«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»

 
200 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
Қоршаған  ортаның  əртүрлі  жолдармен  ластануының  ішінде,  табиғи  сулардың 
химиялық  ластануы  ерекше  орын  алады.  Кез  келген  су  қоймалары  немесе  су  көздері 
оларды  қоршап  тұрған  сыртқы  ортамен  тығыз  байланыста  болады.  Оларға  жер  үсті 
немесе  жер  асты  ағызынды  суларының  құрылым  жағдайлары,  əртекті  табиғи 
құбылыстар,  индустрия,  өндірістік  жəне  коммуналдық  құрылыстар,  транспорт, 
адамдардың  шаруашылық  жəне  тұрмыстық  іс-əрекеттері  əсер  етеді.  Осы  əсердің 
нəтижесінде су ортасына түскен ластағыштар судың сапасын төмендетеді.  
Тау-кен  өндірісінің  ағызынды  суларының  құрамында,  гальванотехника  жəне  т.б. 
өндірістерден  шығатын  ағызынды  сулар  мен  қолданылған  ерітінділердің  құрамында 
көптеген ауыр жəне түсті металдар - Рb
2+
, Zn
2+
, Cu
2+
, Cd
6+
, Fe
3+ 
иондары кездеседі. Ал, 
ағызынды  сулардың  миграциялық  тізбегі - ең  күрделі  қоршаған  ортаны  ластаушы 
көздердің  бірі.  Сондықтан,  аталған  металдар  иондары  су  құрамында  өте  аз  мөлшерде 
болғанының  өзінде,  қоршаған  ортадағы  фауна  мен  флораға  үлкен  зиянды  əcepін 
тигізеді.  
Осы  күнге  дейін  құрамында  ауыр  жəне  түсті  металл  иондары  бар  ағызынды 
суларды тазалауда əртүрлі реагентті əдістер қолданылып келген [1]. Алайда, бұл əдістің 
бірқатар  кемшілігі  болуына  байланысты,  яғни,  əртүрлі  реагенттер  шығынымен 
байланысты,  экономикалық  тиімсіздігі;  қосымша  иондармен  ластануы  жəне  ерігіштігі 
аз  қосылыстардың  түзілуіне  орай,  олардан  металдарды  бөліп  алу  қиындығы 
туындайды.  Сондай-ақ,  құрамында  ауыр  жəне  түсті  металл  иондары  бар  ағызынды 
суларды  тазалаудың  ион  алмасу,  мембраналық  жəне  сорбциялау  əдістері  арқылы 
жүзеге асырылып келеді [2]. Бұл əдістер өте күрделі жəне экономика жағынан тиімсіз 
болып отыр. 
Осыған  орай,  ауыр  жəне  түсті  металл  иондары  бар  ағызынды  суларды  тазалау 
казіргі күннің күрделі өзекті мəселелерінің бірі болып отыр
.  
Ағызынды  су  құрамындағы  бірлесіп  кездесетін  ауыр  металл  иондарын  қиын 
еритін  қосылыстарға  өткізіп,  олардан  арылу  əдістері  белгілі.  Тұнбаға  түсіруші 
қосылыстар  ретінде  оксидтер,  гидроксидтер,  сілтілік  жəне  сілтілік  жер  металдардың 
тұздары, сульфид- жəне фосфатты қосылыстар жатады [3]. 
Ағызынды  судағы  ауыр  металл  иондарын  электрокоагуляция  əдісімен  тазарту 
белгілі  əдістердің  біріне  жатады [4]. Металды  бөліп  алу  дəрежесі 98-99% құрайды. 
Электрокоагуляция əдісінің басты кемшіліктері көп мөлшерде металл (алюминий жəне 
темір)  ұнтақтарын  жəне  электр  энергиясын  қажет  етеді.  Сонымен  қатар  практикада 
электродты  жүйелерді  темір  гидроксидімен  шламдауға  жəне  қысқа  тұйықталулар 
тудыру мақсатында 50-70% аспайтын металл электродтарын пайдаланады. Сорбциялық 
əдіс – ағызынды суды тазартудың тиімді əдістерінің қатарына жатады. 
Ағызынды  суларды  металдардан  тазартатын  реагентсіз  деп  есептелетін 
үрдістердің көбі – электрохимиялық əдістер. Бірақ суды жəй электрод бетінде тазаласа, 
токтың  мыңнан  бір  бөлігі  ғана  пайдалы  жұмысқа  кетіп,  қалғаны  далаға  кетеді.  Сол 
себептен бұл үрдістер тиімсіз деп саналып келген.  
Ал, осы мақсатта түйіршікті электродтарды қолдану – бұл кемшіліктерді жоюға 
мүмкіндік береді, себебі түйіршікті электродтың реакцияласу беттік ауданы кең, үрдіс 
бүкіл  көлемде  жүреді,  ерітіндідегі  аз  мөлшердегі  металл  иондарының  тотықсыздануы 
80-90% ток бойынша шығыммен жүреді [5]. 
Ұсынылып  отырған  жұмыста  құрамында  қорғасын  бар  қолданылған 
ерітінділерден, ағызынды сулардан қорғасын ионынын электролиз тəсілімен түйіршікті 
электродтарда бөліп алу ерекшеліктері зерттелді. Өндірістен шыққан ағызынды судың 
моделі ретінде, құрамында 200 мг/л  Pb (ІІ) иондары бар ерітінді қолданылды. 
Қолданылған  ерітінділерден  жəне  ағызынды  сулардан  қорғасынды  бөліп  алуға 
арналған лабораториялық қондырғы 1-суретте келтірілген. 
 
