Перспективы использования солнечного излучения для обезвреживания цианид-содержащих сточных вод

Цианидсодержащие сточные воды горнодобывающих производств нередко содержат трудноокисляемые тиоцианаты, мешающие процессам водоочистки. Необходимо разработать методы минимизации поступления тиоцианатов в окружающую среду по причине их острой и хронической токсичности для водной биоты, а также способности препятствовать синтезу тиреоидных гормонов у высших организмов. Показана перспективность комбинированного метода для очистки от тиоцианатов сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности, который основан на фотохимическом окислении загрязнителей в Фентон-подобной системе {Solar+S O 2-+Fe3+}, где в качестве источника излучения используется естественный солнечный свет. Добавление в раствор ионов Fe3+ приводит к увеличению константы скорости реакции окисления тиоцианатов в 20 раз и полной их деструкции. Установлено, что, варьируя концентрацию окислителя и увеличивая продолжительность экспозиции, возможно добиться окисления тиоцианатов до менее токсичных соединений. Экспериментально доказано, что процесс фотохимического окисления тиоцианатов протекает по сопряженному ион-радикальному механизму через формирование промежуточных железосодержащих комплексов, проявляющих свойства фотосенсибилизаторов и инициирующих генерирование in situ активных форм кислорода, преимущественно сульфатных анион-радикалов.

Батоева А. А., Сизых М. Р., Мункоева В. А., Цыбикова Б. А. Перспективы использования солнечного излучения для обезвреживания цианид-содержащих сточных вод // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 7. – С. 53–69. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_7_0_53.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Республики Бурятия (проект РФФИ-РБ № 18-48-030005) и Федерального государственного бюджетного учреждения науки Байкальского института природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (проект № 0273-2021-0006).

Батоева Агния Александровна¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: abat@binm.ru.
Сизых Марина Романовна¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: marisyz@binm.ru,
Мункоева Варвара Анатольевна¹ — инженер, e-mail: munkoeva95@mail.ru,
Цыбикова Бэлэгма Амоголоновна¹ — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: belegmats@mail.ru,
¹ Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН.

Батоева А.А., e-mail: abat@binm.ru.

1. Dai X., Simons A., Breuer P. A review of copper cyanide recovery technologies for the cyanidation of copper containing gold ores // Minerals Engineering. 2012, vol. 25, no. 1, pp. 1—13. DOI: 10.1016/j.mineng.2011.10.002.

2. Johnson C. A. The fate of cyanide in leach wastes at gold mines: An environmental perspective // Applied Geochemistry. 2015, vol. 57, pp. 194—205. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2014.05.023.

3. Бачаров В. А. Технология золотосодержащих руд. — М.: Изд. дом «МИСиС», 2011. — 420 с.

4. Turan A., Keyikoglu R., Kobya M., Khataee A. Degradation of thiocyanate by electrochemical oxidation process in coke oven wastewater: Role of operative parameters and mechanistic study // Chemosphere. 2020, vol. 255, pp. 127014. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.127014.

5. Совмен В. К., Гуськов В. Н., Белый А. В., Дроздов С. В. и др. Переработка золотоносных руд с применением бактериального окисления в условиях Крайнего Севера. — Новосибирск: Наука, 2007. — 144 с.

6. Лазарев Н. В., Левина Э. Н. Вредные вещества в промышленности. Т. 3. — Л.: Химия, 1977. — 608 с.

7. Bhunia F., Saha N. C., Kaviraj A. Toxicity of thiocyanate to fish, plankton, worm, and aquatic ecosystem // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 2000, vol. 64, no. 2. pp. 197—204. DOI: 10.1007/s001289910030.

8. Lanno R. P., Dixon D. G. The comparative chronic toxicity of thiocyanate and cyanide to rainbow trout // Aquatic Toxicology. 1996, vol. 36, no. 3—4, pp. 177—187. DOI: 10.1016/ S0166-445X(96)00815-6.

9. Shafiei F., Watts M. P., Pajank L., Moreau J. W. The effect of heavy metals on thiocyanate biodegradation by an autotrophic microbial consortium enriched from mine tailings // Applied Microbiology and Biotechnology. 2021, vol. 105, no. 1, pp. 417—427. DOI: 10.1007/s00253020-10983-4.

