CC BY
128
УДК 628.345; 54-412
Е. Н. Кузин, Н. Е. Кручинина ОТВЕРЖДЕННЫЙ АЛЮМОКРЕМНИЕВЫЙ ФЛОКУЛЯНТ-КОАГУЛЯНТ - НОВЫЙ РЕАГЕНТ
ДЛЯ ВОДООЧИСТКИ
Ключевые слова: алюмокремниевый флокулянт-коагулянт, водоочистка, сушка, нефелиновый концентрат.
Методом распылительной сушки получен образец отвержденной формы алюмокремниевогофлокулянта-коагулянта (АКФКТВ). В ходе исследований изучен количественный и качественный состав, определены основные активные компоненты коагулянта. Обнаружены сорбционные свойства коллоидного кремнезема, входящего в состав АКФКТВ. Исследована возможность очистки сточных вод ливневого стока машиностроительного предприятия с использованием полученного реагента. Проведена сравнительная оценка коагуляционной эффективности традиционных реагентов и АКФКТВ для нужд питьевого водозабора.
Keywords: aluminium-silicate flocculate-coagulant, wastewater treatment, drying, nepheline concentrate.
The solid forms of an aluminium-silicate flocculate-coagulant were processed by the spray drying (ASFCsld). In the course of research quantitative, elemental and phase composition of product were determine. In the process of studying it was found that colloidal silica had sorption property. The using of the new reagent for treatment storm sewage of household origin was found. The comparison of traditional reagent and ASFCSLD effectiveness in water treatment process was made.
Введение
Нефелин - комплексный алюмосиликат натрия и калия ((ЫаД^А^Ю^ - является исходным сырьем для таких продуктов, как поташ, цемент, глинозем, алюмокалиевые и алюмонатриевые квасцы [1] и раствора алюмокремниевого флокулянта-коагулянта (далее АКФК) [2]. В процессе обогащения апатит-нефелиновых руд флотацией образуется большое количество отходов (хвостов), отправляемых на хранение в хвостохранилище (акватория оз. Имандра) (рис. 1).
Рис. 1 - Транспортировка отходов апатит-нефелиновой флотации в хвостохранилище
На сегодняшний день количество депонированных на хранение отходов составляет более 550 млн. тонн [3]. Под действием гидрохимических процессов и атмосферных осадков экосистема оз. Имандра подвергается негативному антропогенному воздействию.
Научными коллективами института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева (ИХТРЭМС) и Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ) проведена большая работа по
изучению процесса переработки данного вторичного сырья кислотными способами.
Доказано [2], что раствор АКФК -универсальный реагент для очистки природных и сточных вод от взвешенных веществ, нефтепродуктов, тяжелых металлов и некоторых радионуклидов, снижения цветности,
обезжелезивания. Раствор АКФК получают обработкой хвостов или получаемого из них нефелинового концентрата разбавленной серной кислотой (5-12%).
Активность раствора АКФК обусловлена присутствием в нем соединений алюминия, ответственных за коагуляционные свойства АКФК, а также активной кремниевой кислоты, обеспечивающей флокуляционное действие реагента.
К недостаткам раствора АКФК, существенно снижающим его практическую значимость, можно отнести гелирование реагента в результате поликонденсации кремниевой кислоты [4] и необходимость транспортировки жидкого реагента с относительно низким содержанием активных компонентов. Существенным фактором, ограничивающим сферу практического применения растворов АКФК, является также его кислотность (рН<1), и, как следствие, высокая коррозионная активность.
Экспериментальная часть
В РХТУ им. Д. И. Менделеева проведены эксперименты по получению твердых форм АКФК. В лабораториях кафедры промышленной экологии и Международного центра трансфера
фармацевтических и биотехнологий методом распылительной сушки растворов АКФК были получены образцы сухого продукта (АКФКТВ). В процессе сушки, согласно плану полного факторного эксперимента, варьировались
температура, расход сушильного агента, а также расход раствора [5].
Основной целью работы было определение количественного содержания активных
компонентов в сухом реагенте, исследование фазового состава и свойств АКФКТВ.
На базе Центра коллективного пользования РХТУ им. Д. И. Менделеева на энергодисперсионном спектрометре Х-МАХ фирмы «ОхйгШшЛгитеШв» проведены исследования элементного и количественного состава реагента. Исследованы образцы реагентов, полученных при различных температурах, данные об элементном составе которых представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Элементный состав твердого АКФК
Содержание основного
Компонент вещества, %
Температура сушки, °С
130 150 170
Ü 68,79 69,02 69,10
Na, К 5,27 5,03 5,12
Al 5,05 5,12 5,06
Si 6,96 6,94 6,91
S 13,78 13,74 13,68
Fe 0,15 0,15 0,13
Итого % 100 100 100
Как видно из данных анализа, содержание А1и Б1 в образцах сопоставимо и практически не зависит от температуры сушки.
Методом ренгенофазного анализа на дифрактометре ДРОН-3 была получена спектрограмма образцов и по характеристическим пикам определены основные формы веществ в составе АКФКТВ (рис. 2). В составе сухого продукта обнаружены алюмонатриевые (Б 4,2055; 3,6229), алюмокалиевые квасцы (Б 4,2721; 3,2369), диоксид кремния в виде а-кварца (Б 3,9426; 2,7808), а также незначительное количество сульфата железа (Б 3,1523; 2,2555).
К 30 35 40 45 5С И Угол, ípuyí
Рис. 2 - Спектрограмма АКФКТВ
Из полученных данных можно сделать вывод, что практически все активные компоненты в составе находятся в водорастворимой форме, а, следовательно, реагент сохранил свои
коагуляционные свойства (благодаря соединениям алюминия), но, ввиду полного разложения активной кремниевой кислоты до коллоидного SiO2 в процессе сушки, утратил флокулирующее действие.
Вместе с тем реагент стал стабилен, а рН растворов АКФКТВ находилась в диапазоне 4,9 - 5,4. Несмотря на низкое содержание Fe, сочетанное действие солей железа и алюминияможет оказать положительный эффект на общий процесс коагуляционной очистки воды с помощью отвержденной формы АКФКТВ [6].
Известно [7], что коллоидный кремнезем может оказывать различное воздействие на процесс коагуляции. Принимая во внимание этот факт, были предприняты дополнительные исследования свойств кремнезема в составе твердого АКФКТВ с целью определения возможных эффектов, возникающих на поверхности SiO2 в процессе коагуляционной очистки сточных вод:
- наличие/отсутствие пор на поверхности кремнезема и, как следствие, возможность адсорбции загрязняющих веществ на его поверхности.
- размер коллоидных частиц SiO2;
- электрокинетическийдзета-потенциал частиц SiO2.
Текстурные характеристики образцов определялись на основании изотерм адсорбции и десорбции азота при температуре 77°К методами ВЕТ и ВШна автоматической объемнометрической установке Nova 1200e (Quantachrome, США).
На образцах диоксида кремния, выделенных из АКФКТВ, были получены кривые сорбции и десорбции азота из пор. Средний диаметр пор исследуемого образца составил 24 нм, а удельная площадь поверхности - 79 м2/г. Полученные результаты дают основания полагать, что на поверхности SiÜ2 возможны процессы сорбции загрязняющих веществ в процессе водоочистки.
На лазерном анализаторе размеров частиц марки «Analysette 22 NanoTec» фирмы Fritsch проводились измерения размеров нерастворимых частиц SiO2, входящих в состав АКФКТВ (рис. 3).
Размер частиц, им
Рис. 3 - Распределение частиц коллоидного кремнезема по размерам
Из рисунка 3 видно, что распределение частиц кремнезема по размерам имеет две ярко выраженные области (от 1 до 80 мкм и от 280 до 380 мкм). Такие частицы могут выступать в качестве первичных агрегатов коагуляции.
Определение дзета-потенциала проводилось на приборе марки «Malvern Zetasizer Nano» методом электрофоретическим методом. Дзета-потенциал частиц, присутствующих в растворе АКФКТВ, составил -2,5 мВ. В то же время потенциал чистого диоксида кремния в воде по данным [8] близок к -33 мВ. Изменение дзета-потенциала, вероятно, объясняется нейтрализацией отрицательного заряда на частицах кремнезема положительно заряженными гидроксокомплексами алюминия. Таким образом SiO2 в составе твердогоАКФКТВ выступает в роли зародышеобразователя и, тем самым, способен оказывать положительный эффект на процесс коагуляции [6].
Основной целью получения нового коагулянта является его использование в процессах водоочистки. Эксперименты, направленные на определение эффективности АКФКТВ в качестве коагулянта, проведены на воде Химкинского водохранилища и на ливневом стоке машиностроительного предприятия. В качестве основных загрязняющих веществ были выбраны взвешенные вещества, ионы железа, нефтепродукты для промышленного стока и показатели мутности и цветности для поверхностного водозабора. Выбор объектов исследования обусловлен в первую очередь характером используемых водоемов: Химкинское водохранилище - часть системы питьевого водоснабжения города Москвы, а сброс ливневого стока (используемого для охлаждения оборудования) машиностроительного предприятия производится в один из притоков реки Клязьма (объект хозяйственно-бытового назначения Московской области).
Дозы коагулянта подбирались
экспериментально и зависели от исходного содержания загрязняющих веществ в воде. Для сравнения эффективности были взяты образцы наиболее распространенных на сегодняшний день коагулянтов (сульфат алюминия, алюмокалиевые-натриевые квасцы), а также исходный раствор АКФК. В таблице 2 приведены остаточные концентрации загрязняющих веществ после реагентной обработки воды Химкинского водохранилища (температура воды 18 °С, мутность 9,04 мг/л, цветность 46 град, рН 6,38).
Таблица 2 - Показатели качества воды Химкинского водохранилища после реагентной обработки
Тип коагулянта Мутность мг/л Цветность, град рН
Доза коагулянта по Al2O3
15 20 15 20
Al2(SÜ4)3-18H2O 0,35 0,27 19 14 6,01
АКФКтв 0,50 0,34 18 14 6,12
Раствор АКФК 0,16 0,14 16 11 6,01
Смесь квасцов 0,40 0,35 18 18 6,09
Как видно из данных таблицы 2, наиболее эффективным оказался раствор АКФК за счет сочетанного действия соединений алюминия и активной кремниевой кислоты. АКФКТВ, в свою очередь, по показателям эффективности был близок к наиболее распространенному в настоящее время сульфату алюминия. Все показатели очищенной воды (в том числе остаточное содержание А1) удовлетворяли нормам СанПин 2.1.4.1074-01 -Питьевая вода.
В таблице 3 приведены остаточные концентрации загрязняющих веществ в ливневом стоке машиностроительного предприятия после коагуляционной очистки (исходные концентрации, мг/л: железа - 1,12, нефтепродуктов (НП) - 0,45, взвешенных веществ - 317, рН = 6,98).
Таблица 3 -Остаточные концентрации загрязняющих веществ в ливневом стоке
Коагулянт НП Железо Взвешенные вещества
Доза коагулянта по Al2O3, мг/л
25 30 25 30 25 30
Al2(SO4)3-18H2O 0,42 0,40 0,45 0,33 68 26
АКФКТВ 0,37 0,35 0,48 0,33 71 28
АКФКЖ 0,37 0,34 0,44 0,30 59 22
Смесь квасцов 0,44 0,44 0,51 0,36 76 31
Как следует из данных таблицы 3, эффективность раствора АКФК и АКФКТВ сопоставима. В случае АКФКТВ повышенная эффективность реагента в отношении нефтепродуктов обеспечена за счет адсорбции загрязняющих веществ на поверхности кремнезема.
Смесь квасцов и сульфат алюминия показали пониженную эффективность очистки, тем самым подтвердив гипотезу о влияния кремнезема на процесс очистки сточных вод. Осадок после очистки АКФКТВ имел более плотную структуру и легче отделялся от воды. Во всех экспериментах рН очищаемой воды находился в диапазоне от 6,6 до 6,8.
Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод, что отвержденный коагулянт АКФКТВ может стать недорогим и достаточно эффективным аналогам традиционным коагулянтам на основе соединений алюминия, используемыми в процессах водоочистки и водоподготовки. Согласно проведенным экономическим расчетам, реагентные затраты на производство АКФКТВ в пересчете на 1 тонну активного компонента (по А12О3) составили около 20 тыс. руб (сульфат алюминия - 90 тыс. руб). Предотвращенный ущерб от сброса ливневого стока в р. Марьинка (приток Клязьмы) в результате его коагуляционной очистки с использованием АКФКТВ составит примерно 0,6 млн. руб/год.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, ГК 16.552.11.7046.
Литература
1. В.А. Матвеев, В.И. Петрова, В.И. Захаров, Д.В. Майоров, Н.Я. Васильева, А.И. Алексеев, в сб. "Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения" Т.1. Архангельск, 2002. - с. 217-221.
2. Н.Е. Кручинина. Экология производства, 34, 2. 46-50 (2006).
3. П. А. Жигулевич. Автореф. дис. канд. экон. наук, Санкт-Петербург, 2012. 19 с.
4. Н.А. Шабанова, В.В. Попов, П.Д. Саркисов, Химия и технология нанодисперсных оксидов. Учебное пособие. ИКЦ «Академкнига», Москва. 2007. 309 с.
5. М.Г. Гордиенко, Н.Е. Кручинина, Е.Н. Кузин, А.А. ВойновскийБезопасность в техносфере,37, 4, 21-24 (2012).
6. Б. Н. Фрог, А. П. Левченко. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. Издательство МГУ, Москва, 1996. 680 с.
7. Р. К. АйлерХимия кремнезема: в 2х т., Мир, Москва, 1982. 1127 с.
8. В. В. Потапов, Д. С. Горев, Вестник КРАУНЦ, 4, 1, 51-60 (2012).
© Е. Н. Кузин - асп. каф. промышленной экологии Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, e.n.kuzin@mail.ru; Н. Е. Кручинина, - д.т.н., декан факультета биотехнологии и промышленной экологии, зав. кафедрой промышленной экологии того же вуза, krutch@muctr.ru.
© E. N. Kuzin - postgraduate of Department of Environmental Engineering, Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, e.n.kuzin@mail.ru; E. N. Krutchinina - Head of Faculty of Environmental Engineering, Doctor of Science in Engineering, Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, krutch@muctr.ru.
