Получение железосодержащего коагулянта для очистки сточных вод от органических взвессей

УДК 628.345:669.05.83

ПОЛУЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО КОАГУЛЯНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЗВЕСЕЙ

© 2016 С.В. Свергузова, Ж.А. Сапронова, Л.А. Порожнюк, А.В. Святченко

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Статья поступила в редакцию 05.12.2016

Представлены результаты исследования возможности получения железосодержащего коагулянта для очистки сточных вод от органических взвесей. Для получения коагулянта использована пыль электродуговых сталеплавильных печей. Установлена высокая эффективность снижения мутности и значение ХПК в модельных системах под действием полученного коагулянта. Ключевые слова: пыль электродуговых сталеплавильных печей, железосодержащий коагулянт, сточные воды, эффективность очистки.

Процессы коагуляции и флокуляции широко распространены в природе и часто используются при очистке природных, оборотных и сточных вод. В связи со все ухудшающимся качеством воды природных водных объектов проблема очистки воды приобретает увеличивающуюся значимость для всех регионов мира. Твердые неорганические и эмульгированные органические примеси в очищаемых водах чаще всего по размерам близки к коллоидным частицам, поэтому с точки зрения коллоидной химии загрязненные воды представляют собой коллоидно-дисперсные системы [1].

Для очистки и водоподготовки природных и сточных вод в настоящее время разработано большое число методов, но в промышленных масштабах используются только некоторые из них. Для реализации коагуляционного способа очистки чаще всего используют сульфат и гидрохлорид алюминия, а также сульфат и хлорид железа (III), гидролиз которых сопровождается образованием крупных хлопьев, увлекающих загрязняющие вещества [2]. Для интенсификации хлопьеобразования в воду добавляют флокулян-ты. Однако выпускаемые промышленностью коагулянты и флокулянты дороги, поэтому разработка способов получения эффективных, дешевых и доступных коагулянтов-флокулянтов представляет собой актуальную задачу. Особенно перспективным представляется получение коагулянтов-флокулянтов на основе отходов

Свергузова Светлана Васильевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой промышленной экологии. E-mail: pe@intbel.ru

Сапронова Жанна Ануаровна, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии. E-mail: pe@intbel.ru

Порожнюк Людмила Алексеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии. E-mail: pe@intbel.ru

Святченко Анастасия Владимировна, аспирант. E-mail: sv.anastasiaa@mail.ru

промышленности. К одному из таких отходов можно отнести пыль электродуговых сталеплавильных печей (ЭДСП) на примере Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) Белгородской области. Пыль ЭДСП содержит как соединения железа, так и соли кремниевой кислоты, обеспечивая тем самым протекание как коагуляционных, так и флокуляционных процессов [3].

Цель работы: получение железосодержащего коагулянта-флокулянта (ЖКФ) на основе пыли ЭДСП и подтвердить эффективность препаратов ЖКФ для очистки сточных вод от органических взвешенных веществ, например, от жировых частиц.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

Согласно проведенным исследованиям физико-химических свойств пыли ЭДСП, ее состав и структура указывают на возможность использования пыли для получения коагулянта-флокулян-та, пригодного к использованию в водоочистке. Пыль ЭДСП, образующаяся при плавке железной руды в электродуговых печах, представляет собой тонкодисперсную систему, содержащую Fe2O3 до 50 % и ряд оксидов металлов (табл. 1).

Физико-химические свойства пыли ЭДСП представлены в табл. 2.

Дисперсный анализ показал, что размер частиц пыли не превышает 80 мкм. Удельная поверхность пыли ^уд), определенная в соответствии с теорией БЭТ методом низкотемпературной адсорбции азота, составила 64±4,5 м2/г.

Анализ микрофотографий РЭМ пыли ЭДСП свидетельствует о развитой рыхлой поверхности частиц (рис. 1).

Результаты рентгенофазового анализа (рис. 2) позволяет сделать вывод, что в состав пыли ЭДСП входят такие вещества, как магнетит FeO•Fe2O3d(А0) = 2,979; 2,543; 2,108; 1,691;

Таблица 1. Оксидный состав пыли ЭДСП

Ингредиент

[О О щ Вн СаО О п5 2 О 00 7п0 О Mg0 Мп0 [О О сл и [О О < РЬ0 [О 0 СИ [О 0 С Си0 О Р О Р О сл са0 с: £ С) > >ч со

Содержание 49,4 13,41 9,72 5,92 ю Ч!^ 5, о, 3, 2,10 3 0,78 0,63 0,42 0,34 0,27 0,12 0,12 0,053 0,043 0,02 0,02 о 0, о 0,

Таблица 2. Физико-химические свойства пыли ЭДСП

№ Показатели Значение

1 Насыпная плотность, кг/м3 9400

2 Истинная плотность, кг/м3 3640

3 Растворимость в воде, % 6,4±0,5

4 рН водной вытяжки 10,9

5 Влажность, % 1,5-2,5

^жШ V ш рш . . ' • - 1

Ч-

л«- '>5.- '"-.  *; е>:

рЙ

.-Жл ••— г _ ••

ш ... „-г-, - ' Г*.-"?. -

1! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 М1 г ?АЗТЕЭСАМ

Рис. 1. Микрофотография пыли ЭДСП

1,484; вюстит РеОа(А0) = 2,48; 2,141; 1,519; портландитСа(ОН)ДА°) = 4,924; 4,575; 2,622; 1,989; 1,918; 1,784; 1,692 и кремнезем БЮДА0) = 3,51; 2,276; ,813; 1,539.

При кислотной обработке пыли происходит частичное растворение оксидов металлов и их силикатов:

РеО + 2НС1 ^ РеС12 + Н2О; Ре2О3 + 6НС1 ^ 2РеС13 + 3Н2О; Ре + 2НС1 ^ РеС12 + Н2; Ре3О4 + 8НС1 ^ РеС12 + 2РеС13 + 4Н2О СаБЮ4 + 2Н2О ^ 2Са(ОН)2 + Н4БЮ4 Соли образующихся ионов Ре3+ и Ре2+ являются хорошими коагулянтами, в результате гидролиза которых образуются крупные заряженные частицы, интенсифицирующие процесс седиментации взвесей. В кислой среде образуются ионы РеОН2+, [Ре(ОН)2]+, РеОН+. Поскольку в состав пыли ЭДСП входит значительное количество оксида кальция в виде соединений, то при повышении рН среды вследствие их растворения возможно образование следующих ионов: [Ре(ОН)4]-, [Ре(ОН)5]2-, [Ре(ОН)6]3- и др[4-5]. Особенностью кислотной обработки пыли ЭДСП является растворение силикатов, входящих в ее состав. При растворении силикатов в раствор переходят кремниевые кислоты. При этом возможен процесс поликонденсации которых можно рассмотреть на примере ортокремниевой кислоты Н4БЮ4 (см. графическую иллюстрацию протекающей реакции, с. 364).

В результате образуется гель поликремниевых кислот, обладающий высокоразвитой поверх-

........... ь_____ 1 а 1 1 1 1 ^ : :г 1 .......... J ........, ____------- ___________ ________

* - — 1 1 1 1 1 1 1 -1— - 0 - - * -1 Л Л 1. -

Рис. 2. Рентгенограмма пыли ЭДСП: • - магнетит БезО^  - гематит Бе20з; о - металлическое железо Бе; ♦ - кварц БЮ2;  - оксид цинка 2пО; Ф - оксид кальция СаО; Д - пиролюзит Мп02; А - двухкальциевый силикат 2Са08Ю2

Н-0\ /0-Н Н-0\ /0-Н

Н-0\ /Оч /0-Я

Si

+

Si

н-о7 чо-н я-о/ хо-н

Si

Si

-О Ч /О-

Si

Si +4Н+

Н-О7 чо-н о/ 4 о-

ностью и проявляющий свойства флокулянта, что способствует повышению эффективности очистки. Причем, гель поликремниевых кислот может содержать полимерные формы линейного и объемного характера, содержащие соединения типа H4Si3O8, H4Si4O12 и др [6].

С целью определения оптимальных условий кислотной обработки пыли, позволяющих большей части ионов железа перейти в раствор, навески пыли ЭДСП обрабатывали растворами HCl при разных соотношениях Т:Ж и условиях обработки. После обработки пыли растворами кислоты суспензию фильтровали и в фильтрате определяли концентрацию ионов Fe2+, Fe3+ и соединений кремния в пересчете на SiO2.

Как показано на рис. 3, 4, как увеличение концентрации кислоты, так и длительность обработки положительно влияют на процесс растворения пыли и переход ионов Fe2+ и Fe3+ из твердой фазы в жидкую[7].

При этом полнота перехода железа общего в раствор составила 87,8 % для концентрации соляной кислоты 3 н и длительности обработки 10 мин.

При обработке пыли 1н соляной кислотой в течение 30 минут полнота перехода железа в раствор составила 98,8 %. Поэтому можно сделать вывод, что для получения концентрированного раствора коагулянта рациональными можно считать следующие условия: навеска пыли ЭДСП - 1 г; объем 1 н HCl - 21 мл; длительность обработки - 30 мин [8].

Препарат, полученный после обработки пыли ЭДСП соляной кислотой, назвали ЖКФ - железосодержащий коагулянт-флокулянт.

Для определения эффективности препарата ЖКФ использовали молокосодержащие эмульсии, полученные путем разбавления цельного молока в воде. К модельным эмульсиям добавляли препарат ЖКФ, перемешивали, содержимое лабораторной емкости фильтровали через бумажный фильтр. Загрязненность эмульсий до и после очистки оценивали турбидиметрическим методом по показателю NTU - нефелометрической единице мутности, а также по снижению показателя химического потребления кислорода (ХПК) [9].

Кинетика снижения показателя NTU и ХПК показана на рис. 5, 6.

Рис. 3. Зависимость концентрации ионов железа Fe3+ и Fe^ в растворе от концентрации HCl.

Длительность кислотной обработки 10 мин

0 5 10 15 20 25 30 35 40

X, мин

Рис. 4. Зависимость концентрации ионов железа Fe3+ в растворе от длительности кипячения пыли ЭДСП с 1н и 3н растворами HCl

О - I I I I I

0 1 2 3 4 5 6

Длительность наблюдений, часы

Рис. 5. Кинетика снижения мутности молокосодержащей эмульсии в ходе отстаивания при воздействии ЖКФ

Рис. 6. Кинетика снижения ХПК в молокосодержащих эмульсиях при воздействии ЖКФ

Из графиков, представленных на рис. 5, 6, следует, что наиболее интенсивно очистка моло-косодержащих эмульсий протекает при добавке ЖКФ в объеме 2 см3 на 250 см3 эмульсии.

ВЫВОД

Использование препарата ЖКФ может обеспечить эффективную очистку сточных вод, загрязненных взвешенными неорганическими и органическими веществами. Такого рода загрязнения наблюдаются в сточных водах моло-коперерабатывающих и маслоэкстракционных предприятий, автозаправочных станций, предприятий по производству строительных материалов, в ливневых водах и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш. шк., 2004. 445 с.

2. Теоретические основы очистки воды / Н.И. Куликов, А.Я. Найманов, Н.П. Омельченко, В.Н. Чернышев. Донецк: изд-во «Ноулидж», 2009. 298 с.

3. Коагуляция тонкодисперсных систем с помощью пыли электросталеплавильного производства / С.В. Свергузова, Е.В. Суханов, Д.Ю. Ипанов // Вестник

БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. № 1. С. 186-191.

4. Адам Н.К., Толстой Д.М., Ахматова А.С. Физика и химия поверхностей. М.: Гостехиздат, Ленинград, 1947, 536 с.

5. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984. 368с.

6. Суханов Е.В. Физико-химические свойства пыли электросталеплавильного цеха (ЭСЦП) // Фундаментальные и прикладные исследования в области химии и экологии: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Курск, 23-26 сентября 2015г.). - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга», 2015. - С .154-156.

7. Влияние условий модификации пыли ЭСПЦ на ее коагуляционные свойства / С.В. Свергузова, И.В. Старостина, Е.В. Суханов, Д.В. Сапронов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. Т.19. №3. С. 113- 115.

8. Сергузова С.В., Ипанов Д.Ю., Суханов Е.В. Адсорбционные свойства пыли электродуговых сталеплавильных печей (ЭДСП) // Казантип-ЭКО-2014. Инновационные пути решения актуальных проблем базовых отраслей, экологии, энерго- и ресурсосбережения: сборник трудов XXII международной научно-практической конференции, Харьков: НТМТ, 2014. С. 79-81.

9. Суханов Е.В., Латыпова М.М. Определение оптимальных технологических параметров процесса очистки токсичных сточных вод // Экология и

рациональное природопользование агропромыш- науч. конф, Белгород: Изд-воБГТУ, 2013. Ч.1. С.

ленных регионов: сб. докл. Междунар. моложед. 126-129.

OBTAINING OF IRON-CONTAINING COAGULANT FOR THE SEWAGE DISPOSAL FROM ORGANIC SUSPENSION

© 2016 S.V. Sverguzova, J.A. Sapronova, L. A. Porojnyuk, A.V. Svyatchenko

Belgorod State Technological University named after V. G. Shoukhov

The present article presents the research results concerning the possibilities to obtain iron-containing coagulant for the sewage disposal from organic suspension. Electroarc steel furnace dust is used to obtain coagulant. A high efficiency of decreasing for turbidity and COD value in model system is established the influence of coagulant.

Keywords: electric arc furnaces dust, iron-containing, wastewater, treatment, purification efficiency

Svetlana Sverguzova, Doctor of Technics, Professor, Head at the Industrial Ecology Department. E-mail: pe@intbel.ru Janna Sapronova, Candidate of Technics, Associate Professor at the Industrial Ecology Department. E-mail: pe@intbel.ru Lyudmila Porojnyuk, Candidate ofTechnics, Associate Professor at the Industrial Ecology Department. E-mail: pe@intbel.ru Anastasia Svyatchenko, Graduate Student. E-mail: sv.anastasiaa@mail.ru