10. Sharma V. K., Burnett C. R., O'Connor D. B., Cabelli D. Iron(VI) and iron(V) oxidation of thiocyanate // Environmental Science and Technology. 2002, vol. 36, no. 19, pp. 4182— 4186. DOI: 10.1021/es020570u.

11. Oulego P., Collado S., Laca A., Díaz M. Simultaneous oxidation of cyanide and thiocyanate at high pressure and temperature // Journal of Hazardous Materials. 2014, vol. 280, pp. 570—578. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.08.051.

12. Gould W. D., King M., Mohapatra B. R., Cameron R. A., Kapoor A., Koren D. W. A critical review on destruction of thiocyanate in mining effluents // Minerals Engineering. 2012, vol. 34, pp. 38—47. DOI: 10.1016/j.mineng.2012.04.009.

13. Jermakka J., Wendling L. A., Sohlberg E., Heinonen H., Vikman M. Potential technologies for the removal and recovery of nitrogen compounds from mine and quarry waters in subarctic conditions // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2015, vol. 45, no. 7, pp. 703—748. DOI: 10.1080/10643389.2014.900238.

14. Villemur R., Juteau P., Bougie V., Ménard J., Déziel E. Development of four-stage moving bed biofilm reactor train with a pre-denitrification configuration for the removal of thiocyanate and cyanate // Bioresource Technology. 2015, vol. 181, pp. 254—262. DOI: 10.1016/j. biortech.2015.01.051.

15. Белых М. П., Петров С. В., Чикин А. Ю., Адельшин Р. В., Белькова Н. Л. Детоксикация цианидов микробными консорциумами из природно-техногенных комплексов кучного выщелачивания золота // Прикладная биохимия и микробиология. — 2017. — Т. 53. — № 3. — С. 291—298. DOI: 10.1134/S0003683817030036.

16. Li L. et al. Degradation pathway and microbial mechanism of high-concentration thiocyanate in gold mine tailings wastewater // RSC Advances. 2020, vol. 10, no. 43, pp. 25679— 25684. DOI: 10.1039/D0RA03330H.

17. Kuyucak N., Akcil A. Cyanide and removal options from effluents in gold mining and metallurgical processes // Minerals Engineering. 2013, vol. 50—51, pp. 13—29. DOI: 10.1016/j. mineng.2013.05.027.

18. Kitis M., Karakaya E., Yigit N. O., Civelekoglu G., Akcil A. Heterogeneous catalytic degradation of cyanide using copper-impregnated pumice and hydrogen peroxide // Water Research. 2005, vol. 39, no. 8, pp. 1652—1662. DOI: 10.1016/j.watres.2005.01.027.

19. di Biase A., Wei V., Kowalski M., Bratty M., Hildebrand M., Jabari P., Devlin T., Oleszkiewicz J. A. Ammonia, thiocyanate, and cyanate removal in an aerobic up-flow submerged attached growth reactor treating gold mine wastewater // Chemosphere. 2020, vol. 243, article 125395. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.125395.

20. Ермаков Д. В., Воробьев-Десятовский Н. В. Основные проблемы обезвреживания цианидсодержащих растворов и пульп золотодобывающей промышленности в россии. Ч. 1. Общие подходы к вопросам обезвреживания цианидных стоков в России и за рубежом // Цветные металлы. — 2014. — № 6. — С. 42—47.

21. Gonzalez-Merchan C., Genty T., Bussière B., Potvin R., Paquin M., Benhammadi M., Neculita C. M. Influence of contaminant to hydrogen peroxide to catalyzer molar ratio in the advanced oxidation of thiocyanates and ammonia nitrogen using Fenton-based processes // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2016, vol. 4, no. 4, pp. 4129—4136. DOI: 10.1016/j.jece.2016.09.001.

22. Gonzalez-Merchan C., Genty T., Bussière B., Potvin R., Paquin M., Benhammadi M., Neculita C. M. Ferrates performance in thiocyanates and ammonia degradation in gold mine effluents // Minerals Engineering. 2016, vol. 95, pp. 124—130. DOI: 10.1016/j.mineng.2016.06.022.

23. Budaev S. L., Batoeva A. A., Tsybikova B. A. Effect of Fenton-like reactions on the degradation of thiocyanate in water treatment // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014, vol. 2, no. 4, pp. 1907—1911. DOI: 10.1016/j.jece.2014.08.010.

24. Budaev S. L., Batoeva A. A., Tsybikova B. A. Degradation of thiocyanate in aqueous solution by persulfate activated ferric ion // Minerals Engineering. 2015, vol. 81, pp. 88—95. DOI: 10.1016/j.mineng.2015.07.010.

25. Тимофеева С. С., Батоева А. А. Cточные воды предприятий по добыче и переработке рудного золота и комбинированные технологии их обезвреживания // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2013. — № 11. — С. 134—143.

26. Liu Y., Zhao Y., Wang J. Fenton/Fenton-like processes with in-situ production of hydrogen peroxide/hydroxyl radical for degradation of emerging contaminants: Advances and prospects // Journal of Hazardous Materials. 2021, vol. 404, pp. 124191. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.124191.

27. Singh H., Sonal S., Mishra B. K. Understanding the toxicity effect and mineralization efficiency of in-situ electrogenerated chlorine dioxide for the treatment of priority pollutants of coking wastewater // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021, vol. 211, article 111907. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2021.111907.

28. Matta R., Sabrine T., Chiron S., Barbati S. Removal of carbamazepine from urban wastewater by sulfate radical oxidation // Environmental Chemistry Letters. 2011, vol. 9, no. 3, pp. 347—353. DOI: 10.1007/s10311-010-0285-z.

29. Lado Ribeiro A. R., Moreira N. F., Li Puma G., Silva A. M. T. Impact of water matrix on the removal of micropollutants by advanced oxidation technologies // Chemical Engineering Journal. 2019, vol. 363, pp.155—173. DOI: 10.1016/j.cej.2019.01.080.

30. Wacławek S., Lutze H., Grübel K., Padil V. V. T., Cernik M., Dionysiou D. D. Chemistry of persulfates in water and wastewater treatment. A review // Chemical Engineering Journal. 2017, vol. 330, pp. 44—62. DOI: 10.1016/j.cej.2017.07.132.

31. Wang J., Wang S. Activation of persulfate (PS) and peroxymonosulfate (PMS) and application for the degradation of emerging contaminants // Chemical Engineering Journal. 2018, vol. 334, pp. 1502—1517. DOI: 10.1016/j.cej.2017.11.059.

32. Kunjie Hou, Zhoujie Pi, Yao Fubing, Qi Yang A critical review on the mechanisms of persulfate activation by iron-based materials: Clarifying some ambiguity and controversies // Chemical Engineering Journal. 2021, vol. 407, article 127078. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127078.

33. Giannakis S., Lin K. Y. A., Ghanbari F. A review of the recent advances on the treatment of industrial wastewaters by sulfate radical-based advanced oxidation processes (SR-AOPs) // Chemical Engineering Journal. 2021, vol. 406, pp.127083. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127083.

34. Ike I. A., Linden K. G., Orbell J. D., Duke M. C. Critical review of the science and sustainability of persulphate advanced oxidation processes // Chemical Engineering Journal. 2018, vol. 338, pp. 651—669. DOI: 10.1016/j.cej.2018.01.034.

35. Deng Y., Ezyske C. M. Sulfate radical-advanced oxidation process (SR-AOP) for simultaneous removal of refractory organic contaminants and ammonia in landfill leachate // Water Research. 2011, vol. 45, no. 18, pp. 6189—6194. DOI: 10.1016/j.watres.2011.09.015.

36. Будаев С. Л., Батоева А. А., Хандархаева М. С., Асеев Д. Г. Фотохимическое окисление устойчивых цианистых соединений // Журнал физической химии. — 2017. — Т. 91. — № 3. — С. 567—572. DOI: 10.1134/S0036024417030049.

37. Cabrera Reina A., Miralles-Cuevas S., Cornejo L., Pomares L., Polo J., Oller I., Malato S. The influence of location on solar photo-Fenton: Process performance, photoreactor scalingup and treatment cost // Renewable Energy. 2020, vol. 145, pp. 1890—1900. DOI: 10.1016/j. renene.2019.07.113.

38. Davididou K., Chatzisymeon E., Perez-Estrada L., Oller I., Malato S. Photo-Fenton treatment of saccharin in a solar pilot compound parabolic collector: Use of olive mill wastewater as iron chelating agent, preliminary results // Journal of Hazardous Materials. 2019, vol. 372, pp. 137—144. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.03.016.

39. Ortega-Gómez E., Ballesteros Martín M. M., Esteban B., Sánchez Pérez J. A., Fernandez-Ibanez P. Wastewater disinfection by neutral pH photo-Fenton: The role of solar radiation intensity // Applied Catalysis B: Environmental. 2016, vol. 181., pp. 1—6. DOI: 10.1016/j. apcatb.2015.06.059

40. Khandarkhaeva M., Batoeva A., Aseev D., Sizykh M., Tsydenova O. Oxidation of atrazine in aqueous media by solar-enhanced fenton-like process involving persulfate and ferrous ion // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017, vol. 137, pp. 35—41. DOI: 10.1016/j. ecoenv.2016.11.013.

41. Батоева А. А., Сизых М. Р., Мункоева В. А. Фотокаталитическое окисление тиоцианатов в водных растворах // Журнал прикладной химии. — 2020. — Т. 93. — № 2. — С. 290—297. DOI: 10.1134/S1070427220020184

42. Hovinen J., Lahti M., Vilpo J. Spectrophotometric determination of thiocyanate in human saliva // Journal of Chemical Education. 1999, vol. 76, no. 9, pp. 1281. DOI: 10.1021/ ed076p1281.

43. ПНД Ф 14.1:2:3.1-95. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера. — М.: ФБУ «ФЦАО», 2017. — 26 с.

44. ПНД Ф 14.1:2.3-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса. — М.: ФБУ «ЦЭКА» МПР России, 2004. — 22 с.

45. ПНД Ф 14.1:2.4-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой. — М.: ФБУ «ФЦАО», 2011. — 18 с.

46. ПНД Ф 14.1:2.56-96. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации цианидов в природных и сточных водах фотометрическим методом с пиридином и барбитуровой кислотой. — М.: ФБУ «ФЦАО», 2015. — 27 с.

47. Jiménez M. et al. Solar photo-Fenton degradation of herbicides partially dissolved in water // Catalysis Today. 2011, vol. 161, pp. 214—220. DOI: 10.1016/j.cattod.2010.11.080.

48. Malato S., Blanco J., Vidal A., Richter C. Photocatalysis with solar energy at a pilot-plant scale: an overview // Applied Catalysis B: Environmental. 2002, vol. 37, no. 1, pp. 1—15. DOI: 10.1016/S0926-3373(01)00315-0.

49. Wilson I. R., Harris G. M. The oxidation of thiocyanate ion by hydrogen peroxide. I. The pH-independent reaction // Journal of the American Chemical Society. 1960, vol. 82, no. 17, pp. 4515—4517. DOI: 10.1021/ja01502a017.

50. Krutzler T., Fallmann H., Maletzky P., Bauer R., Malato S., Blanco J. Solar driven degradation of 4-chlorophenol // Catalysis Today. 1999, vol. 54, no. 2, pp. 321—327. DOI: 10.1021/ ja01502a017.

51. Neta P., Huie R. E. Rate constants for reactions of nitrogen oxide (NO3) radicals in aqueous solutions // Journal of Chemical Physics. 1986, vol. 90, no. 19, pp. 4644—4648. DOI: 10.1021/j100410a035.

52. Buxton G. V., Bydder M., Salmon G. A. The reactivity of chlorine atoms in aqueous solution. Part II. The equilibrium SO –+Cl–Cl +SO 2– // Physical Chemistry Chemical Physics. 1999, vol. 1, pp. 269—273.