Toxicity assessment of pickling liquors containing TiF₃, HF and HCl before and after neutralization using a phytotesting method

Nikolay Alekseevich Bykovsky; Быковский Николай Алексеевич; Timur Zulfukarovich Zabirov; Забиров Тимур Зульфукарович; Inna Vyacheslavovna Ovsyannikova; Овсянникова Инна Вячеславовна; Lyudmila Nikolaevna Puchkova; Пучкова Людмила Николаевна; Nadezhda Nikolaevna Fanakova; Фанакова Надежда Николаевна

doi:10.17816/snv201762104

Toxicity assessment of pickling liquors containing TiF₃, HF and HCl before and after neutralization using a phytotesting method

Authors: Bykovsky N.A.¹, Zabirov T.Z.¹, Ovsyannikova I.V.¹, Puchkova L.N.¹, Fanakova N.N.¹
Affiliations:
1. Ufa State Petroleum Technological University (Sterlitamak Branch)
Issue: Vol 6, No 2 (2017)
Pages: 24-27
Section: 03.02.00 – General Biology
URL: https://snv63.ru/2309-4370/article/view/21790
DOI: https://doi.org/10.17816/snv201762104
ID: 21790

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The paper evaluates the toxicity of spent acid pickling liquor (SAPL) formed in the production of titanium products during its etching with a mixture of hydrofluoric and hydrochloric acids. The SAPL contained TiF₃, HF and HCl in the amounts of 21,9 g/l, 1,7 g/l and 6,2 g/l, respectively. To determine the toxicity of SAPL, a phytotesting method was used. As a phytoecological indicator, cress of Zabava variety was used. The experiment was carried out according to the procedure for determining the toxicity of drinking, ground, surface and sewage water; the toxicity of chemical solutions by measuring the germination index, average length and average dry weight of seed germs of cress (Lepidium sativum). The toxicity of the SAPL was determined before and after neutralizing with alkali. It has been shown that SAPL has an acute toxic effect both before and after its neutralization by alkali. To determine a safe dilution rate, the influence of SAPL dilution on seed germination, average length and average dry weight of the seedlings was studied. It was found that the seedlings average length-dilution rate equations most reliably describe the experimental findings. The safe dilution rate calculated from these relations is 669,2 for non-neutralized SAPL and 382,5 for alkaline neutralized SAPL.

Keywords

manufacture of titan products, etching, spent acid pickling liquor, neutralization, phytotesting, cress, germinating ability of seeds, average length of seedlings, average dry weight of seedlings, toxicity, regression equations, correlation coefficient, safe dilution rate

Full Text

Актуальность исследований

Широкое использование титана в различных областях промышленности обусловлено его уникальными свойствами, такими как низкая плотность, высокая механическая прочность, стойкость к различным агрессивным средам, высокая температура плавления и т.д. Изготовление изделий из титана связано с удалением окисной пленки на его поверхности. Большинство методов удаления окисной пленки связано с травлением поверхности титана различными кислотами [1–4]. При использовании в качестве травильного раствора смеси плавиковой и соляной кислот образуется отработанный кислый травильный раствор (ОКТР), содержащий TiF₃, HF и HCl и обладающий сильной токсичностью. Рядом исследователей предлагается перед разведением или переработкой ОКТР нейтрализация его щелочью [5; 6]. При этом образуется сток, содержащий NaF и NaCl.

В последнее время для определения токсичности сточных вод все шире применяются различные фитоэкоиндикаторы, одним из которых является кресс-салат [7–9]. Преимущество использования последнего в качестве фитоэкоиндикатора обусловлено отзывчивостью на токсичность среды трех параметров (всхожести, длины проростков и сухого веса проростков).

Объекты и методика исследований

В статье представлены результаты исследований токсичности ОКТР, содержащих TiF₃, HF и HCl до и после нейтрализации их NaOH. В качестве индикатора использовался кресс-салат сорта Забава, зарегистрированный в Государственном реестре селекционных достижений. ОКТР содержал 21,9 г/л фторида титана, 1,7 г/л плавиковой кислоты и 6,2 г/л соляной кислоты. Нейтрализация ОКТР производилась до достижения последним рН равным 7,6.

