Альтернативный реагент для очистки растворов от ионов металлов

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

А. В. Шамшуров

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ РЕАГЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТВОРОВ ОТ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

Ключевые слова: очистка сточных вод, тяжелые металлы, реагентная очистка..

Рассмотрены вопросы очистки сточных вод от тяжелых металлов с помощью отхода производства строительных материалов в качестве средства для реагентной очистки железо- и цинкосодержащих модельных растворов.

Key words: wastewater treatment, heavy metals, reagent purification.

The questions of necessity to clean sewage water from heavy metals, as well as the use of waste building materials as feedstock for reagent purification of iron-and Zn-containing model solutions.

Состояние окружающей среды в нашей стране в настоящее время оценивается специалистами как критическое. Вследствие интенсивного

антропогенного воздействия в окружающую среду ежегодно поступают огромные массы твердых, жидких и газообразных отходов. Особое беспокойство вызывает качество воды водных объектов, которое за последние десятилетия заметно ухудшилось. Так, например, по данным ежегодного государственного доклада «О санитарноэпидемиологической обстановке в Российской

Федерации в 2009 году» [1] следует, что в 2009 году зарегистрирована 31 территория субъектов

Российской Федерации, где доля проб воды водных

объектов I категории по микробиологическим показателям, не соответствующим гигиеническим нормативам, составила 17,8 %, а II категории-23,1 %. Не лучше обстоят дела и с другими санитарногигиеническими показателями. Количество

загрязненных вод, сбрасываемых в водоемы во всем мире, достигает 300 млрд. м3 в год [2]. Основными поставщиками сточных вод, загрязняющих водные артерии Российской Федерации, являются

предприятия перерабатывающих отраслей

промышленности.

Одними из опаснейших для живых организмов являются соединения тяжелых и цветных металлов. Включаясь в клеточные ферментативные системы, металлы выступают как клеточные яды и нарушают функции клеток или вовсе приводят их к гибели. Поэтому важнейшим условием экологической

безопасности жизнедеятельности населения любой страны является высокое качество воды водных объектов [3].

Очистку сточных вод, содержащих соединения тяжелых и цветных металлов, можно осуществлять разными способами. Все они отличаются по эффективности и экономическим затратам [4]. Многие из них не получили широкого распространения по причине высокой стоимости реагентов или сложности аппаратурного оформления. В связи с этим разработка альтернативных эффективных способов очистки сточных вод является актуальной задачей.

Широко распространенной технологией очистки сточных вод от соединений тяжелых и цветных металлов является реагентная очистка, при

которой ионы металлов переводятся в малорастворимые гидроксиды и выделяются из воды декантацией или фильтрованием. При этом расходуются ценные химические реагенты (напр. СаО или Ыа2СО3), что может быть охарактеризовано как нерациональное использование природных ресурсов при наличии целого ряда крупнотоннажных отходов, в частности, дефеката [5], опилок [6], лигнина [7], хитина и хитозана [8], отходов от переработки сельскохозяйственного сырья [9], сточных вод различных производств [10], которые по своим физико-химическим свойствам могут быть использованы для очистки водотоков от ионов тяжелых металлов.

Одним из таких отходов является пыль электрофильтров Белгородского комбината строительных материалов (БКСМ), которая представляет собой тонкодисперсную структуру с размером частиц до 0,63 мм, в состав которой входит, % масс: СаОН2 - 44; ЭЮ2 - 45; СаО - 4; СаСО3 - 2; (СаБ1О3+ Са2Б1О4) - 5.

* портпандит , а - кварц ; ф - оксид кальция , ІШ - кальцит:

• мета силикат кальция, # - парнит ;

Рис. 1 - Рентгенофазовый анализ пыли БКСМ

Качественный фазовый состав пыли,

определенный с помощью рентгенофазового анализа (рис.1), показал присутствие следующих пиков: Са(ОН)2 - портландит, d(A) = 4,969; 2,640; 2,284; 2,243; 1,935; 1,797; 1,694; БЮ2 - кварц, d(A) = 4,270; 3,351; СаО - d(A) = 2,456; 1,223; СаСО3 - кальцит, d(A) =2,134; СаО • БЮ2 - метасиликат кальция, d(A) =2,97; в -2СаО • БЮ2 - ларнит, d(A) = 2,748; 1,9166 [11].

Благодаря наличию в составе пыли соединений Са(ОН)2 и СаО при добавлении ее к воде рН среды повышается (рис. 2). Данное обстоятельство является

очень важным фактором для образования

малорастворимых гидроксидов металлов в ходе реагентной очистки.

Рис. 2 - Зависимость рН дистиллированной воды от массы добавки пыли БКСМ

Экспериментально определено, что при массе добавки пыли 0,05 г к 100 мл дистиллированной воды, рН среды достигает значения рН = 11,6, а при добавке в 0,1 г - рН = 12,3 и при дальнейшем увеличении массы навески показатели исследуемого параметра практически не повышаются.

Результаты исследований (табл.1) показывают, что при повышении массы пыли, добавляемой к модельным растворам, рН среды последних повышается.

Таблица 1 - Изменение рН модельных растворов при добавке пыли БКСМ

т рН Ре3* рН Ре2+ рН Zn2+

С=10 мг/л С=20 мг/л С=10 мг/л С=20 мг/л С=10 мг/л С=20 мг/л

0 3,8 3,4 3,6 3,3 3,5 3,2

0,02 7 5,8 5,9 5,0 5,4 4,9

0,04 7,8 6,7 6,9 5,9 6,7 5,9

0,06 8,5 7,7 7,8 6,7 8,0 7

0,08 9,2 8,7 8,5 7,2 8,6 7,8

0,10 9,5 8,9 8,8 7,8 9,2 8,5

0,12 9,7 9,2 9,1 8,5 9,7 9,2

0,14 10,0 9,5 9,5 8,9 10 9,4

Вышеназванное обстоятельство является очень важным в процессе очистки растворов, содержащих ионы Рв2+, Рв3+, 2п2+, ввиду того, что выведение перечисленных ионов металлов из раствора в виде малорастворимых гидроксидов напрямую зависит от рН среды, которое отражает содержание в растворе ионов ОН-, участвующих в формировании осадка Ме(ОН)п. В частности, для модельного раствора с концентрацией ионов Ре3+ 10 мг/л, рН = 3,8; для

раствора с концентрацией названных ионов 20 мг/л значение рН снижается до рН = 3,4. Вероятно, вышеназванное обстоятельство можно объяснить тем,

п 2+ п 3+

что вследствие гидролиза ионов ге , ге в растворе накапливаются ионы Н :

Ге3+ + НОН ^ [Ге(ОН)]2+ + Н+ ; [Ге(ОН)12+ + НОН ^ [Ге(ОН)2] ++ Н+;

Ге + НОН ^ ГеОН+ + Н+;

гп2+ + нон ^ гпОН+ + н+;

Для того, чтобы произошло химическое, физическое или физико-химическое взаимодействие, необходим контакт взаимодействующих веществ. При этом в соответствии с законом действия масс, скорость процесса прямо пропорциональна концентрации взаимодействующих частиц. Значит,

скорость реакций, протекающих в п3р+оцессе2+очистк2и+ модельных растворов от ионов Ге ,Ге , 2п должна быть пропорциональной массе добавляемой пыли БКСМ.

Рис. 3

Изменение эффективности очистки

модельных растворов, содержащих ионы: а - Ре

б - Ре, в - Zn2 пыли БКСМ

в зависимости от массы добавки

Для того, чтобы определить рациональное количество добавляемой пыли, при котором достигается максимальная эффективность очистки и не наблюдается передозировка пыли проводились исследования зависимости эффективности очистки от массы добавляемой пыли БКСМ и излишняя добавка пыли приводит к образованию избыточного количества осадка водоочистки, влечет за собой излишние транспортные расходы на перевозку пыли БКСМ и осадка.

В данной серии опытов использовали

гЛ3+ п 2+

модельные растворы, содержащие ионы ге ,ге , 2п2+ с концентрацией 10 и 20 мг/л.

К 100 мл модельного раствора добавляли расчетное количество пыли БКСМ. Масса навески

а

б

в

варьировалась от 0,02 до 0,14 г на 100 мл раствора. Длительность перемешивания полученных суспензий во всех опытах данной серии составляла 30 минут, температура реакционной среды не изменялась и составляла 20°С. После окончания перемешивания суспензию фильтровали через бумажный фильтр и в фильтрате определяли остаточную концентрацию ионов Ге3+ , Ге2+ фотоколориметрическим методом.

Установлено, что оптимальной является масса навески пыли БКСМ для очистки от железа (III), равная 0,04 г/100 мл модельного раствора, при этом достигается степень очистки равная 95 %.

Максимальная степень очистки для ионов железа(Ш) составляет 98% для модельного раствора с концентрацией ионов Ге3+ = 10 мг/л и 97% для модельного раствора с концентрацией ионов ге3+ = 20 мг/л и достигается при добавлении 0,1 г/100 мл модельного раствора (рис.3). Для очистки от железа (II) оптимальная масса пыли равна 0,06 г/100 мл модельного раствора, при этом достигается степень очистки, равная 90 %. При добавлении 0,12 г/100 мл модельного раствора достигается максимальная эффективность, при этом степень очистки для ионов железа(П) составляет 95% для модельного раствора с концентрацией ионов Бе2+ = 10 мг/л и 93% для модельного раствора с концентрацией ионов ге2+ = 20 мг/л (рис.3).

Таким образом, была доказана возможность использования пыли БКСМ в качестве альтернативного средства для очистки растворов от ионов Ге3+, Ге2+, 2п2+ .

Литература

1. Государственный доклад. Часть 1: Качество природной среды и состояние природных ресурсов : «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году». 150 с.

2. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З. Экологический мониторинг суперэкотоксикантов /В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов. М.: Химия, 1996. -320 с.

3. Безопасность жизнедеятельности: научно-практ. и уч.-метод. журн./ М.: Новые технологии, 2010, № 8.

4. Смирнов Д.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов/Д.Н. Смирнов, В.Е. Генкин. М.: Металлургия, 1980. - 196 с.

5. Лупандина Н.С. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов отходом производства дисахаридов /Н.С. Лупандина автореферат дисс. ... канд. техн. наук, Пенза, 2012. - 22 с.

6. Fiset J.-F. Revue sur l’enle'vement des me'taux des effluents par adsorption sur ia sciure et les 'ecorces de bois / J.-F. Fiset [and ets.] // Rev. Sci. Eau. - 2000. - vol. 13. - № 3. - Р. 325349.

7. Crist R. H. Heavy metal uptake by lignin: comparison of biotic ligand models with an ionexchange process / R. H. Crist, J. R. Martin, D. R. Crist // Environ. Sci. and Technol. -2002. - vol. 36. - № 7. - P. 1485-1490.

8. Boukhlifi F. Characterization of natural biosorbents used for the depollution of waste water / F. Boukhlifi, A. Bencheikh // Ann. Chim. Sci. Mater. - 2000. - vol. 25. - № 2. - Р. 153160.

9. Шайхиевв И.Г. Использование растительных сельскохозяйственных отходов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. ч. I. / И.Г. Шайхиев // Все материалы. Энциклопедический справочник», 2010. - № 3. - С. 15-25.

10. Шайхиев И. Г. Исследование очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов ОАО «КамАЗ», стоками нефтехимических производств / И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлигулова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 6. - С. 166171

11. Горшков В.С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ/ В.С. Горшков. - М.: Высшая школа, 1981. -330 с.

© Ю. Н. Малахатка - асп. каф. промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова; С. В. Свергузова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; А. В. Шамшуров - канд. техн. наук, доц. каф. строительных материалов и конструкций Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова.