CC BY
59
УДК: 546.62+546.723/54-36:66.065.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОАГУЛЯНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО АЛЮМО- И ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ, В ПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОД НЕКОТОРЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2017 Ю. О. Веляев
канд. тех. наук, доцент кафедры химии e-mail: velyaevyo@yandex. ru
Курский государственный университет, г. Курск, Россия
В статье представлены результаты исследований по очистке промышленных вод некоторых предприятий Курской области от катионов никеля и цинка с помощью коагулянтов, полученных из нефелинового концентрата и хвостов магнитной сепарации ПАО «Михайловский ГОК» в сравнении с аналогичными реагентами, полученными из реактивного сырья. Определены оптимальные условия пробоподготовки и расходы коагулятов, а также рассчитана максимальная степень очистки исследуемых вод, достигаемая в выбранных условиях.
Ключевые слова: очистка воды, коагуляция, нефелин, алюмосиликатный коагулянт, железосодержащий коагулянт.
Проблема очистки воды с каждым годом становится всё более актуальной как для нашей страны, так и для всего человечества. Рост промышленности неизбежно приводит к увеличению объёмов промышленных и сточных вод, несмотря на совершенствование технологий, использующих в своих циклах водные ресурсы.
При очистке больших объёмов промышленных и сточных вод одним из обязательных этапов является реагентная очистка с помощью различных коагулянтов. Их принцип действия основан на седиментационном захвате взвешенных и растворённых примесей хлопьями, образующимися в ходе гидролиза солей, которые входят в состав используемых реагентов. Такими солями являются, как правило, соли алюминия или железа [Гетманцев и соавт. 2008; Драгунский и соавт. 2005]. Чаще всего в качестве коагулянтов применяются растворы сульфатов этих металлов, которые получаются из дорогостоящего реактивного сырья.
Целесообразным является получение подобных реагентов из природного минерального сырья и их дальнейшее использование в процессах водоочистки. Особенный интерес могут представлять хвосты и отвалы горно-металлургических предприятий, которые являются побочным продуктом и, являясь в некоторых случаях техногенными отходами, требуют переработки в целях снижения экологического риска, возникающего вследствие хранения добытых отходов на открытых пространствах и нарушения тем самым экосистем в местах их локализации.
В качестве такого минерального сырья может использоваться нефелин, который в больших количествах добывается и складируется в Мурманской области. Этот минерал уникален своим кристаллохимическим строением, благодаря чему он вскрывается даже разбавленными и некоторыми органическими кислотами в обычных условиях, при этом в раствор переходят соли алюминия и растворённая кремниевая кислота [Захаров и соавт. 1995]. Концентрат, в виде которого он складируется, имеет относительно постоянный химический состав, что способствует созданию технологий по его химической переработке.
Вторым таким сырьём могут служить хвосты магнитной сепарации ПАО «Михайловский ГОК» [Пат. 2147936 РФ], которые также пока ещё не нашли крупного потребителя и в некотором количестве продолжают складироваться.
Вышеперечисленное минеральное сырьё может служить источником ценных компонентов для получения на их основе реагентов для очистки воды, которые, в свою очередь, могут использоваться предприятиями региона вместо традиционных коагулянтов. В ходе проведённых исследований были получены реагенты из описанного выше минерального сырья, а также изучена их эффективность в сравнении с аналогичными реагентами, приготовленными традиционными способами на основе реактивного сырья. В качестве объектов очистки были взяты промышленные воды с предприятий ООО «Комплект» (В1) и ООО НПО «Композит» (В2).
Алюмосиликатный коагулянт (АСК) был получен по известной технологии [Пат. 2421400 РФ]. Полученный раствор, содержащий соли алюминия и растворенную кремнекислоту, был разбавлен в три раза для получения концентрации 10 г/л в пересчёте на Al2O3. Реагент для сравнения (РСА) готовили из реактивного сульфата алюминия (ГОСТ 3758-75, ЧДА) путём его растворения в воде в количестве, необходимом для получения раствора с концентрацией 10 г/л в пересчёте на Al2O3.