Эксперимент проводили согласно методике [10]. В чашки Петри на фильтровальную бумагу раскладывалось по 30 семян растения. После этого фильтровальная бумага смачивалась 5 мл исследуемого раствора. В качестве исследуемого раствора использовали неразбавленный ОКТР до и после нейтрализации, а также ОКТР до и после нейтрализации с различной кратностью разведения. В качестве контрольной пробы применяли дистиллированную воду. Каждый опыт повторяли по 3 раза. На восьмые сутки после начала эксперимента определяли всхожесть семян, длину и сухой вес проростков [10]. При этом рассчитывали относительную погрешность измерений с использованием распределения Стьюдента для доверительной вероятности равной 95%. В соответствии с [11] зависимость анализируемых параметров от кратности разбавления обрабатывали уравнениями прямой линии.

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты измерений всхожести семян, средней длины и среднего сухого веса проростков кресс-салата в пробе с ОКТР до нейтрализации представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Всхожесть, длина проростков и сухой вес кресс-салата в ОКТР до нейтрализации

Разведение	Всхожесть, %	Погрешность, %	Длина, мм	Погрешность, %	Вес, мг	Погрешность, %
128	62,22	42,7	27,24 21,27 26,85	17,5 25,7 21,1	0,93 0,97 0,91	20,0 18,2 25,3
256	65,55	51,0	81,36 51,20 65,73	16,3 21,5 18,5	0,88 1,09 0,71	16,1 14,6 18,7
512	92,22	22,6	122,47 90,44 100,46	12,0 15,7 9,4	1,24 1,16 1,09	12,2 14,9 9,8
1024	90,0	9,2	149,11 146,15 139,69	10,6 10,8 12,0	1,38 1,45 1,27	10,6 9,4 11,7
Контроль	91,06	24,0	111,96 113,25 100,84	12,8 14,4 10,9	0,98 1,09 1,03	13,2 16,1 12,8

Всхожесть семян определяли как среднюю величину в трех параллельных опытах.

Семена кресс-салата в пробе с ОКТР до нейтрализации начинают всходить при 128-кратном разбавлении. При этом с увеличением разбавления всхожесть семян возрастает. Начиная с 512-кратного разбавления всхожесть кресс-салата практически равна контрольной пробе. Следует отметить, что погрешность в измерении всхожести колеблется от 51% до 9,2%. Согласно методике [10] погрешность в определении всхожести не должна превышать 35%. Поэтому использовать данный параметр для определения безопасной кратности разбавления (кратность разбавления, при которой значение анализируемого параметра равно параметру в контрольной пробе) не корректно.

Средняя длина проростков определялась только по количеству проросших семян и изменялась от 21,27 мм при 128-кратном разведении до 149,11 мм при 1024-кратном разведении. При этом с увеличением кратности разведения длина проростков увеличивается. Следует отметить, что длина проростков в пробе с 1024-кратным разведением превышает длину проростков в контрольной пробе на 25%. Это указывает на то, что при 1024-кратном разбавлении проба оказывает стимулирующее действие на кресс-салат. Погрешность в измерении длины проростков колеблется от 9,4 до 25,7%. Согласно методике [10] она не должна превышать 25%. В связи с этим средняя длина проростков может применяться для определения безопасной кратности разбавления.

Средний вес сухих проростков изменяется от 0,71 до 1,45 мг. Так же, как и в случае со средней длиной проростков, начиная с 512-кратного разбавления ОКТР, средний сухой вес становится равен среднему сухому весу в контрольной пробе. При этом в случае 1024-кратного разбавления наблюдается стимулирующий эффект. Погрешность в измерении сухого веса составляет ту же величину, что и в случае средней длины проростков, и в соответствии с методикой [10] не должна превышать 42%. Таким образом, данный параметр также можно использовать для определения безопасной кратности разбавления.

