Состав и способ обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ с применением этого состава

Состав и способ обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ с применением этого состава

Реферат

Изобретение относится к способам минерализации токсичных органических соединений непосредственно на месте загрязнения.

Загрязнение окружающей среды жидкими токсичными веществами, в частности компонентами жидких ракетных топлив, представляет собой большую проблему вследствие чрезвычайной токсичности и высокой химической стабильности таких соединений. Ликвидация последствий загрязнений, возникающих вследствие неполного сгорания ракетного топлива или в случае его ненадлежащего хранения и транспортировки, требует больших финансовых затрат. Особую сложность при решении этой задачи вызывает низкая концентрация удаляемого токсичного вещества в сочетании с большой площадью загрязнения.

Учитывая повышенную сложность проблемы, достаточно перспективным выглядит способ очистки с помощью твердых водорастворимых окислителей. Так, в обзоре [А.Н.Кузнецов, А.И.Болысов, Я.Т.Шатров. Обзор итогов десятилетних работ по обеспечению экологической безопасности ракетно-космической деятельности, "Двойные технологии", №3, 2001 г.] приведены обнадеживающие результаты по испытанию способа детоксификации грунта от гептила порошком «Абикс», представляющим собой смесь пероксидов щелочных и щелочноземельных металлов с супероксидом кальция, в реальных условиях на месте падения первой ступени ракеты-носителя «Протон». В то же время следует отметить, что некоторые компоненты использованного вещества достаточно дороги в получении и требуют особых условий хранения для поддержания высокой окислительной активности.

В патенте [US 6843618, В09С 1/00, 15.08.2002] предложен способ очистки почвы неорганическими пероксидами в сочетании с биологическими агентами, питательными веществами и их смесями.

Кроме того, в качестве смесей, очищающих почву от органических загрязнителей, дополнительно используют водные растворы перекисей совместно с хелатирующими агентами, которые образуют комплексы с растворенными в почве двухвалентными металлами и затем каталитически разлагают пероксид до окислительного соединения [ЕР 1773127, A01N 59/06, 18.04.07].

Общим недостатком указанных способов является неконтролируемое образование промежуточных продуктов парциального окисления, которые, не менее, а иногда и более ядовиты, чем исходное соединение. В частности, одним из продуктов взаимодействия перекисных и супероксидных соединений с гептилом является нитрозодиметиламин, высокотоксичное канцерогенное соединение.

В работе [РФ 2253520, В09С 1/08, A62D 3/00, 10.06.05] для целей предотвращения заражения почвы используют пористый углерод, содержащий материал - шунгит, абсорбирующий разливы гептила. Очевидно, что в ряде случаев невозможно предвидеть все места потенциального пролива гептила, поэтому по-прежнему актуально создание способа детоксификации уже имеющихся разливов.

В патенте [РФ 2095105, A62D 3/00, 10.11.1997], который является прототипом настоящего изобретения, раскрыт способ очистки мест техногенных загрязнений токсичными органическими веществами посредством их обработки супероксидами щелочных и щелочноземельных металлов. Вместе с тем, низкая скорость обезвреживания токсичных загрязнений и невысокая селективность данных материалов по отношению к минерализуемому веществу стимулирует продолжение поиска более эффективных методов борьбы с почвенными загрязнениями.

Изобретение решает задачу разработки способа обезвреживания, позволяющего не только быстро и эффективно оксилять токсичные органические вещества, но и избегать при этом образования побочных токсических продуктов.

Решение задачи достигают, используя для обезвреживания зараженных участков почвы смесь пероксидов щелочных и щелочноземельных металлов с углеродными сорбентами-катализаторами.

Предложен состав для обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ на основе пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов, представляющий собой смесь пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов с углеродсодержащим сорбентом-катализатором.

Массовая доля сорбента-катализатора составляет 1-99%.

В качестве сорбента используют искусственные либо ископаемые углеродсодержащие материалы с удельной поверхностью не менее 5 м²/г.

Предложен способ обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ, включающий обработку указанного грунта составом, представляющий собой смесь пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов с углеродсодержащим сорбентом-катализатором. Массовая доля сорбента-катализатора составляет 1-99%. В качестве сорбента используют искусственные либо ископаемые углеродсодержащие материалы с удельной поверхностью не менее 5 м²/г.

Массовый расход состава для обезвреживания грунта составляет от 20 до 100 кг сухой смеси на 1 кг токсичного органического вещества.

Смесь пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов с углеродсодержащим сорбентом-катализатором используют в виде порошка или суспензии.

Авторами было обнаружено, что в присутствии углеродсодержащих материалов с высокой пористостью обезвреживание, например, гептила, перокидами щелочных и щелочноземельных металлов значительно ускоряется. Окисление гептила происходит до углекислого газа, воды и азота, причем в продуктах реакции практически отсутствуют токсичные вещества. Положительный эффект от добавки пористого углеродсодержащего сорбента обусловлен, во-первых, адсорбцией гептила на высокоразвитой поверхности этого материала, что приводит к снижению его содержания в почве. Во-вторых, пористый уголь одновременно действует как катализатор разложения перекисных соединений, в том числе пероксида водорода [Santos V.P., Pereira M.F.R., Faria P.С.С., Decolourisation of dye solutions by oxidation with Н₂О₂ in the presence of modified activated carbons, Journal of Hazardous Materials, Volume 162, Issue 2-3, 15 March 2009, Pages 736-742], появляющихся в водном щелочном растворе в результате гидролиза пероксидов щелочных и щелочноземельных металлов [Tsentsiper A.B., Dobrolyubova M.S. Thermal decomposition of sodium peroxoborate, Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR Division of Chemical Science, Volume 23, Issue 6, June 1974, Pages 1143-1145], поэтому адсорбированный гептил окисляется значительно более эффективно, так как активные продукты этого каталитического разложения окисляют расположенные в непосредственной близости адсорбированные молекулы гептила.

Дополнительное повышение эффективности изобретения достигается при перемешивании (например, с помощью перепахивания) обезвреживающей смеси и загрязненного участка почвы, либо посредством использования ультрадисперсных углеродных материалов с размером частиц менее 10 микрон, которые могут эффективно проникать в верхние слои почвы.

Реагент используют в виде порошка или суспензии, которые наносят нагрунт и, в случае необходимости, дополнительно перемешивают с грунтом. Необходимое количество обезвреживающего состава рассчитывается исходя из предполагаемого количества загрязнителя по следующему соотношению: на 1 кг загрязнителя используют от 20 до 100 килограммов смеси, содержащей пероксид щелочного или щелочноземельного металла и углеродсодержащий сорбент (в расчете на сухую смесь). При этом массовая доля угольного сорбента в составе может составлять от 1 до 99 мас.%. В качестве угольного сорбента-катализатора можно использовать любые виды пористых углей с развитой внутренней поверхностью, составляющей не менее 5 м²/г. К таким материалам относятся, например, древесный уголь, синтетические угли с развитой поверхностью более 100 м²/г, либо ископаемые углеродсодержащие материалы, например шунгит.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Сравнительный.

В литровой колбе готовят водный раствор соляной кислоты с рН=5.5. К указанному раствору добавляют загрязнитель 1 в количестве 300 мг с исходным составом 59 мол.% гептила и 41 мол.% нитрозодиметиламина. Скорость окисления гептила и нитрозодиметиламина определяют спектрофотометрически, отбирая пробы исследуемого раствора. Также определяют общее содержание растворенного органического углерода (РОУ) в растворе. Разность между начальным и текущим количеством РОУ характеризует степень минерализации загрязнителя.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 2%, концентрация нитрозодиметиламина не изменяется.

Пример 2. Сравнительный.

В литровой колбе готовят водный раствор гидроксида натрия с рН=11. К указанному раствору добавляют загрязнитель 1 в количестве 300 мг. Остальные условия аналогичны примеру 1.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 4%, концентрация нитрозодиметиламина не изменяется.

Пример 3. Сравнительный.

В литровой колбе готовят водный раствор гидроксида натрия с рН=11. К указанному раствору добавляют диэтилнитрофенилфосфат, который является аналогом боевого отравляющего вещества, а также используется в качестве пестицида, в количестве 300 мг. В процессе реакции определяют общее содержание РОУ в растворе.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 1%.

Пример 4. Сравнительный.

В литровой колбе готовят водный раствор гидроксида натрия с рН=11. К указанному раствору добавляют этанол в количестве 300 мг. В процессе реакции определяют общее содержание РОУ в растворе.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 2%.

Пример 5. Сравнительный.

В литровой колбе готовят водный раствор гидроксида натрия с рН=11. К указанному раствору добавляют загрязнитель 1 в количестве 600 мг и пероксоборат натрия (в качестве пероксида щелочного металла) в количестве 10 г. Измерение концентраций реагентов осуществляют также, как в примере 1.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 4%, концентрация нитрозодиметиламина не изменяется.

Пример 6. Сравнительный.

В примере 4 имитируют окисление токсичных загрязнителей в естественных условиях разливов. Реагенты готовят аналогично примеру 5, после чего в раствор добавляют 200 г песка, который имитирует загрязненный гептилом грунт.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 6%, концентрация нитрозодиметиламина увеличивается со скоростью 0.2 мг/л/ч.

Пример 7.

Аналогично примеру 5, однако окисление загрязнителей проводят смесью 10 г пероксобората натрия и 10 г толченого древесного угля с удельной поверхностью 50 м²/г.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 40%, через 24 ч - на 80%. Концентрация нитрозодиметиламина уменьшается со скоростью 2 мг/л/ч.

Пример 8.

Аналогично примеру 3, однако окисление загрязнителя проводят смесью 10 г пероксобората натрия и 10 г толченого древесного угля с удельной поверхностью 50 м²/г.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 35%, через 24 ч - на 70%.

Пример 9.

Аналогично примеру 4, однако окисление загрязнителя проводят смесью 10 г пероксобората натрия и 10 г толченого древесного угля с удельной поверхностью 50 м²/г.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 40%, через 24 ч - на 80%.

Пример 10.

В примере 6 имитируют окисление загрязнителей по способу изобретения в естественных условиях. Опыт проводят аналогично примеру 7, но после смешения раствора с загрязнителем 1 и обезвреживающего состава к смеси добавляют 200 г песка.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 43%, через 24 ч - на 82%. Концентрация нитрозодиметиламина уменьшается со скоростью 1.8 мг/л/ч.

Пример 11.

Аналогично примеру 5, в качестве сорбента-катализатора в реакционную смесь добавляют 10 г природного углеродсодержащего минерала - шунгит - ископаемый углеродсодержащий материал с удельной поверхностью 10 м²/г.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 45%, через 24 ч - на 82%. Концентрация нитрозодиметиламина уменьшается со скоростью 2,2 мг/л/ч.

Пример 12.

Аналогично примеру 5, в качестве сорбента-катализатора в реакционную смесь добавляют 10 г углеродсодержащего сорбента СУМС-1 с удельной поверхностью 150 м²/г.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 48%, через 24 ч - на 86%.

Пример 13.

Аналогично примеру 5, в качестве сорбента-катализатора в реакционную смесь добавляют 10 г углеродсодержащего сорбента Сибунит с удельной поверхностью 300 м²/г.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 50%, через 24 ч - на 88%.

Пример 14.

Аналогично примеру 5, однако в качестве окислителя используют 10 г пероксида щелочноземельного металла - пероксоборат кальция (СаВ₂О₆·2H₂O).

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 38%, через 24 ч - на 77%. Концентрация нитрозодиметиламина уменьшается со скоростью 1,9 мг/л/ч.

Пример 15.

Аналогично примеру 5, однако в качестве окислителя используют 10 г пероксида кальция CaO₂.

Через 8 ч после начала опыта концентрация РОУ уменьшается на 40%, через 24 ч - на 80%. Концентрация нитрозодиметиламина уменьшается со скоростью 1,9 мг/л/ч.

Таким образом, из примеров 1-6 видно, что естественная скорость окисления токсичных загрязнителей низка как в кислой, так и в щелочной средах, в том числе в присутствии пероксобората натрия.

Однако, в случае использования для обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ предлагаемых составов скорость обезвреживания значительно возрастает.

1. Состав на основе пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов для обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ, отличающийся тем, что он представляет собой смесь пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов с углеродсодержащим сорбентом-катализатором.

2. Состав по п,1, отличающийся тем, что массовая доля углеродсодержащего сорбента-катализатора составляет 1-99%.

3. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве сорбента-катализатора используют искусственные либо ископаемые углеродсодержащие материалы с удельной поверхностью не менее 5 м²/г.

4. Способ обезвреживания грунта от проливов токсичных органических веществ, включающий обработку указанного грунта пероксидами щелочных или щелочноземельных металлов, отличающийся тем, что для обезвреживания грунта применяют состав по любому из пп.1-3.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что массовый расход состава для обезвреживания грунта составляет от 20 до 100 кг сухой смеси на 1 кг токсичного органического вещества.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что смесь пероксидов щелочных или щелочноземельных металлов с углеродсодержащим сорбентом-катализатором используют в виде порошка или суспензии.