Использование отходов переработки габбро-диабаза для очистки сточных вод

РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 628.31

С.В. Свергузова, И.Г. Шайхиев, Ж.А. Сапронова, Р.Р. Валиев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ГАББРО-ДИАБАЗА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Разработка новых эффективных сорбционных материалов на основе промышленных и сельскохозяйственных отходов представляет собой актуальную задачу. В работе рассмотрена возможность использования отходов обработки габбро-диабаза (обломков, крошки, пыли) для получения сорбционных материалов, пригодных к использованию в водоочистке. Приведены справочные данные по их химическому составу и некоторым физическим свойствам (средняя плотность, истинная плотность, пористость, истираемость, ударная вязкость, модуль упругости при сжатии, водопоглощение, предел прочности, марка по морозостойкости, потери при истирании). При микроскопических исследованиях, проведенных с помощью высокоразрешающего микроскопа «Hitachi-8-800», на поверхности частиц габбро-диабаза обнаружены разупорядоченные частицы микро- и наноразмеров неправильной формы с сетчатой структурой поверхности и множеством активных центров, что свидетельствует о наличии сорбционных свойств у исследуемого габбро-диабаза. При исследовании суспензионного эффекта в системе габбро-диабаз -вода установлено, что поверхность частиц габбро-диабаза имеет положительный заряд. Об этом свидетельствует подкисление фильтрата по сравнению с суспензией. При очистке модельных растворов красителя метиленового голубого с концентрацией 10 мг/дм3 эффективность очистки составила 99,25%, а для его раствора с концентрацией 20 мг/дм3 - 97,3%.

Ключевые слова: габбро-диабаз, отходы переработки, очистка сточных вод, сорбционные материалы, утилизация промышленных отходов, метиленовый голубой, эффективность очистки.

S.V. Sverguzova, I.G. Shaikhiev, Zh.A. Sapronova, R.R. Valiev

THE USE OF GABBRO-DIABASE PROCESSING WASTE FOR WASTEWATER TREATMENT

The development of new efficient sorption materials based on industrial and agricultural waste is an actual task. The possibility of using gabbro-diabase processing waste (debris, fragments, dust) for obtaining sorption materials suitable for use in water purification is considered in this article. The reference data of chemical co m-position and some physical properties (average density, true density, porosity, attrition, impact strength, com-pressive modulus, water absorption, tensile strength, frost resistance mark, abrasion loss) are presented. As a result of microscopic examinations carried out by high resolution microscope "Hitachi-8-800" the disordered particles of micro- and nano-sized irregular shape with a mesh surface structure and multiple active centers were detected on the gabbro-diabase surface. This indicates the presence of the sorption properties in the examined gabbro-diabase. During the suspension effect research in the gabbro-diabase - water system it was established that the gabbro-diabase particles surface has positive charge. This is evidenced by the acidification of the filtrate in comparison with the suspension. When cleaning model solutions of methylene blue (MB) dye, the purification efficiency was 99,25% with an initial concentration of 10 mg/dm3 and 97,3% for a solution of MB with a concentration of 20 mg/dm3.

Key words: gabbro-diabase, processing waste, wastewater treatment, sorption materials, industrial waste recycling, methylene blue, treatment efficiency.

DOI: 10.17217/2079-0333-2018-45-6-11

Введение

Очистка сточных вод различного происхождения и состава представляет собой сложную и зачастую трудноразрешимую задачу [1-3]. Во многих случаях для очистки сточных вод используют многочисленные сорбционные материалы [4-8]. Однако некоторые из них являются очень дорогостоящими, например, активированные угли [9-15], другие обладают малой селективностью или требуют регенерации [16-21], что ограничивает возможность их широкого использования. В связи с этим разработка новых эффективных сорбционных материалов является актуальной задачей. Получение сорбционных материалов на основе отходов различных производств представляет особый интерес, поскольку в этом случае решается также задача частичной утилизации промышленных отходов.

При разработке новых сорбционных материалов и методик обработки сточных вод необходима подробная информация по химическому и оксидному составу сорбента, поскольку эти показатели обуславливают заряд его поверхности, наличие активных центров, возможности и особенности взаимодействий с различными поллютантами в водных средах. Поэтому, несмотря на наличие в справочной литературе информации об усредненном составе и свойствах такого материала, как габбро-диабаз, для эффективного применения его в водообработке представлялось интересным получить для него более полные данные по указанным выше показателям.

Габбро-диабаз относится к гранитам и является прочной однородной породой вулканического происхождения темно-серых оттенков. Основу габбро-диабаза составляют плагиоклаз -40-65% и моноклинный пироксен - 20-45%. Остальные составляющие - амфибол, биотит -0,8% и хлорит, титаномагнетит - 6,8%, апатит, кварц - 0,58%, роговая обманка - 4,5%. Обычный химический состав - SiO2 (48,5%), Fe2Oз (3,5%) Al2Oз (18%), FeO (6%), CaO (11,5%), MgO (7,5%), Na2O (2%), ТО (1%), ^ (1%).

Согласно справочным данным, химический состав гранита габбро-диабаза обеспечивает следующие физические свойства: среднюю плотность 3000-3120 кг/м3, истинную плотность -3,06 г/см3, пористость - 0,68%, истираемость - 0,12 г/см2, ударную вязкость - 1,75 кДж/м2, модуль упругости при сжатии - 91 550 МПа, водопоглощение - 0,01-0,14%, предел прочности при сжатии породы в сухом состоянии - 206-360 МПа, предел прочности при сжатии породы в во-донасыщенном состоянии - 190-300 МПа, марку по морозостойкости - F100, потери при истирании - 0,12-0,23 г/см2.

Материалы и методы

Микроскопические исследования частиц габбро-диабаза проводили с помощью высокоразрешающего растрового электронного микроскопа (РЭМ) <^^^-8-800», совмещенного с персональным компьютером. С целью определения знака заряда поверхности частиц габбро-диабаза в водной среде исследовали явление суспензионного эффекта. Для проверки возможности использования габбро-диабаза для очистки сточных вод проводилась очистка модельных растворов, содержащих краситель метиленовый голубой с концентрацией 10 и 20 мг/дм3. В ходе экспериментов к 100 мл модельного раствора добавляли разные по объему навески порошка габбро-диабаза, полученную суспензию перемешивали в течение 10 мин. Далее смесь воды с порошком фильтровали и в полученном фильтрате остаточную концентрацию красителя определяли фотоколориметрическим методом.

Результаты и обсуждение

В ходе микроскопирования порошка габбро-диабаза была изучена поверхность его частиц. Ее наиболее типичный вид при большом увеличении показан на рис. 1. На представленных микрофотографиях видны разупорядоченные микро -и наноразмерные частицы. Они имеют неправильную форму с сетчатой структурой поверхности и множеством активных центров. Такая поверхность исследуемого габбро-диабаза, безусловно, обеспечивает его сорбционные свойства.

Рис. 1. Морфология поверхности частиц габбро-диабаза при различном увеличении его поверхности

Известно, что в дисперсных системах может наблюдаться образование вокруг микрочастиц двойного электрического (ионного) слоя. Он появляется вследствие установления в системе адсорбционного равновесия, приводящего к возникновению на поверхности слоя потенциалопре-деляющих ионов. Вследствие малого радиуса действия адсорбционных сил в двойном электрическом слое до некоторой степени условно можно выделить две основные части: более близкую к поверхности изучаемого материала - «плотный» слой, где адсорбционные силы существенны, и более удаленный от нее «диффузный» слой. В последнем адсорбционные силы намного слабее, и ими можно пренебречь.

Формирование диффузных слоев ионов приводит к появлению так называемого суспензионного эффекта. Он, в свою очередь, выражается в появлении различий в составе дисперсионной среды в диффузном слое и на расстоянии от частиц. При осаждении дисперсных частиц дисперсная фаза концентрируется. При этом частицы сближаются до расстояний, сравнимых с толщиной ионной атмосферы. В связи с этим большая часть дисперсионной среды в осадке бывает представлена диффузными слоями ионов, и дисперсионная среда в разных частях системы, таким образом, имеет разный состав. Так, дисперсионная среда в осадке будет иметь значение рН, отличное от жидкости над осадком в том случае, если в диффузном слое имеется избыток ионов Н+ или ОН-. В процессе водоочистки захват ионов может происходить также при осаждении се-диментирующих частиц.

Следует отметить, что суспензионный эффект может наблюдаться только в тех дисперсных системах, частицы которых имеют на своей поверхности какой-либо заряд. Если в суспензии частицы находятся в изоэлектрическом состоянии, суспензионный эффект наблюдаться не будет.

Таким образом, так называемый суспензионный эффект позволяет определить знак поверхности твердых частиц по разности значений рН суспензии и осветленной жидкости. При этом в основу расчета может быть положено уравнение:

ДрЯ = рНо - рЯс,

где рЯо ирНс - водородные показатели осветленной жидкости и суспензии соответственно.

Если противоионами являются ионы Н+ или ОН-, то среда приобретает, соответственно, кислый или щелочной характер. В процессе фильтрации противоионы уходят вместе с частицами.

Нами явление суспензионного эффекта в системе габбро-диабаз - вода было изучено при добавлении к воде разных навесок порошка. В ходе экспериментов было обнаружено наличие различий в значениях рН для суспензии и фильтрата. Данные рис. 2, таким образом, свидетельствуют о наличии в изученной нами системе суспензионного эффекта.

рН 10

9

7

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

масса, г

^^^суспензия фильтрат

Рис. 2. Изменение рН суспензии и фильтрата в зависимости от массы добавки габбро-диабаза

Приведенные на рис. 2 данные показывают, что в фильтрате концентрация ионов ОН- ниже, чем в суспензии, и это свидетельствует о том, что в диффузном слое воды, обволакивающем частицы габбро-диабаза, имеется избыток ионов ОН-. На этом основании нами был сделан вывод о том, что поверхность частиц габбро-диабаза имеет положительный заряд.

Для проверки возможности использования габбро-диабаза для очистки сточных вод нами была предпринята попытка очистки модельных растворов, содержащих краситель метиленовый голубой с концентрацией 10 и 20 мг/дм3. К 100 мл модельного раствора добавляли навески порошка габбро-диабаза, суспензию перемешивали в течение 10 мин, в фильтрате определяли остаточную концентрацию МГ фотоколориметрическим методом. Для изучения возможности использования габбро-диабаза для очистки сточных вод, как было сказано выше, использовали растворы метиленового голубого разной концентрации. Результаты изучения эффективности очистки воды от красителя показаны на рис. 3. Они, как это видно из рисунка, свидетельствуют о высоком сорб-ционном потенциале порошка габбро-диабаза и возможности достижения высокой эффективности очистки, до 99,25% для растворов с исходной концентрацией метиленового голубого, составляющей 10 мг/дм3 и до 97,3% для раствора с его исходной концентрацией 20 мг/дм3.

80

0 0,25 0,5 0,75 1

масса добавки габбро-диабаза, г ^^^ 10 мг/дм3 20 мг/дм3

Рис. 3. Зависимость эффективности очистки от массы добавки габбро-диабаза к раствору. Дисперсность габбро-диабаза менее 100 мкм

Таким образом, в ходе проведения экспериментов была установлена возможность использования отходов обработки габбро-диабаза для очистки сточных вод, доказана возможность достижения высокой эффективности очистки растворов, содержащих краситель метиленовый голубой.

Работа выполнена в рамках реализации Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.

Литература

1. Петров C.A., Крyшенко Г.Г. Безреагентная очистка питьевой воды, сточных вод и промышленных стоков // Вода и экология: проблемы и решения. - 2000. - № 4(5). - С. 29-31.

2. Зай^ллин P.P., Галяyтдинов A.A. Применение абсорбционных холодильных машин // Инновационная наука. - 2016. - № 6-2. - С. 68-69.

3. Колесникова Е.И. Современные технологии очистки природных и сточных вод. - Курск: ЮЗГУ, 2011.

4. Адсорбционные свойства пыли электросталеплавильного производства / ЛЛ. Порож-нюк, C.B. Cвергyзова, И.Г. Шайxиев, Д.Ю. Ипанов, E.B. Новикова // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 7. - С. 92-95.

5. Коллоидно-химические свойства пыли ЭДСП в процессах водоочистки / C.B. Cвергyзо-ва, ЛЛ. Порожнюк, Д.Ю. Ипанов, ЖЛ. Cаnронова, Д.B. Cаnронов, A.B. Шамшyров, E.B. Новикова // Экология и промышленность России. - 2013. - № 7. - С. 22-25.

6. Возможные направления использования твердого отхода электросталеплавильного производства - пыли электродуговых сталеплавильных печей / И.Г. Шайxиев, C.B. Cвергyзова, Л.A. Порожнюк, Д.Ю. Ипанов, E.B. Cyxанов // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 6 (17). - С. 199-202.

7. Cакалова RB., Cвергyзова C.B., Мальованый M.C. Эффективность очистки сточных вод гальванического производства адсорбционным методом // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2014.- № 4. - С. 153-156.

8. Cтеnанова C.B., Шайxиев И.Г., Cвергyзова C.B. Очистка модельных стоков, содержащих ионы тяжелых металлов, шелухой пшеницы // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2014. - № 6. -С. 168-171.

9. Cаnронова Ж.A., Фетисов P.O., Cвергyзова C.B. Адсорбция СПАВ из раствора на поверхности углеродсодержащего материала // Efektivní nástroje moderních ved - 2014: materiály X mezinárodní vedecko-praktická konference - Díl 25. Ekologie. Zemepis a geologie. - Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o., 2014. - С. 47-50.

10. Cаnронова Ж.A., Фетисов P.O., Cвергyзова C.B. Сатурационный осадок в качестве сорб-ционного материала // Efektivní nástroje moderních ved - 2014: materiály X mezinárodní vedecko-praktická konference - Díl 25. Ekologie. Zemepis a geologie. - Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o., 2014. - С. 16-18.

11. Кирюшина Н.Ю., Cвергyзова C.B. Очистка сточных вод гальванических производств от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+ электросталеплавильным шлаком. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. - 126 с.

12. Cвергyзова C.B., Юрченко B.A., Cаnронова Ж.A. Сорбционная очистка нефтесодержащих сточных вод с помощью отходов сахарной промышленности. - Харьков: ХНАДУ, 2014. - 128 с.

13. Cвергyзова C.B., Cаxаб M.C., Шайxиев И.Г. Использование шлама Белгородской ТЭЦ в водоочистке от ионов никеля // Вестник технологического университета. - 2017. - № 8 (20). -С.138-141.

14. Сравнение сорбционных свойств активного угля марки КАД-йодный и ТМСО600 / Ж.A. Cаnронова, Н.Ю. Кирюшина, Н..C. Лynандина, C.B. Cвергyзова // Вестник Технологического университета. - 2017. - Т. 20, № 15. - С. 137-140.

15. Отработанный кизельгуровый шлам маслоэкстракционного производства - сырье для получения сорбционного материала / KB. Cтаростина, C.B. Cвергyзова, Д.B. Cтоляров, E.B. Порожнюк, Я.Н. Aничина, И.Г. Шайxиев // Вестник Технологического университета. - 2017. - Т. 20, №16. - С. 133-137.

16. Cаnронова Ж.A., Cвятченко A.B., Cвергyзова C.B. Очистка сточных вод производства соевого молока отходом сталеплавильного производства // Содружество. - 2017. - № 13. - С. 32-37.

17. Токач Ю.Е., Рубанов Ю.К., Свергузова С.В. Способ экологически безопасной утилизации отходов гальванического производства // Содружество. - 2017. - № 13. - С. 38-40.

18. Сапронова Ж.А., Святченко А.В., Свергузова С.В. Альтернативные перспективы использования отхода электросталеплавильной промышленности - пыли электродуговых сталеплавильных печей (ЭДСП) // Экология и промышленность. - 2017. - № 2. - С. 91-95.

19. Сапронова Ж.А., Свергузова С.В. Активация техногенных и природных материалов для очистки сточных вод. - Германия: Palmarium academic publishing, 2017. - 331 с.

20. Шайхиев И.Г., Степанова С.В., Свергузова С.В. Удаление ионов кобальта высоких концентраций из модельных растворов с использованием экстрактов из отходов переработки Pisum sativum // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2016. - № 7. - С. 159-167.

21. Исследование кинетики процессов адсорбции фенола отходами валяльно-войлочного производства / Р.З. Галимова, И.Г. Шайхиев, Г.А. Алмазова, С.В. Свергузова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2016. - № 10. - С. 179-185.

Информация об авторах Information about the authors

Свергузова Светлана Васильевна - Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; 308012, Россия, Белгород; доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной экологии; pe@intbel.ru

Sverguzova Svetlana Vasilyevna - Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov; 308012, Russia, Belgorod; Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Industrial Ecology Chair; pe@intbel.ru

Шайхиев Ильдар Гильманович - Казанский национальный исследовательский технологический университет; 420015, Российская Федерация, Республика Татарстан, Казань; доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой инженерной экологии

Shaikhiev Ildar Gilmanovich - Kazan National Research Technological University; 420015, Russian Federation, Tatarstan Republic, Kazan; Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Engineering Ecology Chair

Сапронова Жанна Ануаровна - Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; 308012, Россия, Белгород; доктор технических наук, профессор кафедры промышленной экологии; pe@intbel.ru

Sapronova Zhanna Anuarovna - Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov; 308012, Russia, Belgorod; Doctor of Technical Sciences, Professor of Industrial Ecology Chair; pe@intbel.ru

Валиев Радик Рашитович - ГК «Миррико»; 420015, Российская Федерация, Республика Татарстан, Казань; технолог

Valiev Radik Rashitovich - GC «Mirrico»; 420015, Russian Federation, Republic of Tatarstan, Kazan; technologist