Уравнения регрессии и коэффициенты корреляции зависимости средней длины проростков и их сухого веса от кратности разбавления ОКТР до нейтрализации, представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Уравнения регрессии и коэффициенты корреляции

Анализируемый параметр	Уравнение регрессии	Коэффициент корреляции
Длина проростков, мм	Y = 25,484 + 0,12433∙X	0,94
Вес, мг	Y = 0,83539 + 0,00053∙X	0,86

Опыты с каждой кратностью разбавления дублировались по три раза. Таким образом, для получения уравнений регрессии использовались средние величины 12 экспериментов. Критическое значение коэффициента корреляции для 12 опытов при доверительной вероятности 95% равно величине 0,576 [11]. Таким образом, уравнения регрессии зависимости средней длины и сухого веса проростков от кратности разбавления достоверно описывает экспериментальные результаты. Это указывает на то, что данные параметры можно использовать для определения безопасной кратности разбавления не нейтрализованного ОКТР.

Поскольку коэффициент корреляции для средней длины проростков выше, чем для их сухого веса, для определения безопасной кратности разбавления не нейтрализованного ОКТР применяем зависимость средней длины проростков от кратности разбавления. Таким образом, безопасная кратность разбавления ОКТР до его нейтрализации составляет 669,2.

Результаты измерений всхожести семян, средней длины и среднего сухого веса проростков кресс-салата в пробе с ОКТР после нейтрализации представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Всхожесть, длина проростков и сухой вес кресс-салата в ОКТР после нейтрализации

Разведение	Всхожесть, %	Погрешность, %	Длина, мм	Погрешность, %	Вес, мг	Погрешность, %
32	46,65	21,6	9,90 11,44 10,44	23,1 17,5 16,9	0,72 0,84 1,13	29,8 28,1 18,7
64	95,53	13,2	96,70 81,87 63,97	15,3 15,8 16,3	1,21 1,21 1,18	14,6 15,0 13,2
128	89,97	18,4	92,48 86,76 103,44	15,5 20,1 15,7	1,04 1,03 1,20	14,0 13,8 11,6
256	95,53	13,2	99,59 131,56 129,17	13,5 12,9 13,1	1,13 1,34 1,17	12,9 11,2 16,6
512	95,54	10,0	130,43 139,30 139,61	16,0 8,7 9,0	1,30 1,25 1,33	12,8 10,1 7,3
Контроль	96,63	8,6	111,97 124,50 138,11	15,7 13,8 14,7	1,34 1,21 1,46	11,4 10,3 9,3

В ОКТР после его нейтрализации щелочью всхожесть семян наблюдается начиная с 32-кратного разбавления. Следует отметить, что в случае всхожести отсутствует явная зависимость этого параметра от кратности разбавления. Для средней длины проростков и их сухого веса наблюдается увеличение параметра с ростом кратности разбавления. При этом погрешность в определении всех параметров оказывается ниже, чем рекомендованная в методике [10].

Уравнения регрессии и коэффициенты корреляции зависимости всхожести семян средней длины проростков и их сухого веса от кратности разбавления ОКТР после нейтрализации представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Уравнения регрессии и коэффициенты корреляции

Анализируемый параметр	Уравнение регрессии	Коэффициент корреляции
Всхожесть, %	Y = 73,540 + 0,5112∙X	0,49
Длина проростков, мм	Y = 45,426 + 0,20775∙X	0,81
Вес, мг	Y = 0,96771 + 0,00072∙X	0,55

Выводы

Для получения уравнений регрессии нейтрализованного ОКТР использовалось 15 опытов. Критическое значение коэффициента корреляции для 15 опытов при доверительной вероятности 95% равно величине 0,514 [11]. Следовательно, зависимость, описывающая всхожесть семян от кратности разбавления, не пригодна для определения безопасной кратности разбавления. Коэффициент корреляции зависимости средней длины проростков в 1,5 раза выше, чем зависимости сухого веса от кратности разбавления ОКТР. Поэтому для расчета безопасной кратности разбавления необходимо использовать зависимость средней длины проростков от кратности разбавления. Таким образом, безопасная кратность разбавления для ОКТР после его нейтрализации щелочью составляет 382,5.

Проведенные исследования показывают, что ОКТР оказывает острое токсичное действие как до его нейтрализации, так и после его нейтрализации щелочью. Однако для получения стока ОКТР, безопасного для окружающей среды, необходимо разведение не нейтрализованного ОКТР в 669,2 раза, а нейтрализованного ОКТР щелочью – в 382,5 раза.