Для получения железосодержащего реагента (ЖСК) бралась навеска хвостов магнитной сепарации ПАО «Михайловский ГОК» [Лозинская и соавт. 2013] массой 15 г, помещалась в химический реактор, после чего туда же добавляли H2SO4 в стехиометрическом соотношении 90% по отношению к кислоторастворимой части хвостов и воду, необходимую для разбавления 93% серной кислотой до концентрации 15%. Продолжительность сернокислотной обработки составила 10 минут. По окончании перемешивания пульпу фильтровали на водоструйном насосе через лавсановый фильтр для отделения кислотонерастворимой части. Полученный фильтрат разбавляли в 3 раза для получения реагента с содержанием 10 г/л в пересчёте на Fe2O3. Реагент для сравнения (РХЖ) готовили из реактивного хлорида железа (III) (ГОСТ 4147-74), путём его растворения в воде в количестве, необходимом для получения раствора с концентрацией 10 г/л в пересчёте на Fe2O3.
Перед изучением эффективности действия коагулянтов на образцы вод В1 и В2 проводилась пробоподготовка, которая заключалась в добавлении 2М NaOH к очищаемой воде с целью получения её значения pH=7. Для 50 мл образца В1 количество необходимой щёлочи составило 3,2 мл, а для такого же объёма образца В2 -7,2 мл. Контроль за водородным показателем проводился на иономере И-160МИ.
Исследования по эффективности коагулянтов проводили методом пробного коагулирования, который заключался в обработке очищаемой воды разными расходами реагентов в специально откалиброванных цилиндрах при одинаковом стандартном режиме смешения и хлопьеобразования в условиях, имитирующих коагуляционную очистку на существующих очистных сооружениях. В процессе эксперимента измерялась скорость осаждения образующихся хлопьев, а после окончания осаждения из верхней, очищенной части образца отбиралась проба для анализа на содержание катионов никеля или цинка.
Определение содержания никеля и цинка проводилось спектрофотометрическим и комплексонометрическим методами соответственно по известным аналитическим методикам, описанным в литературе [Основы аналитической химии 2001]. Спектрофотометрические исследования проводились на спектрофотометре Shimadzu UV 1800.
Коагулянты способны захватывать взвешенные и растворённые примеси благодаря хлопьевидным агломератам, которые образуются вследствие гидролиза, в нашем случае солей железа и алюминия. Особенностью АСК является то, что в его
Веляев Ю. О. Исследование эффективности коагулянтов, полученных на основе природного алюмо- и железосодержащего сырья, в процессах очистки промышленных вод некоторых предприятий Курской области
состав помимо солей алюминия входит ещё и активная кремниевая кислота, которая увеличивает молекулярную массу образующихся хлопьевидных продуктов гидролиза солей алюминия вследствие взаимных физико-химических взаимодействий, к которым можно отнести и слабые электростатические взаимодействия, и возможную взаимную конденсацию гидроксида алюминия и мономеров кремнекислоты с образованием крупных агломератов, связанных кислородными мостиками типа Б1-О-А1. Однако, изучая процессы водоочистки, всегда необходимо точно рассчитать оптимальную дозу коагулянта, при которой будет наблюдаться максимальное осаждение соответствующих гидроксидов при максимальном очищающем эффекте. При малых дозах коагулянта, несмотря на полное и быстрое осаждение, может наблюдаться недоочистка, при избыточных дозах реагентов может снижаться степень очистки из-за чрезмерного закисления очищаемого образца. Кроме того, очистка должна быть экспрессной, то есть за минимальное количество времени должно наблюдаться максимальное осаждение.
Данные по седиментационным характеристикам исследуемых коагулянтов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Седиментационные характеристики процесса очистки образцов В1 и В2 __различными реагентами_
Коагулянт Скорость осаждения хлопьев (мм/мин), при расходе коагулянта, мг/л
10 20 30 40 50
Образец В1
АСК 0,165 0,115 0,110 0,105 0,100
РСА 0,125 0,120 0,115 0,110 0,105
ЖСК 0,175 0,185 0,170 0,125 0,115
РХЖ 0,175 0,185 0,160 0,110 0,105
Образец В2
АСК 0,185 0,342 0,265 0,250 0,215
РСА 0,210 0,340 0,305 0,295 0,260
ЖСК 0,185 0,235 0,250 0,390 0,310
РХЖ 0,160 0,250 0,280 0,318 0,260
Как видно из приведённых данных, для образца В1 большую седиментационную активность проявляют железосодержащие коагулянты при их расходе 20 мг/л. АСК, в отличие от обычного сульфата алюминия, также показывает неплохую скорость осаждения, причём уже при расходе 10 мг/л. Для образца В2 высокие скорости очистки достигаются при использовании АСК с расходом 20 мг/л и ЖСК с расходом 40 мг/л.
Особенностью образца В1 являлось то, что в нём было зафиксировано достаточно высокое содержание катионов никеля, которые могли сорбироваться и осаждаться используемыми нами коагулянтами. Данные по степени очистки образца В1 от №2+ представлены в таблице 2.
Таблица 2
Содержание катионов никеля после коагуляционной очистки образца В1 __с использованием разных расходов коагулянтов_
Коагулянт Содержание Ni2+ (мг/л) в образце В1 , при расходе коагулянта, мг/л
10 20 30 40 50
АСК 2,301 2,724 3,295 3,350 3,744
РСА 2,729 3,295 3,472 3,540 3,990
ЖСК 3,603 3,312 3,165 2,103 3,545
РХЖ 3,521 2,592 3,161 3,234 3,995
----
Содержание никеля в исходной пробе составляло 5,718 мг/л
По полученным данным был произведён расчёт, позволяющий оценить степень очистки образца В1, то есть то, сколько №2+ было удалено коагулянтом по отношению к исходному его содержанию. Полученные данные представлены в таблице 3.
Таблица 3
Степень очистки образца В1 после коагуляционной очистки _с использованием разных расходов коагулянтов_
Коагулянт Степень очистки (%) образца В1, при расходе коагулянта, мг/л
10 20 30 40 50
АСК 60 52 42 41 35
РСА 52 42 39 38 30
ЖСК 37 42 45 63 38
РХЖ 38 55 45 43 30
Из данных таблиц 2 и 3 видно, что наибольшая степень очистки достигается при использовании АСК с расходом 10 мг/л и ЖСК с расходом 40 мг/л, однако из данных таблицы 1 следует отметить, что наибольшую эффективность, как совокупность параметров скорости и степени очистки, проявляет АСК с расходом 10 мг/л.
В образце В2 было найдено повышенное содержание цинка, который также мог удаляться используемыми коагулянтами. Данные по степени очистки образца В2 от цинка представлены в таблице 4.
Таблица 4
Содержание цинка после коагуляционной очистки образца В2 _с использованием разных расходов коагулянтов_
Коагулянт Содержание Zn2+ (г/л) в образце В2 , при расходе коагулянта, мг/л
10 20 30 40 50
АСК 0,045 0,031 0,060 0,066 0,075
РСА 0,052 0,041 0,062 0,068 0,076
ЖСК 0,065 0,052 0,041 0,036 0,072
РХЖ 0,061 0,046 0,060 0,064 0,071
----
Содержание цинка в исходной пробе составляло 0,112 г/л
По полученным данным также был произведён аналогичный расчёт степени очистки образца В2 после применения коагулянтов (табл. 5).
Веляев Ю. О. Исследование эффективности коагулянтов, полученных на основе природного алюмо- и железосодержащего сырья, в процессах очистки промышленных вод некоторых предприятий Курской области
Таблица 5
Степень очистки образца В2 после коагуляционной очистки _с использованием разных расходов коагулянтов_
Коагулянт Степень очистки (%) образца В2, при расходе коагулянта, мг/л
10 20 30 40 50
АСК 60 72 46 41 33
РСА 54 63 45 39 32
ЖСК 42 54 63 68 36
РХЖ 46 59 46 43 37
Как видно из данных таблиц 4 и 5, наибольшую эффективность проявляет АСК при расходе 20 мг/л. Этот расход является наиболее оптимальным и с точки зрения скорости осаждения коагуляционных хлопьев. ЖСК также показывает достаточную степень очистки на расходе 40 мг/л, но ввиду его большего расхода и худших седиментационных характеристик при этом расходе его эффективность, как комплексная система оценки седиментационного и сорбирующего факторов, оказывается ниже, чем у АСК.
В ходе проведённых исследований были получены эффективные реагенты для очистки воды из природного минерального сырья, которое является отходами производств различных горно-обогатительных предприятий нашей страны. Было проведено сравнение их эффективности со стандартными реагентами, применяющимися на водоочистных сооружениях при очистке крупных объёмов промышленных и сточных вод на этапе коагуляционной очистки.
Исследования показали, что алюмосиликатный коагулянт, полученный из нефелинового концентрата, проявляет большую эффективность благодаря кремниевой кислоте, которая входит в его состав. Кремнекислота оказывает дополнительное флоккулирующее действие, модифицируя образующиеся в ходе гидролиза солей алюминия хлопья, чем и объясняется высокая скорость осаждения, так как более крупная молекулярная масса образующихся агломератов способствует более быстрому осаждению. Превосходящая рассмотренные аналоги степень очистки воды от катионов металлов также может быть объяснена наличием в составе АСК кремниевой кислоты, которая выступает в качестве дополнительного источника сил электростатического притяжения катионов металлов.
Эффективность коагулянтов была изучена на реальных объектах. Для каждого из образцов вод были выявлены и рекомендованы оптимальные параметры коагуляционной очистки. Для образца В1 наиболее предпочтительным является использование алюмосиликатного коагулянта с расходом 10 мг/л, а для образца В2 рекомендуется использовать АСК с расходом 20 мг/л.
Библиографический список
Гетманцев С.В., Нечаев И.А., Гандурина Л.В. Очистка производственных сточных вод коагулянтами и флокулянтами. М.: Изд-во АСВ. 2008. 272 с.
Драгунский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Наука. 2005. 576 с.
Захаров В.И., Калинников В.Т., Матвеев В.А. Майоров Д.В. Химико-технологические основы и разработка новых направлений комплексной переработки и использования щелочных алюмосиликатов. Ч. 1. Краткая характеристика сырьевой
базы. Обзор способов переработки. Азотнокислые методы. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995. 181 с.
Пат. 2147936РФ, МПК: 7B 03C 1/00 A Способ мокрого магнитного обогащения тонковкрапленных смешанных железных руд / Чумаков В.А., Кузнецов В.Г., Зенин В.А., Челышкина В.В., Перепелицын А.И., Кузнецов В.Д., Малахов С.А., Панченко А.И., Самойлов В.П., Гзогян Т.Н.; Научно-производственное предприятие «Экология-сервис». № 99106207/03; заявл. 06.04.1999; опубл. 27.04.2000, Бюл. №20.
Пат. 2421400 РФ, МПК С01Б 7/26 (2006.01), C01F 7/74 (2006.01), C02F 1/52 (2006.01). Способ получения алюмокремниевого коагулянта-флокулянта / Захаров В.И., Веляев Ю.О., Майоров Д.В., Захаров К.В., Матвеев В.А.; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. № 2009139266/05; заявл. 23.10.2009; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17.
Лозинская Е.Ф., Митракова Т.Н., Жиляева Н.А. Изучение сорбционных свойств природных сорбентов по отношению к ионам меди (II) // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2013. № 3. Ч. 2 (27). URL: www.scientific-notes.ru/pdf/032-025.pdf (дата обращения: 14.10.2017)
Основы аналитической химии. Практическое руководство: учеб. пособие для вузов / В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, В.М. Иванов и др.; под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высш. шк., 2001. 463 с.