 

 
201 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 – тазалауға арналған ыдыс; 2 – графит аноды; 3 – түйіршікті электрод; 4 – 
токжеткізгіш; 5 – тазартылған ерітіндіге арналған ыдыс. 
 
1-сурет. Қолданылған ерітінділерден жəне ағызынды сулардан қорғасынды бөліп алуға 
арналған лабораториялық қондырғы 
 
Қорғасын  (ІІ)  иондарын  ерітіндіден  бөліп  алу  дəрежесіне  жəне  ток  бойынша 
шығымына  мынадай  параметрлердің  əсері  қарастырылды:  ток  тығыздығы (i, A/м
2
), 
түйіршікті  электродтар  өлшемі (l,см),  түйіршікті  электрод  қабаты  қалыңдығы  (
,  см), 
ерітінді  ағыны  жылдамдығы (V, мл/сағ.),  электрод  материалы.  Электролизді  ағынды 
режимде бірқатар тəжірибелер жасалынды. 
Қорғасын  (ІІ)  иондарының  мөлшері  полярографиялық  əдіс  арқылы  анықталған. 
Оның мөлшері (мг/мл) мына формула бойынша есептелінеді: 
С
х
 = h
х
·С
ст
·100/h
ст
·V
аликв
 
мұнда, h
ст
-  стандартты  ерітіндідегі  ионның  толқын  биіктігі,  мм;  С
ст
 – стандартты 
ерітіндідегі  ион  концентрациясы,  мг/мл; h
х
-  зерттелінетін  ерітіндідегі  ионның  толқын 
биіктігі,мм; V
аликв
 – анализге алынатын сынама көлемі. 
Ерітіндінің  қорғасын  (ІІ)  иондарынан  тазалану  дəрежесін  келесі  формула 
бойынша анықталған: 
% = (С
Ме(1)
 – С
Ме(2)
 / С
Ме(1)
)
100 
мұнда, С
Ме(1)
 – зерттеліп отырған  ерітіндідегі металл концентрациясы, г/л (тəжірибеге 
дейін); С
Ме(2)
  - электролизден кейінгі металл концентрациясы, г/л. 
Ерітіндінің қорғасын (ІІ) иондарынан тазалану дəрежесіне ток тығыздығының əсері 
зерттелді (2-сурет).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(V
ағын
  = 150мл/сағ., [Pb
2+
]
баст
=200 мг/л;  l = 0,1 см;  d =0,1 см;   δ ═ 0,5см) 
 
2-сурет. Ток тығыздығының қорғасынды бөліп алу дəрежесіне (α) əсері 
 

 
202 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
Ток  тығыздығының  өсуімен,  қорғасынды  судан  бөліп  алу  дəрежесі  максимум 
арқылы өтеді. Металды бөліп алу дəрежесінің максимум мəні электродтың бүкіл көлемі 
шектік  диффузиялық  ток  режимінде  жұмыс  істегенде  жетеді.  Катодта  металл 
иондарының  тотықсыздану  үрдісімен  қатар,  ток  тығыздығы  өскен  сайын,  сутегінің 
конкурентті  бөлінуі  де  өседі,  сондықтан  қорғасынды  бөліп  алу  дəрежесі  төмендейді. 
Ток бойынша шығым ток тығыздығының өсуі бойынша кемиді. Тəжірибе кезінде, ағын 
жылдамдығы 150 мл/сағ., түйіршікті электрод қабатының қалыңдығы 0,5 см, электрод 
өлшемі d =0,1 см, l = 0,1 см етіп тұрақты ұсталынып отырды. 
Ерітіндінің  қорғасын  (ІІ)  иондарынан  тазалану  дəрежесіне  ерітінді  ағынының 
жылдамдығының  əсері  зерттелді (3-сурет).  Құрамында  қорғасын  (ІІ)  иондары  бар 
қалдық  су  ағыны  жылдамдығын 50-ден 350 мл/сағ.  аралығында  зерттеу, 150 мл/сағ. 
ағын жылдамдығына дейін қорғасынды бөліп алу дəрежесі жəне ток бойынша шығым 
бірқалыпты  өсетіндігін,  одан  жоғарғы  су  ағыны  жылдамдығында  оның 
төмендейтіндігін көрсетті. Оның себебі, жоғарыда атап өткендей, құрамында қорғасын 
(ІІ)  иондары  бар  су  түйіршікті  электрод  арқылы  үлкен  жылдамдықпен  өткенде, 
қорғасын иондарының жалпы мөлшері артады да, су құрамындағы қорғасын иондары 
тотықсызданып үлгере алмайды.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(i=150 А/м
2
; [Pb
2+
]
баст
=200 мг/л; l = 0,1 см; d =0,1 см; δ ═ 0,5см) 
 
3-сурет. Ерітінді ағыны жылдамдығының қорғасынды бөліп алу дəрежесіне əсері  
 
Ерітіндінің  қорғасын  (ІІ)  иондарынан  тазалану  дəрежесіне  электрод 
материалының əсері де зерттелді. Түйіршікті қорғасын электродында қорғасынды бөліп 
алу дəрежесінің максимум мəні 92% болса, түйіршікті графит электродында – 99,2%-ке 
жетті.  Ал  түйіршікті  электрод  салмай,  тек  ток  бергіш  пластинада  электролиз 
жүргізгенде, қорғасынды бөліп алу дəрежесі 14% қана болды.  
Тəжірибенің  оңтайлы  жағдайларда  (і = 150-200А/м
2
; V =125-150 мл/сағ., l = 0,1 
см; δ ═ 0,25-0,75 см) жүргізгенде, қорғасынды бөліп алу дəрежесі 99,2%-ке жетті. Егер 
ерітіндінің  түйіршікті  электродтары  бар  бірнеше  электролизер  арқылы  өткізсе,  онда 
ерітіндіні  қорғасын  иондарынан  толық  тазартуға  болады.  Сонымен  қатар,  бөлінген 
қорғасынды  түйіршікті  графит  электродтарынан  электродты  жағу  арқылы  бөліп  алуға 
болады.  Ауыз  судағы  шекті  рауалды  концентрациядан  жоғарғы  концентрациядан  көп 
қорғасын  иондарын  түйіршікті  электродтарды  қолданып,  тазарту  жақсы  нəтиже 
беретіндігі тəжірибе қорытындылары негізінде көрсетіліп отыр. 
Осы  бағыттағы  алынған  нəтижелерді  талдай  жəне  зерттей  отырып,  ауыр  жəне 
түсті  металдарды  өндіріс  қалдықтарынан  электрохимиялық  жолмен  бөліп  алу 
ерекшеліктері зерттелді. Нəтижесінде ағызынды суды тазарту жəне қатты қалдықтарды 
залалсыздандыру  мəселесi  электрохимиялық  тəсiлдердi  қолдану  арқылы  тиiмдi 
шешiмiн табатындығы жəне оны өнеркəсiптердiң бiрқатар экологиялық проблемаларын 
шешуде қолдануға болатындығы көрсетiлдi. 

