Удаляется ли фенол после замораживания воды, если он там присутствовал?

Вопрос задан здесь.

Нет, фенол при замораживании воды не удаляется. Проблема заключается в том, что фенол хорошо растворяется в воде, поэтому при замораживании воды очистить воду от него проблематично. Данный метод замораживания-оттаивания очень хорошо подходит для удаления из воды солей жесткости, тяжелых металлов, хлорорганики и др. 

Фенол не только хорошо растворяется в воде, но и образует в водных растворах множество других производных органических соединений, имеющих различные растворимости в воде, как показано на рисунке 1 ниже:   

Рис. 1. Схема превращений фенола в водном растворе


К наиболее эффективным методам очистки воды от фенолов относится экстракция, окислительная деструкция, озонирование, электрохимическая обработка воды и сорбция.

Методом многоступенчатой экстракции, за счет применения бутилацетата в качестве экстрагента достигается степень очистки воды от фенолов до 90-95% при остаточных концентрациях 200-300 мг/л. Положительный результат достигается в процессе пяти-ступенчатой экстракции при подаче в каждую ступень 10 % экстрагента (бутилацетат). Степень очистки увеличивается за счет увеличения числа ступеней и удельного расхода экстрагента.

Химический метод очистки сточных вод от фенолов заключается в добавлении в воду окислителей -  хлора или озона. При добавлении в воду с некоторым избытком хлора образующиеся гипохлорит-ионы хлорноватистой кислоты HClO реагируют с молекулами фенола и образует малеиновую кислоту. При недостатке хлора возможно образование хлорфенола, поэтому для полноты окисления используют перехлорирование сточных вод, рассчитывая такое количество хлора, чтобы остаточное содержание активного хлора находилось в воде в пределах 1-10 мг/л. При обеспечении 30-минутного контакта фенольной воды с хлором этот метод дает практически полную очистку от фенолов.

Озонирование заключается в продувке воды озоном или озон-содержащим озон газом, которое осуществляется в барботажных колоннах. Озон - сильный окислитель и со многими непредельными органическими соединениями образует озониды – промежуточные продукты присоединения озона по двойной связи. Первичным продуктом взаимодействия озона является малозоид (1,2,3-триоксолан), который неустойчив и распадается на карбонилоксисид [>C=O-O]* и карбонильные соединения - альдегиды или кетоны (рис. 2). При взаимодействии озона с фенолами происходит образование соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и дикарбоновых кислот.

Рис. 2. Реакция озонирования непредельных органических соединений (реакция Криге)


При озонировании окисляются не только фенолы, но и другие содержащиеся в воде загрязнения, поэтому для достижения необходимой степени очистки от фенолов требуется значительный расход озона (1,5-3 г/л) и электроэнергии.

Другим методом очистки воды от фенолов является окисление «активным хлором». В этом процессе образуются хлорпроизводные фенола: 2-хлорфенол; 2,6-дихлорфенол, трихлорфенол. Лучшие результаты достигаются при окислении фенола в слабо щелочной среде (рН=7,5-8,5). На скорость окисления фенолов «активным хлором» в небольшой степени оказывают положительное влияние соли тяжелых металлов, в т.ч. соли трехвалентного железа. Однако органические соединения при хлорировании переходят в более опасные соединения, которые также требуют максимального удаления из воды.

При электрохимической очистке сточных вод происходят процессы электрохимического восстановления и окисления органических примесей соответственно на катоде и аноде. Катодные процессы обусловлены присоединением водорода или замещением электроотрицательных функциональных групп на водород. Анодные процессы могут происходить  под действием атомарного кислорода в результате взаимодействия фенола с перекисью водорода, образующегося при димеризации свободных гидроксильных радикалов, а также вследствие непосредственной отдачи электрона аноду молекулой органического вещества. Электрохимическое окисление фенола сопровождается образованием малеиновой кислоты и диоксида углерода:

С6Н5ОН + 7НОН = НООСНС=СНСООН +2СО2 +8Н2

Окисление фенола при концентрации более 1 г/л на анодах из графита и магнетита при плотности электрического тока 100-200 А/м2 требует значительных расходов электроэнергии (0,3-0,5 кВт ч на 1 г фенола). При добавлении в сточную воду 2-3 г хлористого натрия на 1 г фенола расход электроэнергии снижается до 0,03-0,05 кВтч при температуре 65,75 0С.

Более эффективны сорбционные методы очистки сточных вод от фенола. В качестве сорбентов применяют активированный уголь и цеолит. С помощью сорбционных методов очистки возможно практически полное извлечение  фенола из обрабатываемой воды. Преимущества  сорбции проявляются при низких концентрациях загрязнений, что характерно для загрязнённых стоками природных вод. Наиболее универсальными адсорбентами считаются  активированные угли. Для достижения максимальной степени очистки воды используют активированный уголь с микропористой структурой, который способен задерживать фенолы в количестве 20-30 г на 1 кг массы.

Цеолит – алюмосиликатный минерал, состоящий из алюмосиликатного каркаса с щелочноземельными металлами натрия, калия или других элементов. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами [AlO4]2- и  [SiO4]2-, объединенными общими вершинами, отрицательные заряды которых компенсируются катионами (H+, Na+, K+, Ca2+, NH4+), в большинстве случаев способными в катионному обмену в водных растворах. Цеолит взаимодействует с водой не только как фильтрующий материал и адсорбент, но и как ионнообменник, т.к. обладает ионообменными свойствами. 
Благодаря ионообменным свойствам цеолит способен проводить очистку воды от разного типа неорганических (тяжёлые металлы, железо, аммиак, сульфаты, нитраты, нитриты, фосфаты, хлориды, фтор и т.д.) органических веществ (ПАВ, фенолы, эмульгированные нефтепродукты, трихлорэтилен и т.д.) с последующей регенерацией.

О.В. Мосин, к.х.н., доц.