Токсические свойства хромат - и цианид - ионов

1.2. Токсические свойства хромат - и цианид - ионов

Хром. Большинство соединений хрома имеет яркую окраску самых разных цветов. Название происходит от греч. хромос-цвет, окраска.

Хром обнаруживается в растительных и животных организмах. В организме взрослого человека содержится примерно 6г Сr (0,1%). В отличие от большинства микроэлементов уровень хрома в тканях с возрастом снижается. Легкие - единственный орган, в котором содержание хрома по мере старения возрастает. В различных географических местностях отмечались существенные колебания, что связано с региональными различиями поступления хрома в организм с пищей. Содержание хрома в пищевых продуктах существенно колеблется от 0,57 мг/кг в щавеле до 0,01 мг/кг в рисе [3].

Металлический хром нетоксичен, а соединения Сr (III) и Сr (VI) опасны для здоровья. Они вызывают раздражение кожи, что приводит к дерматитам.

Соединения хрома широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Они применяются в кожевенной и текстильной промышленностях, используются для хромирования металлических изделий, для производства спичек, красок, кино и фотопленок. В химической промышленности соединения хрома применяются как окислители. Ряд соединений хрома применяется в химических лабораториях в качестве реактивов. Ввиду токсичности соединений хрома они не применяются в медицине [4].

Из соединений хрома, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, наиболее ядовитыми являются хроматы и дихроматы. Причем дихроматы более ядовиты, чем хроматы. Хроматы и дихроматы оказывают раздражающее и прожигающее действие на кожу и слизистые оболочки, вызывая изъявления. При отравлении соединениями хрома могут наступить понос и кровавая рвота. Иногда рвотные массы имеют желтую или зеленую окраску. При поступлении в организм больших количеств пыли, содержащей соединения хрома, развивается пневмония.

При острых отравлениях соединениями хрома они накапливаются в печени, почках и эндокринных железах. Соединения хрома выводятся из организма в основном через почки. В связи с этим при отравлении указанными соединениями поражаются почки и слизистые оболочки мочевыводящих путей.

При поражении слизистой носа - промывание водой с мылом и смазывание носовых ходов вазелиновой мазью. При упорном кашле - кодеин с содой, дионин. Для купирования приступов астмы - атропин, платифиллин, адреналин, эфедрин подкожно, эуфиллин в/венно (0,24-0,48г в 20мл 10-20% раствора глюкозы) или внутрь (0,1-0,15г).

При попадании хрома на поврежденную кожу - немедленное промывание водой (15мин) и наложение повязки с нейтральной мазью; в глаза - промыть водой не менее 15 минут, закапать 30% раствор альбуцида, при резких болях - 0,5% раствор дикаина [5].

Цианиды

 Циан и его влияние на здоровье

Циановодород вызывает быстрое удушение из-за блокирования дыхательных ферментов и расстройства тканевого дыхания. Так же действу-ют все цианистые соединения, способные отщеплять НСN и образовывать нон СN-. При остром отравлении НСN в первую очередь страдают дыхательный и сосудодвигательный центры (сначала углубление дыхания и повышение кровяного давления, затем паралич дыхания и резкое падение кровяного дав-ления). Цианиды ингибируют окислительное фосфорилирование и энергетические процессы в нервных клетках, а также угнетают ферменты, катализирующие биотрансформацию ряда аминокислот— гистидина, триптофана, тирозина. О резком понижении способности тканей потреблять кислород свидетельствует алая окраска крови в венах. В первый момент отравления решающим является кислородное голодание тканей, в дальней-шем же могут происходить дегенеративные изменения, развивающиеся в ЦНС. При хроническом воздействии НСN в картине отравления важную роль играет угнетение продукции гормона щитовидной железы, вызываемое не НСN, а образующимися из него тиоцианатами. Чувствительность организма к острому действию цианидов связана с уровнем потребления кис-лорода: при низком его уровне (например, при зимней спячке) резко повышается устойчивость к интоксикации, что связано с понижением температуры тела и повышением резистентности к гипоксии вообще.

 При высоких концентрациях почти мгновенная потеря сознания; наступает паралич дыхания, а вскоре и паралич сердца. При меньших концентрациях можно различить несколько стадий [4].

Начальная стадия: ощущение царапанья в горле, жгуче-горький вкус во рту, слюнотечение, онемение рта и зева, покраснение конъюнктивы, мышечная слабость, пошатывание, затруднение речи, головокружение, острая головная боль, тошнота, рвота, позывы к дефекации; дыхание несколько учащено, затем делается более глубоким. Прилив крови к голове, сердцебиение. При выходе на свежий воздух в этой стадии все симптомы быстро исчезают. Стадия одышки: постепенно усиливающаяся общая слабость, боли и чувство стеснения в области сердца, редкое и глубокое дыхание, замедление пульса; сильная отдышка, иногда отдельные короткие вдохи, сопровождающиеся длительными выдохами, тошнота, рвота, расширение зрачков, экзофтальм. Стадия судорог: чувство тоски, усиливающаяся одышка, потеря сознания, сильные судороги (чаще титанические). Судорожное сведение жевательной мускулатуры с прикусом языка. Стадия паралича или асфиксии: полная потеря чувствительности и рефлексов, непроизвольные мочеиспускание и дефекация, дыхание уряжается, делается поверхностным, наступает смерть Гигиенические требования:

В воздухе рабочей зоны ПДКр.з. =0,3 мг/м3

В атмосферном воздухе ПДКс.с =0,01 мг/м3

В воде водоисточников ПДКв =0,1 мг/м3

 Содержание свободных цианидов в сточных водах не более 0,1 мг/м3; содержание общих цианидов при поступлении на полную биологическую очистку - не более 1,0 мг/м3; при сбросе в водоемы - 0,5 мг/л. Допустимое содержание в сточных водах, используемых для орошения сельскохозяйственных земель, не нарушающее почвенных процессов и не оказывающее токсического действия на растения, выросшие на орошаемых землях, при потреблении этих растений - на животных и человека, рекомендуется на уровне 10 мг/л.

 Способы обезвреживания

 Обезвреживание тары

 Тара, отходы или предметы, загрязненные цианистыми солями погружают с обезвреживающим составом (смесь из 100 % - ных растворов железного купороса и гашенной извести, раствор железного купороса берется в двойном количестве сравнительно с раствором извести ) и тщательно перемешивают в течении 30 минут, затем оставляют стоять еще 3 - 4 часа для полного обезвреживания тары. Обезвреживающий раствор, после получения анализа на отсутствие циана, влить в циановые стоки.

 Обезвреживание одежды

 Спецодежду необходимо стирать в механической прачечной с хлорной известью или хлорамином, или в малом растворе с марганцовкой. При этом обезвреживается циан. Воду вылить в хозяйственно - бытовую канализацию.

 Цианиды (калия, меди, натрия).

 Основные симптомы отравления. Раздражение в носу, горле и трахее. Затрудненное дыхание, стеснения в груди. Общая слабость. Сладкий вкус во рту, особенно замечаемый при курении.

 Первая помощь при отравлениях. В случае отравления пострадавшему в первой же минуте дать вдыхать 8 капель анилнитрита на ватке, вдыхание повторить через каждые 2 - 3 минуты в течение 15 - 30 секунд. Срочно вынести на свежий воздух. При ослабленном дыхании необходимо сделать искусственное дыхание с одновременным вдыханием кислорода [4].

1.3. Ионообменная сорбция, механизм ионного обмена

Ионообменная очистка. При ионообменной обработке сточных вод, содержащих органические примеси, наряду с ионным обменом протекают процессы хемосорбции и физической адсорбции органических веществ ионитами. Диффузионные затруднения при обмене крупных органических ионов обусловливают целесообразность применения "малосшитых" ионообменных смол. Значительное увеличение в объеме при набухании "малосшитых" смол дает возможность диффундировать в них крупным органическим ионам.

При ионообменном поглощении органических ионов скорость достижения равновесия обычно значительно меньше, чем при обмене неорганических ионов.

Присутствие многовалентных катионов при поглощении органических оснований или многовалентных анионов при поглощении органических кислот приводит к вытеснению органических веществ в раствор и резкому снижению емкости ионитов.[6]

На сорбционную емкость ионитов по органическим соединениям отрицательное влияние могут оказывать другие примеси, растворенные в сточной воде и способные блокировать ионогенные группы смол.

Регенерация ионитов от органических соединений более затруднительна, чем от минеральных солей. Регенерирующий агент выбирается с учетом свойств выделяемого органического вещества и возможности дальнейшего использования регенерационных растворов. Например, для извлечения фенолов и анилина из ионитов используют водные растворы щелочей и кислот, в то время как ПАВ не вытесняются из смол даже концентрированными растворами неорганических щелочей, кислот или солей. Для удаления ПАВ предложено использовать органические растворители или их смеси с небольшими количествами водных растворов электролитов.[6]

Примеры применения метода ионного обмена.

Метод ионного обмена может использоваться для очистки сточных вод многих химических производств: электрохимических (от ионов тяжелых металлов, цианидов и др.), синтетических волокон (от ионов цинка и др.), азотных удобрений (от аммиака, меди и др.), коксохимических (от тиосульфатов, роданидов и др.), искусственных и естественных изотопов (от радиоактивных веществ) и т.д.

Очистка сточных вод, содержащих соли хромовой кислоты, возможна на сильноосновном анионите. Анионит не изменяет своих свойств (не окисляется) в течение длительного времени при концентрации СrО₃ до 1200мг/л. Для анионита, содержащего 6% дивинилбензола, при рН=1,8-6 динамическая обменная емкость составляет 11,5-12% от массы сухой смолы.

Регенерируют анионит 10-15% растворами NаОН. Однако десорбция хроматов протекает эффективнее, если анионит предварительно переводится в хлоридную форму. При регенерации анионита раствором, содержащим 2% NаОН и 6% NаСI, десорбируется 89-99% хроматов (от количества сорбированных). При двухкратном использовании регенерирующих растворов концентрация Сr⁶⁺ в элюате составляет 48-54г/л, при трехкратном использовании - 73-79г/л [8].

Полученный при регенерации раствор, содержащий Nа₂СrО₄, NаОН и NaCI, пригоден для получения пассивирующих растворов. Методом Н - катионирования хромат натрия может быть переведен в хромовую кислоту.

Ионообменное извлечение металлов из сточных вод позволяет рекуперировать ценные вещества с высокой степенью извлечения. Ионный обмен - это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Метод ионного обмена основан на применении катионитов и анионитов, сорбирующих из обрабатываемых сточных вод катионы и анионы растворенных солей. В процессе фильтрования обменные катионы и анионы заменяются катионами и анионами, извлекаемыми из сточных вод. Это приводит к истощению обменной способности материалов и необходимости их регенерации [8].

Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод приобрели синтетические ионообменные смолы - высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы - противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми анкерными. Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

RSO₃H + NaCL = RSO₃Na + HCL,

при контакте с катионитом, где R - матрица, Н - противоион, SO₃ - анкерный ион;

ROH + NaCL = RCL + NaOH,

при контакте с анионитом.

Для извлечения из сточных вод гальванопроизводства катионов трехвалентного хрома применяют Н-катиониты, хромат-ионы CrO₃^{2 -} и бихромат-ионы Cr₂O₇^{2 -} извлекают на анионитах АВ-17, АН-18П, АН-25, АМ-п. Емкость анионитов по хрому не зависит от величины рН в пределах от 1 до 6 и значительно снижается с увеличением рН больше 6. При концентрации шестивалентного хрома в растворе от 800 до 1400 экв/л обменная емкость анионита АВ-17 составляет 270 - 376 моль*экв/м³.

Регенерацию сильноосновных анионитов проводят 8 - 10 %-ным раствором едкого натра. Элюаты, содержащие 40 - 50 г/л шестивалентного хрома, могут быть направлены на производство монохромата натрия, а очищенная вода - использоваться повторно.

Фирмой Inovan Umwelttechnik GmbH & Co KG разработана блочно-модульная установка системы REMA, предназначенная для очистки производственных сточных вод от тяжелых металлов. Одинарный блок представляет собой ионообменную колонку, в которой вертикально друг под другом установлены 4 сменные кассеты. В процессе очистки сточные воды последовательно пропускают через эти кассеты снизу вверх. Степень загрязненности ионообменной смолы определяют с помощью индикаторов .

 На заводе "Почвомаш" (Киров) внедрен процесс очистки промстоков гальванических производств от ионов хрома волокнистыми материалами. Для сорбции анионов хрома используют материал ВИОН АС-1, имеющий в своем составе сильноосновные винилпиридиниевые группы с СОЕ 1.1 - 1.2 мг*экв/г. Изготовлены две сорбционных колонны из коррозионно-стойкой стали объемом 50 л каждая. Сорбция хрома зависит от его концентрации в исходном растворе. Так, если концентрация составляет до 10 мг/л, то в фильтрате его не обнаруживают. Однако при концентрации аниона хрома 75 мг/л и выше содержание его в фильтрате 0.04 - 0.01 мг/л, что вполне допустимо при замкнутом цикле. Влияние исходной концентрации раствора хрома на его содержание в фильтрате обусловлено высоким ионным радиусом Cr₂O₇^2-,вызывающим стерические затруднения при сорбции на волокнистом хемосорбенте. При высоком содержании хрома следует уменьшить скорость подачи раствора на сорбционную колонну. В этом случае возрастает степень очистки. При достижении насыщения сорбционных колонн их снимают со стенда и транспортируют в отделение гальванохимической переработки для регенерации хемосорбционного материала и утилизации элюата. Регенерацию ВИОН АС-1 проводят раствором Na₂CO₃ . При этом в каждую колонну заливают по 50 л раствора и оставляют его на 3 часа. Последующая операция заключается в промывке фильтра водой [20].

Было проведено исследование 8 волокнистых сорбентов, применяемых для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (Ag, Hg, Cr, Cd, Fe).Установлено, что волокнистые сорбенты ПАН-ПЭА, ПАН-ТТО-МКХК и угольное волокно эффективно очищают сточную воду от ионов тяжелых металлов. Они легко регенерируются путем обработки кислотами и могут многократно использоваться для очистки. Из раствора, полученного после регенерации волокон, можно выделять металлы и использовать их повторно .

Синтезированы ионообменные материалы на основе отходов швейного и трикотажного производства, содержащие полиэфирное, полиакрилонитрильное волокно. Установлено, что синтезированные ионообменные волокна проявляют селективные ионообменные свойства .

В лабораторных условиях исследовано выделение хрома из промывных сточных вод гальванических цехов с помощью ионообменных смол (ионообменные смолы в ОН-форме типа "Wolfatit" (ГДР) марок SWB, SZ, SL, SBK, АД-41 и активированного угля марки AS)и углеродистых сорбентов. Показано, что ионообменные смолы можно использовать для очистки сточных вод в промышленном масштабе [20]

Достоинства метода

1) Возможность очистки до требований ПДК.

2) Возврат очищенной воды до 95% в оборот.

3) Возможность утилизации тяжелых металлов.

4) Возможность очистки в присутствии эффективных лигандов.

 Недостатки метода

1) Необходимость предварительной очистки сточных вод от масел, ПАВ, растворителей, органики, взвешенных веществ.

2) Большой расход реагентов для регенерации ионитов и обработки смол.

3) Необходимость предварительного разделения промывных вод от концентратов.

 4) Громоздкость оборудования, высокая стоимость смол

 5) Образование вторичных отходов-элюатов, требующих дополнительной переработки

Ионный обмен - физико-химический процесс распределения ионогенного вещества между жидкой фазой (раствором электролита) и твердой фазой (ионитом). Этот процесс подобен адсорбции, при которой распределение вещества происходит под действием поверхностных сил на границе раздела фаз, только в случае ионного обмена такими силами являются силы кулоновского взаимодействия. Не случайно твердые фазы обоих процессов имеют общее название - сорбенты. С появлением полимерных ионитов (они также называются ионообменными смолами), зерна которых представляют собой поперечно сшитые клубки полимерных нитей с нанизанными на них ионогенными функциональными группами, "макро - граница" ионитов перестала быть единственным носителем сорбционных центров, и процесс перешел в глубь полимера, стал объемным. В связи с этим важнейшая характеристика ионита - обменная емкость - выражается количеством функциональных групп в единице объема смолы.

Согласно закону Кулона, вблизи функциональных групп в ионите концентрируются ионы противоположного заряда, т.е. функциональными группами анионообменника (или анионита) служат положительно заряженные ионы (катионы), ковалентно связанные с полимером (обычно аммониевые основания); и наоборот, в катионите функциональными группами являются ковалентно связанные с полимером анионы (карбоксильные, фосфорнокислые, сульфогруппы и др.). В зависимости от заряда, размеров, конфигурации ионы с разной силой притягиваются к соответствующим функциональным группам. На количество занятых ионами функциональных групп прямо влияет также их концентрация в растворе [20].

Под сорбентами понимают твердые зернистые или волокнистые механически прочные, нерастворимые и химически устойчивые вещества, используемые для разделения или накопления входящих в систему компонентов. Ионообменные сорбенты (иониты) должны обладать способностью к гетерогенным ионообменным реакциям, т.е. во - первых, иметь ионообменную емкость, во - вторых, их кинетические свойства должны обеспечивать сравнительно полное использование их обменной емкости. Важным свойством ионитов является селективность, зависящая от природы обмениваемых ионов [20].

Обменная емкость. Способность к ионному обмену обеспечивается наличием в сорбентах химически активных групп с подвижными обмениваемыми ионами. Их концентрацию в мэкв/г (или мэкв/мл) сорбента называют полной обменной емкостью (ПОЕ) ионита. В соответствии со знаками зарядов матрицы различают сорбенты, способные к обмену катионов (катиониты) , и сорбенты, способные к обмену анионов (аниониты). В химическом аспекте по природе функциональных ионогенных групп катиониты соответствуют кислотам (подвижный ион водорода) или их производным (солям); аниониты соответствуют основаниям (подвижный ион гидроксили) или их производным (солевые формы анионитов).

Катиониты и аниониты подразделяют на две группы по степени ионизации функциональных групп, обусловленной их химической природой, что аналогично обычным понятиям сильные и слабые электролиты. Высокоионизованные сильнокислотные катиониты, так называемые универсальные (КУ), например сульфокатиониты, обладают способностью к обмену ионов водорода в растворах с широким интервалом изменения рН; слабоионизованные катиониты КБ (буферные), например карбоксильные, фосфорнокислые, способны к обмену ионов водорода на металл только в щелочных и лишь отчасти в нейтральных растворах.

Аналогично различают высокоионизованные, высокоосновные (например, с четвертичными аммониевыми основаниями) аниониты АВ универсального действия и аниониты низкоосновные АН, способные к обмену ионов гидроксила лишь в кислых и отчасти в нейтральных растворах.

В условиях эксперимента иониты легко различить по основности, проводя определение обменной емкости в растворах различного рН: для катионитов - в щелочных и нейтральных солевых растворах, для анионитов - в кислых и нейтральных солевых растворах.

Эксперименты проводят в стеклянных колонках строго заданных размеров: 25х600 и 16х850мм при полной или частичной регенерации соответственно. В случае полной регенерации используют 0,1М растворы кислоты (щелочи), а для сильноионизованных ионитов - дополнительно 0,01М растворы хлоридов кальция (натрия). В опытах с заданным расходом регенерирующего вещества через колонки катионита в Н⁺ и Nа⁺ - формах пропускают 1,75мМ раствор СаCI₂, для Н⁺ - формы определяют дополнительно ДОЕ по 3,5мМ раствору NаНСО₃. Через низкоосновный анионит в ОН^—форме пропускает 3,5мМ раствор НCI (Н₂SО₄), через высокоосновный анионит - 0,01М раствор NaCI. Во всех случаях строго выдерживают удельные нагрузки (объемные скорости потока). В случае слобоионизованных ионитов растворы в колонку подают снизу вверх. Динамическую обменную емкость выражают в мэкв/л ионита.

Пористость. Обменная емкость ионитов любой структуры не зависит от размера их зерен, так как весь объем зерна более или менее доступен для ионообменной реакции. Однако во многих случаях пористые иониты имеют существенные преимущества перед массивными, гелевыми. Пористость ионитов является важным фактором, который способствует ускорению процесса ионного обмена во внутридиффузионной области и снижает отравление анионитов органическими примесями [7].

Структура пористых сополимеров обусловлена природой порообразователя и в случае применения спиртов имеет глобулярный характер, что приводит к образованию межглобулярных пор большого размера. Так, при использовании в качестве порообразователя изооктилового спирта средний радиус глобул равен 30-60нм, однако присутствуют поры и существенно меньших размеров. При увеличении числа атомов в изомерном спирте сополимеры получаются с более однородными по размерам порами, а суммарный объем пор уменьшается. Наилучшими порообразователями считаются первичные одноатомные алифатические спирты.

Селективность. В связи с проблемами прямого избирательного определения элементов в сложной смеси и извлечения металлов при комплексной переработке руд и из технологических растворов в гидрометаллургии возник интерес к селективным сорбентам.

Селективность ионообменных сорбентов определяется двумя факторами. С одной стороны, при обычном типе обмена (например, катионы на катионите) селективность может быть обусловлена точным соответствием размеров пор сорбента размеру гидратированного радиуса иона элемента: ионы с большими радиусами не входят в объем зерна ионита (ситовой эффект), а ионы слишком малых размеров характеризуются меньшей энергией сорбции. Такой эффект проявляется тем более четко, чем меньше набухаемость сорбента [7].

С другой стороны, селективность ионообменных сорбентов может быть обусловлена и химическим взаимодействием компонентов с функциональными группами ионита, например комплексообразованием металлов, появлением помимо ионной дополнительной координационной связи с атомами функциональных групп. Для металлов типа железа, урана, редкоземельных элементов характерно образование комплексных соединений с кислородом в качестве адденда; неслучайно селективными по железу являются иониты с большим числом фенольных групп, а по урану и редкоземельным металлам - карбоксильные и фосфорнокислые катиониты. Кобальт, никель, медь, цинк, образующие в растворах устойчивые аммиакаты, селективно сорбируются анионитами, особенно содержащими первичные аминогруппы.

При синтезе катионитов в качестве кислотных функциональных групп, определяющих катионообменные свойства, в матрицы ионитов обычно вводят сульфогруппы, карбоксильные, фосфорнокислые, мышьяковокислые, сульфогидрильные и другие группы. В качестве сульфирующих агентов для сополимера стирола и ДВБ обычно используют серную кислоту, олеум, хлорсульфоновую кислоту, в последнем случае ионит омыляют горячей (50⁰С) водой. Во избежание растрескивания зерна сополимера в процессе сульфирования оставляют набухать в растворителях (толуол, тетрахлорэтилен, трихлорэтилен, дихлорэтан).

При синтезе анионитов в качестве основных групп, определяющих анионообменные свойства, в матрицы ионитов обычно вводят первичные, вторичные, третичные аминогруппы, четвертичные аммониевые основания, гетероциклические азотсодержащие соединения. Это во многом определяет силу анионитов как оснований и их селективность. Многообразие конденсационных анионитов, в том числе и по их основности, определяется составом исходных мономеров и конденсирующих агентов [7].