 
203 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
Литература 
1.  Милованова  А.В.  Очистка  сточных  вод  предприятий  цветной  металлургии / М.: 
Металлургия, 1971, С.18-21. 
2.  Баймаханов  М.  Т.,  Лебедев  К.Б.,  Антонов  В.Н.,  Озеров  А.И.  Очистка  и  контроль 
сточных вод предприятий цветной металлургии. -М.: Металлургия, 1983, с. 191.  
3.  Kostura J.D. Recovtry and treatment of plating and anodizing waster // Plating and 
Surface Finish - 1980. - 67 N 8, p. 52 - 54.  
4.  Bochan P. J., Bussett W., Calver B.A. Электролитическое регенерирование кадмия в 
промышленных условиях / Plat. and Surface Finish. - 1986, 73, N 4, p. 68 - 70.  
5.  Нурдиллаева  Р.Н.,  Баешов  А.Б.,  Жылысбаева  А.Н.  Очистка  сточных  вод  и 
отработанных  растворов  от  ионов  тяжелых  цветных  металлов.  Тр.  Межд.  конф. 
«Актуальные проблемы экологии»,  Караганда, 2003. – С. 167-169. 
 
 
 
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ   
6,8-ДИНИТРОХИНОЛИНА  
 
Е.В. Кулакова  
 
Институт органического синтеза и углехимии  
 
Процесс восстановления ароматических нитросоединений является важнейшим в 
промышленности,  так  как  получающиеся  продукты - ароматические  амины - находят 
широкое  применение  в  производстве  лекарственных  препаратов,  фунгицидов, 
гербицидов, синтетических красителей, пластических пластмасс и т.п. [1-3] 
Анализ  литературы  по  восстановлению  нитрохинолинов  показывает,  что  для  их 
гидрирования  чаще  всего  используют  химические  и  каталитические  методы [4-7]. 
Изучение восстановления нитрохинолинов в электрокаталитической системе показало, 
местонахождение  нитрогруппы  даже  в  соседнем  кольце  оказывает  существенное 
влияние  на  реакционную  способность  гетероцикла  к  восстановлению.  Так  при 
электрокаталитическом  восстановлении 8-нитрохинолина  в  водно-щелочном  католите 
при добавлении диоксана степень конверсии составила 96-100% при использовании Zn, 
Сu  и Ni катализаторов.  Для 5-нитрохинолина  в  этих  же  условиях  степень  конверсии 
снижается  при  использовании Zn, Сu  и Ni катализаторов  до 46, 67 и 98% 
соответственно [8,9]. Можно  отметить,  что  при  восстановлении  нитрохинолинов  в 
электрокаталитической  системе  не  обнаружено  образования  побочных  продуктов,  и 
осмоления  католита.  Так  как  нитрохинолины  плохорастворимы  в  водно-щелочной 
среде католита, добавление в него предельных спиртов, и особенно диоксана приводит 
к  увеличению  скорости  процесса  и  конверсии  исходного  вещества.  Что  касается 
восстановления  динитропроизводных  хинолина,  то  этот  вопрос  можно  считать 
малоизученным.  
С  целью  изучения  возможности  восстановления 6,8-динитрохинолина (6,8-ДНХ) 
в  электрокаталитической  системе  на  катоде,  активированном  скелетными 
катализаторами    Ni,  Cu  и Zn, исходное  вещество  было  синтезировано  на  основе 
полученного 8-нитрохинолина  по  известным  в  литературе  методикам [4, 10]. 
Температура  плавления  полученного 6,8-ДНХ  составила  154
о
С,  что  соответствует 
справочным данным [11].  
Эксперименты  проводили  в  диафрагменной  электрокаталитической  ячейке, 
разделенной  на  анодную  и  катодную  части  (каждая  объемом 60 мл)  мембранной 
диафрагмой  (марки  МА-40) [12]. В  качестве  анода  использовали  платиновую  сетку, 
катода – медную пластину с видимой поверхностью 5
10
-4
 м
2
, плотно прилегающую ко 

 
204 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
дну  электролизера  и  служащую  подложкой  для  наносимого  катализатора.  Для 
активации катода были использованы скелетные катализаторы (Ni, Cu, Zn) массой 0,5 г. 
Сила  тока  составляла  2А,  температура  реакционной  среды,  равная 40°С, 
поддерживалась  с  помощью  ультратермостата  при  перемешивании 400 об./мин.  В 
качестве  анолита  использовали 50 мл 20%-ного NaOH. В  католит  к 50 мл 2%-ного 
NaOН  было  добавлено 10 мл  диоксана  для  улучшения  растворимости  гидрируемого 
вещества,  так  как  при  изучении  электрокаталитического  восстановления 
соответствующих 
мононитропроизводных 
хинолина 
он 
оказался 
наиболее 
оптимальным  растворителем.  Количество  исходного 6,8-ДНХ (0,33 г, 0,0015 моль) 
было рассчитано на восстановление двух нитрогрупп с соответствующим поглощением 
200  мл  Н
2. 
  Механизм  восстановления 6,8-ДНХ  без  учета  промежуточных  стадий 
гидрирования можно представить следующей схемой: 
 
O
2
N
N
NO
2
N
NO
2
N
NH
2
N
NH
2
[H]
[H]
[H]
[H]
H
2
N
O
2
N
H
2
N
 
 
Так  как  в  электрокаталитической  системе  происходит  выделение  атомарного 
водорода  на  подложке,  на  которую  нанесен  скелетный  катализатор,  удерживаемый 
магнитом,  ожидается  увеличение  скорости  изучаемого  процесса,  в  сравнении  с 
каталитическим.  В  то  же  время  наносимый  катализатор  обладает  большей 
поверхностью,  поэтому  электрокаталитическое  восстановление  динитрохинолина 
может проходить с большей скоростью и селективностью, чем электрохимическое. 
На рисунках 1 и 2 представлены результаты восстановления 6,8-динитрохинолина 
в электрокаталитической системе на скелетных катализаторах, нанесенных на медную 
подложку,  и  на  самой  медной  подложке  в  водно-щелочной  среде  католита  с 
добавлением диоксана.  
Как  видно  из  приведенных  данных,  с  более  высокой  средней  скоростью  и 
поглощением  водорода (92% от  теоретически  рассчитанного  на  восстановление  двух 
нитрогрупп) гидрирование 6,8-ДНХ проходит на скелетном Ni катализаторе. Немного 
менее активной проявила себя скелетная медь (
=76%). При использовании цинкового 
катализатора гидрирование 6,8-ДНХ прошло хуже (
=54%), чем в электрохимической 
системе  (
= 65%). Степень  превращения  веществ  не  превышает 100% в  расчете  на 
восстановление NO
2
-группы.  
Полученные результаты, а также основные характеристики изучаемого процесса, 
такие  как: 
 – степень  превращения  вещества,  равная  отношению  количества 
поглощенного  водорода  к  теоретически  рассчитанному,  умноженному  на 100%; W 
мл Н
2
/мин
 
–  скорость  процесса  при  степени  превращения 
=0,25;  –  коэффициент 
использования  водорода,  который  определяется  отношением  объема  поглощенного 
водорода  V
t
  к  общему  суммарному  объему  водорода,  выделившемуся  на  катоде  V
общ,  
умноженному на 100% приведены в таблице 1. 
 

 
205 
«Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане»
 
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
20
40
60
80
t, мин

Ni
Cu
Zn
Сu подложка
 
0
2
4
6
8
0
50
100
150
200
V (H
2
), мл
W, 
мл
 Н
2
/ми
н
Ni
Cu
Сu подложка
Zn
Рисунок 1 – Изменение степени превращения 
6,8-ДНХ во времени при его 
электрокаталитическом восстановлении  
на различных катализаторах 
Рисунок 2– Кинетические кривые 
восстановления 6,8-ДНХ на различных  
катализаторах 
 
Таблица 1 – Влияние природы катализаторов на электрокаталитическое восстановление  
6,8-динитрохинолина (40
о
С, сила тока 2 А, m
Kt
 =0,5 г, V
диоксана
:V
NaOH
= 10:50 мл) 
Катализатор 
W, мл Н
2
/мин 
,% 
, % 
τ, мин 
=0,25 
=0,5 
=0,25 
=0,5 
Ni скел. 7,4 
7,0 
56,1 
55,0 
92 
80 
Cu скел. 6,7 
6,3 
50,0 
49,1 
76 
65 
Zn скел. 3,1 
2,2 
22,2 
20,6 
54 
60 
Медный электрод 4,7 
4,2 
28,8 
29,7 
65 
60 
 
Выполненные  исследования  показали,  что  степень  превращения 6,8-ДНХ  не 
превышает 100% в расчете на восстановление NO
2
-группы. Для определения продуктов 
восстановления 6,8-динитрохинолина  католиты  были  проэкстрагированы  и  проведен 
хромоторафический  анализ  на  хроматографе  «Кристалл-5000.1»  с  пламенно-
ионизационным  детектором  на  колонке Zebron-50 (носитель – 50%-фенил-50%-
диметилполисилоксан),  температура  колонки 250
о
С,  температура  детектора  и 
испарителя 350
о
С,  скорость  газа-носителя 20 мл/мин.  Время  удерживания 6,8-ДНХ – 
16 мин, 6,8-аминохинолина – 3,7  мин.  
Выполненные  хроматографические  анализы  подтвердили,  что  в  заданных 
условиях  электрокаталитическое  гидрирование 6,8-ДНХ  на  всех  катализаторах 
проходит  с  почти  полным  или  частичным  восстановлением  обеих  нитрогрупп  с 
образованием 
соответствующего 6,8-диаминохинолина, 
не 
затрагивая  
N-гетероцикла.  
 
Литература 
1.  Беркман  Б.Е.  Промышленный  синтез  ароматических  нитросоединений  и  аминов. 
М., 1964. 343 с. 
2.  Солдатенков  А.Т.,  Колядина  Н.М.,  Шендрик  И.В.  Основы  органической  химии 
лекарственных веществ. М.: Химия. 2001. 192 с. 
3.  Яхонтов  Л.Н.,  Глушков  Р.Г.  Синтетические  лекарственные  средства.  М.: 
Медицина. 1983.   C. 153-161. 
4.  Методы получения химических реактивов и препаратов. Т.2. М., 1960. С.82-90. 
5.  Вейганд-Хильгетаг. Методы эксперимента в органической химии.  М., 1968.  С.521 
6.  Эльдерфилд Р. Гетероциклические соединения,  Т. IV. М.: Издательство ИЛ, 1955.  
540 с. 

 
206 

жүктеу/скачать 5,59 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: