Адсорбционная очистка сточных вод от ионов свинца

В. В. Ульянова, Н А. Собгайда, И. Г. Шайхиев

АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ СВИНЦА

Ключевые слова: отходы, адсорбенты, очистка сточных вод, ионы свинца.

В работе изучены адсорбционные свойства материалов из отходов керамического производства, сельхозпереработки и их смеси по отношению к ионам свинца. Рассчитаны эффективности очистки стоков. Рассмотрена микроструктура поверхности полученных адсорбентов.

Keywords: waste, adsorbents, waste water treatment, lead ions.

We studied the adsorption properties of ceramic materials from the waste production, agricultural processing, and mixtures thereof with respect to the ions of lead. Calculated the efficiency of wastewater treatment. Examined the microstructure of the surface obtained adsorbents.

Введение

В последние годы интенсивно развивается, особенно в Российской Федерации, новое направление по исследованию сорбционных

материалов из отходов различных производств для очистки природной среды от поллютантов

различного происхождения. Создание

альтернативных сорбентов относится к актуальной области ресурсосберегающих технологий, так как в этом случае отходы переводятся в ранг вторичного сырья, при этом, сохраняются природные ресурсы и решаются проблемы накопления отходов.

Созданию сорбционных материалов из отходов посвящено множество работ Российских и зарубежных авторов. Показано, что в качестве сорбционных материалов, в частности, для удаления ионов тяжелых металлов из водных сред могут быть использованы отходы переработки

сельскохозяйственного сырья [1-3] и образующиеся в процессе промышленного производства [4-6].

Целью данной работы явилось создание комбинированных адсорбентов на основе промышленных и сельскохозяйственных отходов и изучение их адсорбционных свойств по отношению к ионам свинца.

Экспериментальная часть

В качестве материалов для изготовления адсорбентов использовали:

- отход керамического производства, который образуется на предприятии ОАО "Роберт Бош Саратов» (г. Энгельс, Саратовской области) при очистке стоков. Предприятие занимается производством автомобильных запальных свечей;

- отход сельхозпереработки (лузга подсолнечника),

который образуется при производстве подсолнечного масла на ОАО «Аткарский маслоэкстракционный завод» (г. Аткарск, Саратовской области);

- смесь отходов керамического производства и

сельхозпереработки.

Микроструктура и рентгено-спектральный микроанализ образцов исследовались с помощью растрового ионно-электронного микроскопа марки «Quanta 600 FEG».

Для определения эффективности очистки стоков фиксировалась начальная (Сщ, = 10мг/г) и конечная концентрация катионов свинца вольтамперометрическим методом.

Экспериментально установлены времена достижения сорбционного равновесия, которое для всех исследуемых адсорбентов составило ~ 30 мин, и оптимальное соотношение массы адсорбента к объему сточных вод (~ 20 г/л). Все адсорбционные процессы проводили в статических условиях, при постоянном перемешивании и температуре 295+2 К.

Отход керамического производства является отпрессованным осадком сточных вод предприятия ОАО «Роберт Бош Саратов» и представляет собой сыпучий порошок белого цвета. Данные стоки образуются при промывке оборудования после обработки керамических деталей (керамический цех).

о

1

0.60

Рис. 1 - Рентгено-спектральный микроанализ отхода керамического производства предприятия ОАО «Роберт Бош Саратов»

Рентгенофазовый анализ данного отхода производства показал (рис.1), что основную массовую долю (более 90 %) составляет оксид алюминия (табл. 1), который, как известно из литературных источников, проявляет высокие адсорбционные свойства [7]. Микроструктурные исследования позволили определить размер частиц, который составил от 2 до 18 нм (рис. 2а).

Нами изучалась возможность

использования данного отхода в качестве

адсорбента для очистки стоков от ионов свинца (РЬ2+).

Таблица 1 - Состав отхода керамического

производства

Анализируемый ингредиент Значение показателя

Массовая доля, %:

- оксида алюминия, 94,19

- оксида кремния, 2,60

- оксида железа, 0,13

- оксида титана, 0,064

- оксида кальция, 1,27

- оксида натрия, 0,22

- оксида калия, 0,045

- оксида магния 1,37

Как определено проведенными

экспериментами, эффективность очистки стоков от ионов свинца отходом керамического производства составила 82,3 % (табл. 2). Следовательно, данный отход без дополнительной модификации, возможно, использовать в качестве адсорбента для очистки стоков от названных ионов металла.

Таблица 2 - Эффективность очистки сточных вод от катионов свинца комбинированными

адсорбентами на основе термообработанных отходов керамического производства и сельхозпереработки в различных соотношениях

Л Н ё о % Температура термообработки, 0С Время термо-обработки, мин Содержание отхода керамического производства

1 250 15 45 94,5

2 250 15 50 95,0

3 250 15 55 96,0

4 300 15 50 95,0

5 300 20 50 97,5

6 300 25 50 97,0

7 300 20 45 97,0

8 300 20 45 97,0

9 350 25 55 97,5

10 350 25 50 97,5

11 350 25 45 97,5

12 350 15 55 96,5

13 350 15 45 96,0

14 250 25 50 96,0

15 250 20 50 95,5

16 250 15 50 95,0

17 300 20 0 94,6

18 0 0 100 82,3

Адсорбционные свойства адсорбента из отходов сельхозпереработки подробно изучены в статье [3]. Для изготовления адсорбционных материалов лузга подсолнечника термически активировалась при Т= 300 0С в течение 20 мин. в специальной герметичной форме, которая позволяет ограничить

доступ кислорода. При термической обработке происходит образование полипористой структуры. Размеры пор, по данным растровой микроскопии (рис.2, б), составили ~ 0,8 - 4-5 нм. Полученный адсорбент обладает достаточно высокими сорбционными свойствами: сорбционной емкостью по отношению к ионам тяжелых металлов Аигм ~ 17 мг/г, удельной поверхностью = 188 м2/г, суммарным объемом пор по воде Упор =

0,3 см3/г [3]. Эффективность очистки сточных вод полученными адсорбентами от катионов свинца составила 94,6 % (табл. 2).

Для создания комбинированных сорбентов отходы керамического производства и сельхозпереработки перемешивались в различных соотношениях. Полученные смеси

темообрабатывались в специальной форме при температурах от 250 до 350 0С (шаг 50 0С) и времени от 15 до 25 мин (шаг 5 мин). Полученные материалы исследовались на способность поглощать катионы свинца из сточных вод (табл. 2).

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что наиболее высокими адсорбционными свойствами обладает материал, полученный при соотношении смеси отходов 50/50 (%) и температуре термообработки 300 0С в течение 20 мин.

Эффективность очистки сточных вод от катионов свинца комбинированными адсорбентами (Э=97,5%) превышает таковой показатель при использовании только адсорбентов на основе отходов керамического производства (Э=82,3%) или сельхозпереработки (Э=94,6%). Повышение эффективности очистки связано с протеканием совместных процессов: физической адсорбции ионов РЪ2+ на поверхности адсорбента из отхода сельхозпереработки и хемосорбции с отходом керамического производства.

Микроструктурные исследования

адсорбентов из смеси отходов в соотношении 1:1 (рис. 2в) показали наличие равномерного

распределения порошкообразного отхода керамического производства по пористой поверхности термообработанного отхода сельхозпереработки.

а) б) в)

Рис. 2 - Микроструктура поверхности:

а) - отхода керамического производства;

б) - термообработанного отхода сельхозпереработки;

в) - термообработанные отходы керамического производства и сельхозпереработки в смеси в соотношении 1:1

Выводы

В результате проделанной работы показана возможность использования отходов керамического производства и сельхозпереработки для очистки стоков от катионов свинца. Установлено, что использование комбинированного адсорбента на основе смеси отходов в соотношение 50:50 (% масс.) и

термообработки при 300 0С в течение 20 мин повышает эффективность удаления катионов свинца из стоков от 82,3 и 94,6 % до 97,5 %.

Исследования микроструктуры

поверхности и рентгено-спектрального

микроанализа выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России, в рамках проекта №14.А18.21.0135 "Функциональные наноматериалы: получение, структура, свойства" (ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной

России" на 2009-2013г) с использованием оборудования Центра коллективного пользования

"Диагностика структуры и свойств

наноматериалов " НИУ "БелГУ".

Литература

1. Н.С. Чикина, А.В. Мухамедшина, Л.А. Зенитова, Безопасность жизнедеятельности, 9, 31-35 (2008);

2. С. В. Степанова, В.В. Доможиров, И.Г. Шайхиев,

И.Ш. Абдуллин, Вестник Казанского технологического

университета, 14, 74-77 (2012);

3. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Ю.А. Макарова, Известия высшихучебныхзаведений, 53, 11, 36 - 40 (2010);

4. Ю.Н. Малахатка, С.В. Свергузова, И.Г. Шайхиев,

A.В. Шамшуров, Вестник Казанского технологического университета, 12, 137-139 (2012);

5. С.В. Свергузова, Ю.Н. Малахатка, Г.И. Тарасова, Научно-теоретический журнал Вестник БГТУ имени

B.Г. Шухова, 4, 169-172 (2012);

6. С.В. Свергузова, Т.А. Василенко, Строительные материалы, 3, 9 -10 (2001);

7. Пат. 2026733, Российская Федерация Рачковская Л.Н.; Бородин Ю.И.; Асташова Т.А.; Рачковский Э.Э.; Никитин А.Н.; Блохин А.И.; Саркисян А.Г.; опубл. 20.02.1999.

© В. В. Ульянова - асп. каф. экологии и охраны окружающей среды Энгельсского государственного технологического института, devikamail@rambler.ru; Н. А. Собгайда - д-р техн. наук, доц. той же кафедры, conata07@list.ru; И. Г. Шайхиев -д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru.