Постановка проблемы: Краснодарский край является регионом с развитой перерабатывающей промышленностью продуктов сельскохозяйственного производства. Наиболее быстрыми темпами развивается виноделие, сточные воды и отходы которого представляют собой колоссальную нагрузку на очистные агрегаты, в том числе загрязняют ионообменные материалы. В многокомпонентной загрязняющей смеси содержатся вещества различной химической природы, в том числе полифенолы [i  ]. Данные вещества играют решающую роль в накоплении и увеличении доли необратимых загрязнителей на поверхности ионообменников не только в виноделии, но и в производстве других напитков. Таким образом, иониты становятся непригодными для дальнейших очистных мероприятий и превращаются в отходы. Как известно, ионообменные смолы, в зависимости от их применения в промышленности, могут относиться ко всем классам опасности по классификатору отходов производства и потребления. Например, ионообменная смола, отработанная при очистке кубовых остатков от непредельных углеводородов в производстве фенола и ацетона относиться к четвертому классу опасности [ii  ].

Российское законодательство предписывает сдавать на утилизацию отработанные ионообменные смолы в специализированные предприятия, обладающие лицензиями на право обращения с опасными отходами [iii  , iv  ]. На практике не все предприятия следуют данному указанию. Выбор пути «смериться и оплатить штраф» для организаций повсеместен, так как на сегодняшний момент затраты на переоборудование производства несоизмеримы с суммами, предписанными органами Росприроднадзора. Таким образом, отработанные смолы способы оказать значительное воздействие на экологическую безопасность: загрязнить водоемы, убить их флору и фауну, отрицательно сказаться на экологии местности в целом. Во избежание вышеперечисленных последствий, важно повысить экологичность и эффективность процесса ионообменной очистки сточных вод винной промышленности за счет сокращения объема отработанных ионообменных материалов и извлечения загрязняющих полифенолов из них.

Методика исследования: Для данной работы были выбраны ионообменные смолы российского производства, которые представлены в таблице 1. Смолы в качестве ионообменного материала наилучшим образом подходят для данной тематики, так как именно их используют в пищевой промышленности [v  ], к тому же на гранулированных ионитах можно наглядно исследовать процессы их загрязнения сложными молекулами полифенолов [vi  ].

Таблица 1 – Некоторые характеристики исследуемых ионитов

Был проведен ряд экспериментов с концентрацией полифенолов (антоцианов) 20±0,1 мг/дм³. При данной концентрации уменьшается возможность совершить ошибку в измерениях. Большую концентрацию применять нецелесообразно, так как невозможно будет оценить загрязнение антоцианами ионитов по методу рН-дифференциальной спектрофотометрии.

Оптическую плотность суммы антоцианов рассчитывают, как разность оптических плотностей растворов при разных длинах волн и значениях рН по формуле:

  , (1)

Массовую концентрацию суммы антоцианинов С(x), мг/дм³, рассчитывают в пересчете на цианидин – 3 – глюкозид (C3G) по формуле:

          (2)

где А – измеренная оптическая плотность суммы антоцианинов;

М(x) – молекулярная масса C3G, равная 449,2 г/моль;

V₁ – вместимость мерной колбы, взятой для разбавления, см³;

V₂ – объем пробы, отобранный для анализа, см³;

Е – молярный коэффициент экстинкции C3G, равный 26900 [моль*см/дм³] ^-1;

L – длина оптического пути кюветы, равная 1 см.

При расчёте значения массовой концентрации антоцианов, сорбируемых исследуемой ионообменной смолой (С_{ц.смолы}) использовали уравнение:

         (3)

         (4)

где С_ц.исх. – исходная концентрация антоцианов в смоле, мг/дм³;

С_{ц.текущ}. – концентрация антоцианов в смоле текущая, мг/дм³;

V_смолы – объем смолы, дм3;

 m – масса смолы, г;

ρ – плотность смолы, г/дм3.

Выводы:

Рисунок 1 – Цветовая индикация структуры антоцианов внутри ионообменных смол после их контакта в течение 200 минут из водного раствора (C_{антоциана}=20 мг дм^-3), рН которого равен 3,00±0,01.

Выявлено, что при pH=3 наиболее высокую сорбцию антоцианов обеспечивает смола КУ-2-8 (рис. 2). Причиной является комбинация электростатических взаимодействий положительно заряженных антоцианов с отрицательно заряженными фиксированными группами смолы, а также стэкинг взаимодействия ароматических колец антоцианов и полимерной матрицы, которая состоит из сополимера полистирола и дивинилбензола (рис.1).

Рисунок 2 – Кинетические зависимости сорбции антоцианов ионообменными смолами (рН равен 3,00±0,01)

Рисунок 3 – Цветовая индикация структуры антоцианов внутри ионообменных смол после их контакта в течение 200 минут из водного раствора (C_{антоциана}=20 мг дм^-3), рН которого равен 6,00±0,01.

Рисунок 4 – Кинетические зависимости сорбции антоцианов ионообменными смолами (рН равен 6,00±0,01)

При pH=6 антоцианы, попадающие в анионообменную смолу АВ-17 и ЭДЭ-10П, приобретают отрицательный заряд и вступают в электростатические взаимодействия с положительно заряженными фиксированными группами (рис.3), поэтому кинетика сорбции смолами при данном значении pH меняется в сторону увеличения сорбционной способности анионообменных смол (рис.4).

Таким образом, меняя значение pH перерабатываемого раствора можно управлять сорбцией антоцианов ионообменными смолами: уменьшать степень загрязнения ионообменников полифенолами, а, следовательно, продлевать срок службы данных ионитов. Также подбор смолы и рН перерабатываемого раствора будет использоваться в дальнейшем для определения оптимальных условий извлечения загрязняющих полифенолов из сточных вод винодельческой промышленности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), грант 17-19-01486.