Экспериментальные исследования по утилизации отработанных цеолитов, образовавшихся после очистки питьевой воды

ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ЦЕОЛИТОВ, ОБРАЗОВАВШИХСЯ ПОСЛЕ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

А.К. Адрышев, М.К. Карибаева

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева ул. Протозанова, 69, Усть-Каменогорск, Восточно-Казахстанская область, Республика Казахстан, 070004

В данной статье представлены результаты исследований по утилизации отработанных цеолитов после очистки питьевой воды. Экспериментально подтверждена возможность применения отработанного цеолита в качестве заполнителя в строительный раствор.

Ключевые слова: отработанный цеолит, очистка воды, утилизация, строительный раствор.

Высокий уровень загрязнения поверхностных и подземных вод в зоне действия крупных металлургических предприятий, тепловых электростанций, предприятий автотранспорта, производства строительных материалов, пищевой промышленности и т.д. требует разработки новых эффективных способов очистки промышленных сточных вод, бытовых стоков и вод хозяйственно-питьевого назначения с использованием дешевых природных материалов.

В последнее время для очистки воды все большее применение находят природные сорбенты естественного происхождения, такие как цеолиты, которые обладают достаточно высокой сорбционной емкостью, катионообменными свойствами, сравнительно низкой стоимостью и доступностью, особенно в тех случаях, когда месторождения приближены к промышленным предприятиям, на которых могут использоваться данные сорбенты.

В Казахстане в настоящее время известно несколько месторождений цеолитов. Природные цеолиты — группа минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих каркасную структуру.

Известно более 30 видов природных цеолитов, но лишь часть из них образует крупные месторождения (80% концентратов), удобные для промышленной разработки [3; 6].

Исследования по использованию природных сорбентов Казахстанских месторождений для очистки различных вод проводятся в Восточно-Казахстанском государственном техническом университете в течение нескольких лет. Показа-

на принципиальная возможность удаления из воды таких примесей, как ионы металлов, фтора, солей кальция и магния.

В лабораторных и укрупненных лабораторных масштабах проведены исследования по очистке подземной воды от ионов тяжелых цветных металлов и солей жесткости цеолитами Чанканайского и Тайжузгенского месторождений. На рисунке представлены результаты исследований по очистке подземной воды от ионов тяжелых металлов в динамическом режиме. Воду пропускали со скоростью 50 мл/мин. через колонку, заполненную цеолитом.

Поглощенный металл, мг/л 20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Объем пропущенной воды, мл

—— Погл. цинк, мг/дм3 а Погл. свинец, мг/дм3 X Погл. медь, мг/дм3

Рис. Поглощенная концентрация ионов цинка, свинца, меди при обработке воды цеолитом в динамических условиях

Представленные данные свидетельствуют о том, что в динамическом режиме степень очистки достигает необходимых значении и поэтому рекомендуется очистка воды от ионов тяжелых металлов цеолитами месторождений Казахстана [4; 1].

В результате очистки питьевой воды образуется значительное количество отработанного материала, поэтому возникла необходимость проведения исследований по утилизации отработанного цеолита.

В проведенных исследованиях в процессе очистки загрязненных вод использовались цеолиты следующего зернового состава (табл. 1).

Таблица 1

Гранулометрический состав цеолита

Чанканайский цеолит неактивированный

Фракции, мм 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 < 0,14

Полный остаток,% 14,4 63,1 91,3 94,9 98 100

Чанканайский цеолит активированный

Фракции, мм 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 <0,14

Полный остаток,% 21,2 66,2 96,9 98,8 99,4 100

ж •

Ж

Ж

Ж 4 А V

Ж 4' Ж

Ж Ж „*-

Ж -г" Ж

ж Ж ж

• » Ж

Адрышев А.К., Карибаева М.К. Экспериментальные исследования по утилизации.

В качестве примера для сравнения приведен гранулометрический состав песка Комбината нерудных материалов города Усть-Каменогорска (табл. 2).

Таблица 2

Гранулометрический состав песка

ПЕСОК

Фракции, мм 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 < 0,14

Полный остаток,% 17,5 26,9 45,6 78,1 98,7 100

Как показали результаты испытаний, гранулометрический состав цеолитов соответствует гранулометрическому составу строительного песка, используемого для строительных растворов и бетонов. Поэтому по гранулометрическому показателю в качестве заполнителя можно использовать цеолитсодержащие отходы после очистки воды.

Нами были приготовлены образцы из растворной смеси [2], которые испытали на прочность, морозостойкость и водопоглощение. В табл. 3 представлены физико-механические характеристики строительного раствора.

Таблица 3

Экспериментальное определение физико-механических характеристик строительного раствора

Материал Плотность, кг/м3 Прочность при Морозостой- Водопогло-

заполнителя сжатии, МПа кость, циклы щение, %

Строительный песок 1 485 3,43 25 15

Активированный цеолит 1 635 4,85 25 15

Неактивированный цеолит 1 343 6,64 25 15

На основе лабораторных испытаний определены плотность, прочность, морозостойкость, водопоглощение строительного раствора [5]. В результате исследований экспериментально подтверждена возможность применения отработанного цеолита в качестве заполнителя в строительный раствор.

Образцы растворной смеси, приготовленные с использованием отработанных цеолитов, содержат тяжелые металлы, поэтому возникла необходимость исследования возможности вымываемости из строительных растворов тяжелых металлов.

Анализ жидких проб на содержание в них тяжелых металлов проводился с использованием масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой ICP-MS Agilent 7500cx. Полученные в лаборатории №ГЕТАС данные по элементному составу отработанных цеолитов представлены в табл. 4.

Таблица 4

Выщелачивание металлов из растворной смеси

Материал Элементы Время, сут. ПДК мг/л

1, мг/л • 10 6 3, мг/л • 10-6 7, мг/л • 10 6

Отработанный Чанканай-ский цеолит активированный ЫаО! + тяжелые металлы + соли жесткости Cu 3,800 5,100 13,00 1,0

Pb 51,00 140,0 220,0 0,03

Zn 51,00 24,00 17,00 5,0

As 5,600 8,000 <4,000 0,05

Cd <3,700 <3,700 <3,700 0,001

Hg <5,000 <5,000 <5,000 0,0005

Окончание

Материал Элементы Время, сут. ПДК мг/л

1, мг/л • 10 6 3, мг/л • 10-6 7, мг/л • 10 6

Отработанный Чанканай-ский цеолит неактивированный + тяжелые металлы + соли жесткости Cu 4,500 5,700 8,000 1,0

Pb 71,00 160,0 250,0 0,03

Zn 31,00 18,00 28,00 5,0

As 4,000 4,000 14,00 0,05

Cd <3,700 <3,700 <3,700 0,001

Hg <5,000 <5,000 <5,000 0,0005

Тайжузгенский цеолит неактивированный + тяжелые металлы + соли жесткости Cu 3,800 7,000 11,00 1,0

Pb 120,0 200,0 390,0 0,03

Zn 28,00 12,00 37,00 5,0

As <4,000 <4,000 <4,000 0,05

Cd <3,700 <3,700 <3,700 0,001

Hg <5,000 <5,000 <5,000 0,0005

Исходный Тайжузгенский цеолит неактивированный Cu 7,000 7,800 9,900 1,0

Pb 120,0 240,0 58,00 0,03

Zn 13,00 4,500 13,00 5,0

As <4,000 <4,000 <4,000 0,05

Cd <3,700 <3,700 <3,700 0,001

Hg <5,000 <5,000 <5,000 0,0005

Как видно из таблицы, содержание токсичных металлов, таких как медь, свинец, цинк, кадмий, мышьяк и ртуть, в воде не превышает ПДК.

Таким образом, предложенный способ утилизации, в частности использование отработанного цеолита при производстве строительного раствора целесообразно с точки зрения использования отработанного цеолита вместо строительного песка.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Адрышев А.К., Струнниикова Н.А., Карибаева М.К. Извлечение ионов металлов из загрязненных подземных вод цеолитами // Вестник ВКГТУ, Усть-Каменогорск. — 2008. — № 2. — С. 102—108.

[2] Адрышев А.К., Струнникова Н.А., Хайрулина А.А., Карибаева М.К. О возможности использования отработанных цеолитов в качестве строительных материалов // Материалы VII международной научно-практической конференции «Современные научные достижения». — Прага, 2010. — С. 11—14.

[3] Гриссбах Р. Теория и практика ионного обмена. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.

[4] Карибаева М.К., Адрышев А.К., Струнникова Н.А. Сорбционная очистка подземных вод от ионов тяжелых металлов природными алюмосиликатами // Материалы VII МНК «Наука и образование». — Белово, 2008. — С. 596—599.

[5] Инновационный патент 23975 Казахстан. Бетонная смесь / М.К. Карибаева и др. Опуб. 16.05.2011 Бюл. № 5.

[6] Природные сорбенты СССР / Под ред. У.Г. Дистанова, А.С. Михайлова и др. — М.: Недра, 1990.

Adpbiw.ee A.K., Kapuôaeea M.K. Экспернментмвнне HccneflOBaHna no утнпнзацнн.

EXPERIMENTAL RESEARCHES ON THE FULFILLED ZEOLITES RECYCLING AFTER WATER TREATING

A.K. Adryshev, M.K. Karibaeva

The East Kazakhstan state technical university of D. Serikbaeva Protozanova str., 69, Ust-Kamenogorsk, the East Kazakhstan area, Republic of Kazakhstan, 070004

In the given article the results of the researches on fulfilled zeolites recycling after potable water purifying are presented. Possibility of the processed zeolite application as a filler in a building solution is experimentally confirmed.

Key words: The processed zeolite, water purifying, recycling, building solution.