Разработка новых методов очистки воды от растворимых примесей тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Химия»

Научная статья на тему 'Разработка новых методов очистки воды от растворимых примесей тяжелых металлов' по специальности 'Химия' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 31 — Химия
  • ВАК РФ: 02.00.00
  • УДK: 54
  • Указанные автором: УДК: 628.16.08:549.742.121:621.9.048.6

Статистика по статье
  • 934
    читатели
  • 140
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • очистка воды
  • природные минералы
  • доломит
  • ультразвук
  • water purification
  • natural minerals
  • dolomite
  • ultrasound

Аннотация
научной статьи
по химии, автор научной работы — Ильин Александр Петрович, Милушкин Владимир Михайлович, Назаренко Ольга Брониславовна, Смирнова Валентина Владимировна

Исследованы состав и морфология продуктов взаимодействия доломита с водой в псевдокипящем слое под действием ультразвука. Предложена схема физико-химических процессов, протекающих в системе «доломит вода» под действием ультразвука. Показано, что в системе «доломит вода ультразвук» происходит очистка воды от растворимых примесей тяжелых металлов.

Abstract 2010 year, VAK speciality — 02.00.00, author — Ilin Aleksandr Petrovich, Milushkin Vladimir Mihaylovich, Nazarenko Olga Bronislavovna, Smirnova Valentina Vladimirovna, Bulletin of the Tomsk Polytechnic University

The composition and morphology of interaction products of dolomite and water in pseudo-boiling layer under ultrasound influence have been studied. The diagram of physicochemical processes occurring in the system «dolomite water» under ultrasound influence was proposed. It was shown that water is purified from heavy metal soluble admixtures in the system «dolomite water ultrasound»

Научная статья по специальности "Химия" из научного журнала "Известия Томского политехнического университета", Ильин Александр Петрович, Милушкин Владимир Михайлович, Назаренко Ольга Брониславовна, Смирнова Валентина Владимировна

 
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по химии , автор научной работы — Ильин Александр Петрович, Милушкин Владимир Михайлович, Назаренко Ольга Брониславовна, Смирнова Валентина Владимировна

Текст
научной работы
на тему "Разработка новых методов очистки воды от растворимых примесей тяжелых металлов". Научная статья по специальности "Химия"

УДК 628.16.08:549.742.121:621.9.048.6
РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
А.П. Ильин, В.М. Милушкин, О.Б. Назаренко, В.В. Смирнова
Томский политехнический университет E-mail: genchem@mail.ru
Исследованы состав и морфология продуктов взаимодействия доломита с водой в псевдокипящем слое под действием ультразвука. Предложена схема физико-химических процессов, протекающих в системе «доломит - вода» под действием ультразвука. Показано, что в системе «доломит - вода - ультразвук» происходит очистка воды от растворимых примесей тяжелых металлов.
Ключевые слова:
Очистка воды, природные минералы, доломит, ультразвук. Key words:
Water purification, natural minerals, dolomite, ultrasound.
Проблема очистки воды от избыточного количества тяжелых металлов не является новой, но в то же время поиск новых методов, технологий, а также материалов, пригодных для этих целей, является постоянным предметом изучения ученых разных стран [1].
Деятельность человека приводит к постоянному загрязнению поверхностных вод, что делает не возможным их применение в питьевых целях. Применение подземных вод для хозяйственно-питьевых целей также сталкивается с проблемами. Подземные воды характеризуются высоким содержанием растворимых соединений тяжелых металлов в связи с насыщением при соприкосновении воды с породами.
Более того, высокий рост степени индустриализации некоторых стран приводит к недостаточному использованию оборотных вод и попаданию отходов промышленных производств в почву и в природные водоемы. Наибольшее количество загрязнений связано с гальваническими производствами, сточные воды которых содержат высокие концентрации тяжелых металлов, таких как цинк, медь, хром, никель.
Снижение концентраций растворимых примесей тяжелых металлов в воде до значений, безопасных для использования человеком, а также снижение ущерба, наносимого человеком окружающей среде в процессе хозяйственной деятельности, является задачей выполняемого исследования. Для комплексного решения поставленной задачи необходимо было выбрать недорогой, но эффективный материал, пригодный для сорбционных процессов, а также использовать новый технологический метод для интенсификации сорбционных процессов.
Известно, что для водоочистки может быть использован минерал карбонатной породы - доломит, представляющий собой карбонатную породу с химической формулой - СаС03М§С03 [2].
Целью настоящей работы являлось исследование процессов осаждения примесей тяжелых металлов при использовании природного минерала доломита, измельченного при действии ультразвука.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Использование псевдокипящего слоя, сформированного при действии потока воды [2], оказалось недостаточным для интенсификации процессов сорбции. Для наработки измельченного доломита и более эффективного воздействия на процессы сорбции в работе [3] был выбран ультразвук.
В работе использован природный минерал доломит Советского месторождения (Алтайский край, Россия). Насыпная плотность фракции (1...3 мм) составляет 1460 кг/м3, водопоглощение -2,8 %, пористость - 0,2 %, площадь удельной поверхности частиц - 0,17 м2/г. Рентгенограмма доломита, полученная с помощью дифрактометра ДРОН-3,0, соответствует хорошо окристаллизо-ванному двойному карбонату CaMg(CO3)2. В состав поверхности изученного доломита входят примеси железа, кремния, магния, фосфора, а также следы алюминия и марганца [3]. Поверхность обогащена кальцием в связи с вымыванием магния.
Рентгенофазовый анализ (РФА) осадка при обработке модельного раствора марганца(П) позволил определить, что основной фазой осадка является СаСО3 (кальцит).
Режим псевдокипящего слоя создавался путем воздействия на находящиеся в воде частицы доломита массой 20 г ультразвуковых колебаний с частотой 22 кГц и потоком излучения 0,15 Вт/см2.
Образцы осадка отработанного доломита были исследованы с помощью рентгенофотоэлектронной спектроскопии. Элементный состав поверхности определяли с помощью приставки Link, установленной на микроскопе Jeol-840 (точность определения ±0,01 мас. %, глубина зондирования 5 нм). Образцы представляли собой осадки, полученные при обработке модельных растворов в кипящем слое доломита под действием потока воды и под действием ультразвука. Установлено, что поверхность осадка, полученного под действием потока воды, состоит на 100 мас. % из кальция (более легкие элементы не анализировали), а поверхность осадка, полученного под действием ультразвука, наряду с кальцием содержит также железо (0,83 мас. %) и кремний (2,46 мас. %).
На рис. 1 представлены микрофотографии поверхности доломита, обработанного в дистиллированной воде в псевдокипящем слое под действием потока воды (рис. 1, а) и под действием ультразвука (рис. 1, б). На фотографии (рис. 1, а) видно отсутствие сколов, поверхность сглажена под действием потока воды. Это связано с вымыванием магния с поверхности доломита.
На фотографии (рис. 1, б) видны характерные следы микроразрушений доломита, вызванных ультразвуком: сколы и микроотверстия.
Доломит относится к карбонатам, воздействие ультразвука на которые сопровождается процессами растворения и гидролиза, в результате содержание ионов кальция и магния в воде может повышаться, также возможно изменение рН воды. Поэтому была исследована зависимость содержания солей жесткости и рН воды от времени обработки в кипящем слое в водопроводной воде. Общую жесткость модельного раствора определяли по [4]. Измерения рН воды проводили с помощью рН-ме-тра рН-150М. Результаты измерений представлены в табл. 1.
Таблица 1. Зависимость содержания солей жесткости от времени обработки ультразвуком
Время обработки, с Жесткость общая, мг-экв/л Концентрация ионов кальция, мг/л pн
0 5,97±0,91 95,06±4,41 7,40
5 5,86±0,92 92,70±4,36 7,48
10 5,88±0,93 93,10±4,35 7,49
20 5,94±0,91 92,70±4,36 7,52
40 5,91±0,92 92,90±4,34 7,53
80 6,00±0,91 93,10±4,35 7,63
Установлено, что общая жесткость исследуемых растворов при обработке ультразвуком в течение 80 с практически не изменилась, содержание ионов кальция уменьшилось, а содержание ионов магния - возросло.
При длительной обработке ультразвуком до 640 с наблюдался рост рН в диапазоне до 7,81.
В псевдокипящем слое доломита под действием ультразвука могут протекать процессы, для которых без действия ультразвука изобарно-изотерми-ческий потенциал А&°>0, т. е. реакции термодинамически запрещены. Эти процессы рассматриваются как вынужденные и представляют первую стадию взаимодействия ультразвука с системой «доломит-вода». На поверхности измельченного доломита происходят реакции разложения и гидролиза доломита с образованием карбонатов кальция и магния, последний из которых, в свою очередь, растворяется и гидролизуется с образованием ионов магния и карбонат-ионов.
После прекращения действия ультразвука и установления равновесий в воде происходит растворение доломита с образованием ионов магния и карбонат-ионов - вторая стадия процессов взаимодействия доломита с водой, самопроизвольные процессы, А&°<0. В условиях равновесия с водой вероятны процессы растворения доломита с одновременным гидролизом продуктов, образующихся при действии ультразвука. Учитывая, что карбонат магния обладает высокой растворимостью, можно предположить, что именно карбонат магния будет растворяться с образованием ионов магния и карбонат-ионов СО32-.
Карбонат-ионы связываются с ионами кальция, которые содержатся в водопроводной воде, образуя кальцит. Конечными продуктами гидролиза доломита в соответствии с предложенной схемой являются гидроксид магния и карбонат кальция (наличие карбоната кальция установлено с помощью РФА), а гидроксид магния, очевидно, является рентгеноаморфным продуктом.
При гидролизе ионов магния образуются протоны, которые, согласно значениям произведения растворимости (ПР), вероятнее всего провзаимо-действуют с карбонатом магния, таким образом, рН воды не понижается, что установлено экспериментально.
Схема процессов взаимодействия доломита с водой: 1) под действием ультразвука; 2) после действия ультразвука
Схема процессов
1. Под действием ультразвука (А6'°>0)
На поверхности измельченного доломита:
УЗ ПР = 9,910-9 ПР =310-5 CaMg(COз)2(Tв) ^ |СаСОэ(тв) + MgCOз (тв)
Н2О
ДС° = - 50 кДж/моль
М^2+(Р) С0з2-(Р)
2. Равновесие с водой (АР°<0)
Н2О ПР = 9,910-9
CaMg(COз)2(тв) ~ |СаСОз(ТБ) + Mg2+(p) + СОз2-(тв)
диссоц. после
(раств-ние II УЗ доломита) ▼ I
Са2+(р) + Mg2+(p) + 2СОз2-(р) Mg2+ + 2Н2О СОз2-(р) + Са2+(р) ^ |СаСОз(тв)
2Н+ + ^(ОН)2(ТВ) конечные продукт^
ПР = 5,510-12
гидролиза
+ 2+
Первая ступень гидролиза: MgCOз (тв) + 2Н (р) ^ Mg (р) +^2СО^) MgCOз + Н2О ^ (MgOH)+(p) + НСОз- Н2О |СО2
Вторая ступень гидролиза:
ПР = 5,510-12
^ОН)+ + Н2О ^ Mg(OH)2 + н+
Согласно произведению растворимости ги-дроксидов, которые образуют растворимые примеси тяжелых металлов и их карбонаты, видно, что они могут участвовать в связывании гидроксид-ио-нов, карбонат-ионов путем соосаждения, сокри-сталлизации с продуктами диссоциации доломита, кальцита и карбоната магния.
Таким образом, основной фазой мелкодисперсных продуктов измельчения доломита, согласно данным РФА, является кальцит СаС03, другим продуктом разрушения доломита под действием ультразвука, вероятно, является аморфизирован-ный гидроксид магния. После обработки ультразвуком по данным рентгенофотоэлектронной спектроскопии поверхность доломита обогащена атомами кальция, что может быть связано с более высокой устойчивостью кальцита к гидролизу в сравнении с устойчивостью карбоната магния к воде.
После обработки водопроводной воды в кипящем слое доломита при воздействии ультразвука на
поверхности минерала электронно-микроскопическими исследованиями были обнаружены участки с осадками, предположительно, примесей желе-за(Ш) и кремниевых кислот (8Ю2пН20), при этом распределение примесей по поверхности доломита не равномерное, видны различные участки (рис. 2).
На поверхности частиц доломита видна кристаллическая, ступенчатая структура доломита, а другой участок уже покрыт осадком примесей, и структура доломита не просматривается (рис. 2, а). На поверхности ступенчатой структуры виден относительно тонкий слой отложений, который придает поверхности негладкость. Участок поверхности доломита с примесями покрыт рыхлым осадком, на отдельных участках полностью закрывающий поверхность и кристаллиты доломита (рис. 2, б).
В результате исследования были установлены зависимости концентраций исследуемых примесей от времени обработки воды ультразвуком в псевдо-кипящем слое доломита [5]. Эти зависимости но-
Рис. 2. Микрофотографии поверхности измельченного доломита после обработки водопроводной воды с примесью желе-за(И) и (III) под действием ультразвука в течение 5 с. Участок поверхности: а) с кристаллической структурой доломита; б) покрытый рыхлым осадком
сят одинаковый характер, а именно, в течение короткого времени (5...10 с) концентрация примесей резко уменьшается, а затем процесс их удаления замедляется (табл. 2). В результате воздействия ультразвука при постоянной массе доломита (20 г) достигнут следующий эффект по снижению содержания примесей: свинца более чем в 2,4 раза; ртути в 2,7 раза; цинка в 1,7 раза; меди в 4,9 раза; кадмия свыше 2,5 раза; железа общего свыше 10 раз.
Таблица 2. Зависимость концентрации растворимых примесей железа(И) и (III), меди(11), ртути(11) в модельных растворах от времени обработки ультразвуком в присутствии доломита
Примесь в воде, мг/л Железо(П) и (III) Медь(П) Ртуть(П)
Исходная концентрация, мг/л 2,30 4,70 0,00100
Время обработки ультразвуком, с 5 0,23 1,95 0,00055
10 0,22 0,95 0,00039
20 0,23 1,10 0,00037
40 0,19 1,85 0,00037
Результаты исследования позволяют использовать данный способ для интенсификации процессов сорбции в псевдокипящем слое твердых неорганических веществ (на примере доломита) под действием ультразвука. В то же время использование доломита в качестве сорбента связано с необходимостью тестирования исходного сырья; в процессе обработки воды не происходит снижения содержания солей жесткости (табл. 1). Для снижения их содержания необходим поиск новых сорбентов, которые, как ионообменники, уменьшали бы концентрацию ионов Ca2+ и Mg2+.
Выводы
1. Экспериментально исследован способ интенсификации процессов сорбции в псевдокипя-
щем слое твердых неорганических веществ (на примере доломита) при действии ультразвука частотой 22 кГц, потоком излучения 0,15 Вт/см2. Установлено, что отделение растворимых примесей тяжелых металлов при обработке воды в псевдокипящем слое происходит за короткое время 5...10 с.
2. При действии ультразвуковых волн наблюдаются процессы скола кристаллитов с поверхности доломита, соударение частиц доломита, кавитация и наработка дисперсного сорбента. Диспергированный доломит имеет высокую сорбцион-ную активность за счет свежеобразованной поверхности. Поверхность доломита непрерывно обновляется, поэтому примеси осаждаются на продукте диспергирования.
3. Изучены состав и морфология продуктов взаимодействия дисперсного доломита с водой и примесями в различных условиях. В процессе растворения доломита и его гидролиза образуются кальцит и гидроксид магния. Установлено, что поверхность доломита подвержена вымыванию ионов магния, таким образом, поверхность обогащается кальцием. При этом адсорбированные на осадке примеси тяжелых металлов и поверхность блокируются примесями кремниевых кислот.
4. Предложена схема физико-химических процессов, протекающих под действием ультразвука (вынужденные процессы, А&°>0) и процессов в условиях установления равновесия (самопроизвольные процессы, А&°<0). В основу положены процессы гидролиза, растворения, осаждения с учетом произведений растворимости веществ: концентрация солей жесткости незначительно увеличивалась, рост рН не наблюдался, содержание кремниевых кислот в воде снижалось.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богомолов М.В., Коверга А.В., Волков С.В. и др. Международный конгресс озоновых и ультрафиолетовых технологий в Лос-Анжелесе // Водоснабжение и санитарная техника. - 2008. -№ 4. - С. 47-53.
2. Годымчук А.Ю. Технология изготовления силикатно-карбона-тных сорбентов для очистки воды от катионов тяжелых металлов: дис. ... к.т.н. - Томск, 2003. - 141 с.
3. Милушкин В.М. Физико-химические процессы в кипящем слое доломита под действием ультразвука и разработка уста-
новки для доочистки питьевой воды: автореф. дис. ... к.т.н. -Томск, 2009. - 22 с.
4. ГОСТ Р 52407-2005. «Вода питьевая. Методы определения жесткости».
5. Милушкин В.М., Ильин А.П. Интенсификация процессов извлечения примесей тяжелых металлов из воды при действии ультразвука в кипящем слое доломита // Известия вузов. Сер. Химия и химическая технология. - 2009. - Т. 52. - № 8. - С. 103-105.
Поступила 06.09.2010г.
УДК 628.1:658.265
МАЛОГАБАРИТНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
М.В. Куликова, В.И. Косинцев, А.И. Сечин, С.В. Бордунов, И.А. Прокудин, О.А. Кудрин*
Томский политехнический университет E-mail: auct-68@Yandex.ru *ЗАО «НПФ «НОРД», г. Кемерово
Выполнен цикл экспериментов по обезжелезиванию воды на волокнистых сорбентах из полипропилена и изучению антимикробных свойств посеребренных цеолитов. Спроектированы, испытаны и сертифицированы установки хозяйственно-питьевого водоснабжения с производительностью 200...1000 л/ч, которые позволяют довести качество воды до показателей СанПиН 2.1.4.1074-01.
Ключевые слова:
Фильтрация, волокнистые сорбенты, цеолит, очистка воды. Key words:
Filtration, fibrous sorbents, zeolite, water treatment
Вода является определяющим фактором состояния природной среды, определяет как состояние здоровья человека, так и надежность работы малотоннажных водонагревательных установок.
Главный загрязнитель воды, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения по всей территории Западной Сибири - железо, а концентрация его соединений в воде превышает ПДК в 3...20 раз.
В подземных водах при отсутствии растворенного кислорода железо обычно находится в виде двухвалентных ионов. Для удаления из воды железа применяют безреагентные и реагентные методы. Известно [1], что при фильтровании воды после аэрирования через зернистые загрузки на поверхности зерен образуется каталитическая пленка, состоящая в основном из гидроксида железа(Ш), которая активно влияет на процесс окисления и выделения ионов железа из воды и в значительной степени его интенсифицирует. Удаление ионов железа из воды в загрузке представляет собой гетерогенный автокаталитический процесс, в результате которого пленка, выполняющая функцию катализатора, непрерывно обновляется при работе фильтра. Пленка образуется и действует только при наличии в воде кислорода. Для обеспечения окисления железа(11) необходимо, чтобы содержание кислорода в воде в 4...6 раз превышало его теоретиче-
ский расход. В начале работы фильтра одновременно с образованием пленки происходит зарядка загрузки. Продолжительность зарядки зависит от качества воды и скорости фильтрации, определяется экспериментально и составляет от 30...40 ч до нескольких суток. Только после зарядки загрузки достигается полный и стабильный эффект обезжеле-зивания.
Целью данной работы стояло создание типовой серии малогабаритных автоматизированных установок обезжелезивания и обеззараживания воды, позволяющие довести качество воды, поступающей потребителям до требуемых нормативных показателей.
Для обеспечения требований СанПиН 2.1.4.1074-01 к потребляемой воде, нами в качестве фильтрующих загрузок на первой стадии водопод-готовки предлагается использовать волокнистые сорбенты из полипропилена по ТУ 9081-00146632946-00 (Санитарно-эпидемиологическое заключение 70ТС03.515.П.000316.03.05) [2], которые являются хорошими сорбентами для углеводородов, взвешенных веществ, применяются для обез-железивания, имеют плотность в 3 раза меньшую, чем песчано-гравийные загрузки и высокую химическую стойкость. На второй стадии водоподготов-ки для доочистки и обеззараживания предлагается использовать модифицированные серебром цеоли-

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх