СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ НИКЕЛЯ
METHOD OF PRODUCING SORBENT FOR PURIFICATION OF WASTE WATER FROM NICKEL IONS

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к технологии получения сорбента, предназначенного для использования в области экологии для очистки водных объектов, в частности применяется для очистки сточных вод от ионов никеля сорбцией.
2
3
2
3
2
4
Известен способ получения коагулянта для очистки природных и сточных вод (патент РФ № 2195434, опубл. 27.12.2002 г.), заключающийся в обработке шлама смесью карбонатных и сульфатных солей щелочных металлов (NaCO, KCO, NaSO или их смеси), причем в качестве исходного продукта для получения реагента используют шлам, являющийся промежуточным продуктом производства глинозема, который отбирают в виде осадка и обрабатывают необходимым объемом 2%-ного водного раствора бикарбоната натрия и сульфата натрия в соотношении 1:1 в течение не менее 5 мин, после чего полученную смесь отфильтровывают, а полученный осадок высушивают и измельчают до порошкообразного состояния.
Недостатками способа является коагулирующее действие адсорбента, требующее дополнительной операции очистки воды от хлопьев реагента.
Известен способ окомкования кальцийсодержащих шламов и/или порошково-пылевидных материалов (патент РФ № 2527469, опубл. 27.08.2014 г.), включающий подготовку исходных материалов к окомкованию путем обеспечения необходимой влажности, введение реагента, представляющего собой сульфатсодержащее вещество, в качестве которого применяют серную кислоту и/или ее водорастворимые соли, при этом указанный реагент вводят в количестве 0,06-0,2 граммов сульфат-иона на один грамм сухого исходного материала, осуществляют перемешивание компонентов до однородной массы при температуре 20-60°C, окомкование подготовленного материала, а полученный окомкованный гранулированный материал сушат при температуре 65-170°C в течение 1-2,5 ч.
Недостатками данного способа является усложненность передела по подготовке материала к грануляции, а именно необходимость использования дополнительной операции фильтрации перед гранулированием материала.
Известен способ очистки сточных вод от ионов меди (патент РФ № 2433960, опубл. 20.11.2011 г.), включающий обработку сорбентом, путем фильтрации сточных вод через сорбент, причем в качестве сорбента используют нефелиновый шлам, а высота слоя сорбента от 0,035 до 0,045 м.
Недостатком данного способа является использование чистового нефелинового шлама, который при уплотнении во влажном состоянии имеет свойство конденсироваться в монолитный водостойкий материал, замедляя скорость последующей фильтрации.
Известен способ гранулирования мелкодисперсных материалов (патент РФ № 2082491, опубл. 27.06.1997 г.), включающий подачу увлажненного материала на вращающуюся тарель гранулятора, причем перед подачей материала на тарель к нему при перемешивании добавляют зародышевые частицы фракции 50 - 300 мкр в количестве 25 - 30 % от объема материала.
Недостатками данного способа является необходимость строгого контроля параметров гранулятора, а также необходимость введения большого количества зародышевого материала (до 30 % от массы шихты), снижающего сорбционную способность материала.
Известен способ получения адсорбента-коагулянта на основе красного шлама (патент РФ № 2571116, опубл. 20.12.2015 г.), принятый за прототип, включающий в себя кислотную обработку красного шлама для его активирования и последующие этапы фильтрации полученной суспензии, отделение осадка, его высушивание и измельчение, причем активирование красного шлама проводят в один этап, который осуществляют промыванием красного шлама путем декантации 6-10 моль/л раствором соляной кислоты (HCl) в соотношении т:ж=1:3-5 при непрерывном перемешивании в течение 1 часа при комнатной температуре до уровня рН не более 4.
Недостатком способа является большой расход раствора экологически опасной соляной кислоты в 3-5 раз превышающий массы сухого шламового материала.
Техническим результатом является получение прочного гранулированного продукта, позволяющего с высокой эффективностью выполнять очистку сточных вод.
Технический результат достигается тем, в качестве шлама используют гранулированный нефелиновый шлам, который измельчают до крупности менее 0,35 мм, затем добавляют вендскую глину в количестве от 15 до 20% от массы шихты и перемешивают до получения однородной массы шихты, которую направляют на гранулирование до размеров от 1 до 4 мм в диаметре, полученные гранулы высушивают при температуре от 100 до 110°С в течение не менее 1 часа и обжигают при температуре от 600 до 700°С в течение не менее 1 часа.
Способ поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - график зависимости изменения концентрации ионов никеля от объема пропущенного через слой сорбента раствора;
фиг. 2 - график зависимости скорости прохождения раствора через сорбент от объема прошедшего раствора.
Способ осуществляется следующим образом. Нефелиновый шлам, который является отходом производства глинозема из нефелиновых руд, измельчается в шаровой мельнице в течение не менее 5 минут до крупности менее 0,35 мм. К нефелиновому шламу добавляется глина в количестве от 15 до 20% от массы шихты. Глина должна обладать следующими свойствами: связующая способность, спекаемость, пористость, адсорбционная способность. Полученная шихта перемешивается до однородной массы в течение не менее 1 мин. Далее на тарельчатом грануляторе производится гранулирование шихты до размеров от 1 до 4 мм в диаметре. Полученные гранулы высушиваются в сушильном шкафу при температуре в интервале от 100 до 110°С не менее 1 ч. Затем высушенные гранулы обжигаются в муфельной печи при температуре от 600 до 700°С не менее 1 ч. Полученный сорбент может использоваться для очистки сточных вод в условиях промышленного производства.
Способ очистки сточных вод от ионов никеля поясняется следующими примерами.
Пример 1. Навеску пробы нефелинового шлама, отобранной на шламовом поле предприятия ЗАО «БазэлЦемент-Пикалево», измельчили на шаровой мельнице в течение 5 минут. При помощи сит отобрали шлам крупностью менее 0,35 мм. Из нефелинового шлама и вендской глины, добавленной в количестве 17% от массы шихты, подготовили шихту для гранулирования массой 50 г. Гранулирование шихты произвели в тарельчатом грануляторе. Шихту поместили на тарель гранулятора, в процессе вращения тарели шихту увлажняли дистиллированной водой при помощи пульверизатора. Сформировавшиеся гранулы удаляли с тарели вручную при помощи ложки. Для гранулирования всего объема шихты потребовалось 40 минут. Крупность полученных гранул составила от 1 до 4 мм. Влажность полученных гранул составила 5,5-6 %. Гранулированный шлам высушили в сушильном шкафу при температуре 100-110°С в течение 1 ч. Данные условия сушки обеспечивают влажность гранулированного шлама 0,65-0,75%. Высушенный гранулированный шлам обожгли муфельной печи при температуре 500-600°С в течение 1 ч. Данное время обжига является минимально необходимым для схватывания глины. Обожженные гранулы оставили остывать в эксикаторе при нормальных условиях.
Пример 2. Навеску пробы нефелинового шлама, измельчили на шаровой мельнице в течение 5 мин. При помощи сит отобрали шлам крупностью менее 0,35 мм. Из нефелинового шлама и вендской глины, добавленной в количестве 17% от массы шихты, подготовили шихту для гранулирования массой 50 г. Гранулирование шихты произвели в тарельчатом грануляторе. Шихту поместили на тарель гранулятора, в процессе вращения тарели шихту увлажняли дистиллированной водой при помощи пульверизатора. Сформировавшиеся гранулы удаляли с тарели вручную при помощи ложки. Для гранулирования всего объема шихты потребовалось 40 мин. Крупность полученных гранул составила от 1 до 4 мм. Влажность полученных гранул составила 5,5-6%. Гранулированный шлам высушили в сушильном шкафу при температуре 100-110°С в течение 1 ч. Высушенный гранулированный шлам обожгли муфельной печи при температуре 600-700°С в течение 1 ч. Обожженные гранулы оставили остывать в эксикаторе при нормальных условиях.
Пример 3. Навеску пробы нефелинового шлама, измельчили на шаровой мельнице в течение 5 мин. При помощи сит отобрали шлам крупностью менее 0,35 мм. Из нефелинового шлама и вендской глины, добавленной в количестве 17 % от массы шихты, подготовили шихту для гранулирования массой 50 г. Гранулирование шихты произвели в тарельчатом грануляторе. Шихту поместили на тарель гранулятора, в процессе вращения тарели шихту увлажняли дистиллированной водой при помощи пульверизатора. Сформировавшиеся гранулы удаляли с тарели вручную при помощи ложки. Для гранулирования всего объема шихты потребовалось 40 мин. Крупность полученных гранул составила от 1 до 4 мм. Влажность полученных гранул составила 5,5-6 %. Гранулированный шлам высушили в сушильном шкафу при температуре 105° С в течение 1 ч. Высушенный гранулированный шлам обожгли муфельной печи при температуре 700-800°С в течение 1 ч. Обожженные гранулы оставили остывать в эксикаторе при нормальных условиях.
Результаты лабораторных испытаний, показали, что гранулы нефелинового шлама, обожженные при температуре 650°С являются более прочными, чем гранулы, обожженные при температуре 550°С. Прочность гранул, обожженных при 750°С не увеличилась по сравнению с прочностью гранул, обожженных при температуре 650°С. Таким образом, оптимальный температурный интервал обжига, обеспечивающий необходимую прочность гранулированного материала, составляет 600-700°С.
3
3
3
Эффективность полученного сорбента для очистки сточных вод от ионов никеля доказана лабораторными испытаниями. В эксперименте были использованы: государственный стандартный образец состава водного раствора ионов никеля, 5 г/дм; дистиллированная вода; колба мерная стеклянная, 1000 см; стаканы лабораторные стеклянные, 100, 250, 1000 см; весы лабораторные аналитические; фильтры бумажные типа «белая лента»; магнитная мешалка; атомно-абсорбционный спектрометр; штатив лабораторный; сорбционная колонка стеклянная; ватный диск; резиновая трубка, диаметр 0,5 см; роликовый зажим; пробирки пластиковые, 15 мл.
Для определения эффективности полученного сорбента для очистки сточных вод от ионов никеля был проведен эксперимент в статических условиях. Стаканы объемом 250 мл с модельными растворами (100 мл р-ра) и гранулированным нефелиновым шламом (5 г) установили на магнитную мешалку, где содержимое стаканов интенсивно перемешивали в течение часа при помощи магнитов. Далее растворы отстаивали в течение 10 минут, после чего отфильтровали через бумажные фильтры типа «белая лента». Концентрация ионов никеля в модельных растворах после очистки гранулированным белитовым шламом определили методом атомной абсорбции на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Эффективность очистки составила более 99 %.
3
Для определения эффективности полученного сорбента для очистки сточных вод от ионов никеля был проведен эксперимент в динамических условиях. В лабораторный штатив установили сорбционную колонку, в которую поместили ватный диск и засыпали гранулированный нефелиновый шлам. Под сорбционной колонкой установили стеклянный стакан объемом 250 мл. Модельный раствор поступал из лабораторного стакана объемом 1000 мл в сорбционную колонку по трубке, скорость поступления раствора регулировалась роликовым зажимом. Масса шлама в колонке - 5 г. Высота слоя сорбента составляла 0,035 м. Скорость прохождения модельного раствора через слой сорбента - 1 капля (0,05 мл) в 1-2 секунды. Концентрация модельного раствора - 10,1 мг Ni/дм. Фильтрат отбирали в стакан каждые 20 мин, объем прошедшего раствора фиксировали. Объем пропущенного через слой сорбента раствора - 2926 мл. Временной интервал - 11 ч 45 мин. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты эксперимента, проведенного в динамических условиях
№ п/п
Время, мин
Объем пропущенного р-ра, мл
Концентрация Ni, мг/дм<sup>3</sup>
Эффективность очистки, %
1
20
88
0,222
97,802
2
40
160
0,0402
99,602
3
60
247
0,0071
99,93
4
80
332
0,005
99,951
5
100
415
0,005
99,951
6
120
498
0,005
99,951
7
140
578
0,005
99,951
8
160
656
0,005
99,951
9
180
732
0,005
99,951
10
200
820
0,008
99,92
11
220
908
0,018
99,82
12
240
978
0,005
99,951
13
260
1056
0,008
99,925
14
280
1140
0,012
99,885
15
300
1223
0,019
99,808
16
320
1309
0,024
99,767
17
340
1386
0,018
99,825
18
360
1459
0,01
99,901
19
365
1478
0,005
99,95
20
385
1556
0,043
99,577
21
405
1641
0,089
99,117
22
425
1724
0,214
97,89
23
445
1809
0,453
95,514
24
465
1893
1,310
87,027
25
485
1983
2,739
72,883
26
505
2067
2,812
72,162
27
525
2148
3,358
66,757
28
545
2234
3,967
60,72
29
565
2331
5,278
47,748
30
585
2421
5,168
48,829
31
605
2514
5,896
41,622
32
625
2599
5,8962
41,622
33
647
2685
5,4595
45,946
34
665
2760
5,1319
49,18
35
685
2846
6,6241
34,414
36
705
2926
7,0245
30,451
Графическая зависимость изменения концентрации ионов никеля в фильтрате от объема пропущенного через слой сорбента модельного раствора приведены на фиг. 1.
Графическая зависимость скорости прохождения модельного раствора через слой сорбента от объема прошедшего раствора приведена на фиг. 2.
3
По результатам эксперимента за 11 ч 45 мин через слой толщиной 0,035 м гранулированного нефелинового шлама массой 5 г пропустили около 3 л модельного раствора с концентрацией ионов никеля 10,1 мг/дм. При пропускании первых 1,64 л раствора эффективность очистки не опускалась ниже 99,9%. Резкое падение эффективности очистки наблюдается после отметки 1,89 л.
Скорость прохождения раствора через слой сорбента в зависимости от объема пропущенного раствора не изменилась, поэтому рекомендуется применение гранулированного белитового шлама в качестве сорбента для очистки сточных вод в условиях промышленного производства.
Способ получения сорбента для очистки сточных вод от ионов никеля позволяет получить гранулированный продукт, дальнейшее использование которого позволяет повысить эффективностью очистки сточных вод от ионов никеля.