш легко і повно внаслідок псевдонасичення АВ, коли основна частина адсорбованого ПАР розміщується в кінетично вигідних великих порах зовнішньої зони зерна адсорбенту. Для підвищення ступеня біорегенерації АВ і, відповідно, екологічної й економічної доцільності методів адсорбції на активному вугіллі біообробку необхідно проводити через короткі проміжки часу, не допускаючи міграції значної кількості адсорбата в пори в середині зерна АВ. В цьому сенсі найбільш раціональним способом очищення води від ПАР є підтримання технологічного режиму одночасного (паралельного) перебігу адсорбції і біорегенерації в рамках єдиного процесу.

Публікації автора:

1. Смолин С.К., Тимошенко М.Н., Клименко Н.А. Особенности динамики адсорбции НПАВ неподвижным слоем активного угля // Химия и технология воды.- 1991 .-13, №6 .- С.495-499.

2. Смолин С.К., Клименко Н.А., Тимошенко М.Н. Равновесная адсорбция ПАВ активными углями различной пористой структуры// Химия и технология воды .- 1991. – 13, №10.- С.883-887.

3. Смолин С.К., Клименко Н. А.,Тимошенко М.Н. Влияние пористой структуры активного угля на скорость поглощения ПАВ из водного раствора // Химия и технология воды .- 1992. –14, №2 .- С.100 – 104.

4. Смолин С.К., Тимошенко М.Н., Клименко Н.А. Внутридиффузионная кинетика адсорбции ПАВ активными углями различной пористой структуры // Химия и технология воды . – 1992 .- 14, №9 . – С.648 –652.

5. Влияние пористой структуры на биорегенерацию активных углей от ПАВ / С.К.Смолин , Н.А. Клименко, М.Н. Тимошенко, Н.И.Настоящая // Химия и технология воды . – 1993 . – 15, №11-12 . – С.789-793.

6. Клименко Н.А., Когановский А.М., Смолин С.К. Адсорбционная очистка речной и питьевой воды и роль биодеградации адсорбированных веществ в этом процессе // Химия и технология воды . – 1997.- 19, №4 .- С.382 – 398.

7. Очистка осветленной воды и конденсата пара от органических соединений фильтрованием через активный уголь АКАНТ / Н.А. Клименко, М.Н. Тимошенко, А.М. Когановский, С.К. Смолин // Химия и технология воды .- 1999.- 21, №2 .- С.192 – 201.

8. Смолин С.К., Клименко Н.А. Прогнозирование работы плотного слоя активного антрацита в процессе адсорбционной очистки днепровской воды // Химия и технология воды. – 1999 .- 21, №3. – С.287-296.

9. Биосорбция в процессах очистки природных и сточных вод / Клименко Н.А., Антонюк Н.Г., Невинная Л.В., Смолин С.К., Марутовский Р.М. // Химия и технология воды.- 2000 .- 22, №1.-С.37-55.

10. Смолин С.К., Клименко Н.А., Невинная Л.В. Эффективность биорегенерации активных углей, насыщенных неионными поверхностно-активными веществами // Химия и технология воды .- 2001 .- 23, №3.- С.277-284.

11. Смолин С.К., Клименко Н.А., Невинная Л.В. Биорегенерация АУ после адсорбции ПАВ в динамических условиях // Химия и технология воды .- 2001 .- 23, №4 .-С.419-426.

12. Role of physical-chemical factors in the process of water biosorption cleanup from surface-active substances /Klymenko N., Winter-Nielsen M., Smolin S., Nevynna L., Sydorenko J.//Water resources.- 2002 .- 36, №20. – р.5132-5140.

13. Клименко Н.А., Тимошенко М.Н., Смолин С.К. Очистка сточных вод промышленных предприятий от ПАВ сорбционными методами// Тезисы НТК “Проблемы и достижения создания малоотходных физико-химических производств и очистки воды” 16-17 апреля 1991г. – Ленинград .- С.34.

14. Повышение адсорбционной емкости АУ термоокислительным методом/ Клименко Н.А., Тимошенко М.Н., Гречаник С.В., Слободян В.В., Смолин С.К.// Тезисы докл. конф. “Экология –90” .- Черкассы, 1990. –С.65-66.

15. Klimenko N., Smolin S. Biosorption of organic substances on activated carbon from water solution // International conference “ MicroCAD 2001” . – Miskolc (Hungary) .- 2001. –P.29 – 34.

16. Smolin S., Klymenko N. Biosorption phenomenon on a porous carbon surface // Collections of abstracts “ VI Ukrainian – polish symposium on theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technological applications”. – Odessa . – 2001 . – P.225.

17. Influence of the oxidative pretreatment on biosorption efficiency on activated carbon/ Klymenko N., Goncharuk V., Smolin S., Vakulenko V. // International conference “ MicroCAD 2002” . – Miskolc (Hungary) .- 2002. –P.63 – 68.

18. Smolin S., Klymenko N. The provision of the biosorption process stability by bioregeneration of the activated carbon // Second International Conference “Interfaces against pollutions” and NATO advanced research workshop “Role of interfaces in environmental protection”. – Miskolc – Lillafured (Hungary) . –2002 . – P.162.

19. Biosorption process on the interface of activated carbon – nonionic surfactant water soluton/ Nevynna L., Klymenko N., Smolin S., Grechanyk S.// Second International Conference “Interfaces against pollutions” and NATO advanced research workshop “Role of interfaces in environmental protection”. – Miskolc – Lillafured (Hungary) . –2002 . – P.145.