CC BY
124
УДК 628.16 + 620.17.3
С. В. Свергузова, Л. А. Порожнюк, И. Г. Шайхиев,
Д. Ю. Ипанов, В. Д. Мухачева
АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЫЛИ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Ключевые слова: адсорбция, пъть электросталеплавильного производства, сорбционная емкость, эффективность очистки.
Приведены результаты экспериментов по исследованию адсорбционных свойств пъти электросталеплавильного производства. Показано, что частицы тонкодисперсной пыли имеют значительные структурные дефекты поверхности. Установлено, что пыть ЭДСП обладает значительными сорбционными свойствами по отношению к ионам железа, метиленовому голубому, фосфат-ионам. Природа адсорбции близка к химической.
Keywords: adsorption, electric furnace steelmaking dust, sorption capacity, treatment efficiency
The results of experimental studies of adsorption properties of the electric furnace steelmaking dust are shown. It is demonstrated that fine dust particles have significant structural defects on the surface. Found that the dust has great absorption properties in relation to iron ions, methylene blue, phosphate ions. Adsorption nature is similar to the chemical.
В многокомпонентной системе наличие резко выраженного силового поля поверхности раздела фаз может вызывать изменение состава поверхностного слоя: различные вещества в зависимости от их природы могут концентрироваться на поверхности (или, наоборот, уходить в объем фаз) [1]. Данное явление называется адсорбцией и широко используется в различных промышленных процессах, в частности, при очистке сточных вод. Это, прежде всего, применение адсорбции из раствора на высокодисперсных порошках и пористых адсорбентах для очистки различных растворов от вредных примесей либо для улавливания и концентрирования ценных веществ из разбавленных растворов.
Для очистки водных сред от загрязняющих веществ широко используют активные угли [2]. Последние являются общепризнанными эффективными сорбентами, позволяющими извлекать из растворов широкий спектр загрязняющих веществ. Однако они довольно дорогие, кроме того, после использования адсорбенты должны быть либо регенерированы, либо подвергнуты захоронению, что также удорожает процесс очистки. В то же время многие промышленные отходы по своим физико-химическим свойствам могут быть использованы как сорбционные материалы [3-14]. К таким отходам относится пыль электро-дуговых сталеплавильных печей (ЭДСП) Оскольского электорометаллургического комбината. В состав пыли входят оксиды и силикаты различных металлов (табл. 1).
Таблица 1 - Химический состав пыли ЭДСП
Компо- ненты ■"Г о О fa CaO о £ О ос ZnO О MgO MnO о сп о
Содержание, масс % 49,5 13,48 9,7 5,9 5,8 5,6 3,9 2,1 1,3 0,8 0,6
Компо- ненты О & Рч п О е! О и О и О с£ О н О и ю O 'ТЗ и о ё О > S-н m
Содержание, масс % CD го о" со о" CD сз 5 о, сэ (N О, CD 2 О о о, о, сэ о, сэ
Пыль ЭДСП состоит из тонкодисперсных частиц размерами от 0,5 до 2,0 мкм. Удельная поверхность пыли (¡ЗуД измеренная с помощью многоточечного метода БЭТ с помощью прибора марки «ЗойЗогЫ» составляет 64,6±4,5 м2/г. На микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа марки «ТБЗСЛК МШЛ-З» (рис. 1)
Рис. 1 - Пыль ЭДСП
видны скопления тонкодисперсных частиц пыли размером менее 5 мкм с округлыми очертаниями, имеющими неровные края. Наблюдаются вкрапления частиц овальной формы с четко очерченными краями, вероятно, ЗЮ2. Просматриваются редкие продолговатые кристаллы гипса длиной до 7-10 мкм. При данном увеличении видны неровности поверхности частиц пыли, углубления, впадины, шероховатости и другие дефекты поверхности.
Как известно [1], одна из особенностей адсорбции из растворов на поверхности твердых тел заключается в том, что заметную роль в адсорбционных процессах может играть неоднородность строения поверхности и особенно различные дефекты структуры поверхности.
Значение величины удельной поверхности в совокупности с описанной структурой поверхности частиц свидетельствует о вероятных высоких сорбционных свойствах пыли.
Адсорбция из растворов на границе между жидкостью и твердым адсорбентом играет важное практическое значение в самых различных областях промышленности и природных процессах [1], поэтому целью данной работы являлось исследование сорбционных свойств пыли ЭДСП.
Особенностью химического состава последней является то, что она содержит различные по свойтсвам химические компоненты. Это, в первую очередь, активный оксид кальция СаО, кварц Р-8Ю2, силикаты кальция, оксиды железа и других металлов. Поэтому экспериментальные исследования по определению адсорбционных характеристик затруднены, так как в результате гидратации частиц ЭДСП состав дисперсной фазы и дисперсионной среды непрерывно изменяется в результате взаимодействия оксидов щелочных и щелочноземельных металлов с водной средой. При повышении рН среды происходит образование малорастворимых гидроксидов металлов, которые могут сорбироваться на поверхности частиц силикатов, вступать в реакции ионного обмена с образованием различных по составу и зарядно-сти коллоидных частиц, а следовательно, искажать картину сорбционных процессов. В этой связи для исследования сорбционных свойств пыль ЭДСП вначале отмывали 0,1 н раствором серной кислоты от растворимой компоненты.
Как видно из рисунка 2, отмытая часть пыли
Рис. 2 - Рентгенограмма пыли ЭДСП, отмытой
0,1 н И2804:
8102
Ре2
2
ЭДСП представлена соединениями, которые не вызывают изменения рН и химического состава среды.
Для исследования сорбционных характеристик отмытой пыли (ОП) по извлечению ионов Р043-, Ре2+, Ре3+, красителя "метиленовый голубой" (МГ) готовились модельные растворы в диапазоне концентраций от 20 до 90 мг/л. Масса навески ОП составляла 0,5 г на 1 л раствора. Величину сорбции вычисляли по уравнению:
А = (Со - СК)У / т, где Со, Ск - начальная и конечная концентрации анализируемых компонентов, мг/л; V - объем рабочего раствора, мл; т - масса добавленной пыли, г.
По экспериментальным данным построены изотермы адсорбции и десорбции, представленные на рисунке 3.
По полученным кривым адсорбции и десорбции можно сделать вывод, что во всех исследуемых случаях имеют место сорбционные процессы.
Как видно из результатов исследований, сорбционная емкость ОП для ионов Ре3+ составляет 7,8 мг/г, для ионов Ре2+ - 7,4 мг/г. Большую сорбционную емкость для ионов Ре3+ по сравнению с ионами Ре2+, по-видимому, можно объяснить большей величиной
т- 3+
заряда иона Ре .
9 л 8 -
7 -6 5 -43 -2 1 -0 20
А, мг/г
90 С, мг/л
30 40 50 60 70 80
♦ изотерма адсорбции ионов железа (II)
—■—изотерма адсорбции ионов железа (III)
—А—изотерма десорбции ионов железа (II)
—■—изотерма десорбции ионов железа (III)
—Ж—изотерма адсорбции МГ
—^—изотерма песорбиии МГ
Рис. 3 - Изотермы адсорбции и десорбции ионов железа и МГ
изотерма адсорбции фосфат-ионов изотерма десорбции фосфат-ионов
С, мг/л
Рис. 4 - Изотермы адсорбции и десорбции фосфат-ионов
Так, размер иона Ре3+ составляет 0,067 нм, а Ре2+ - 0,08 нм, что свидетельствует о возможности иона Ре3+ более близко подходить к сорбционной поверхности. Однако Ре(ОН)3 - более слабое основание, чем Ре(ОН)2. А катионы более слабых оснований сильнее подвергаются гидролизу, чем катионы более сильных оснований. Таким образом, большая часть катионов Ре3+ будет находиться в воде в гидролизованном виде - как РеОН2+ или [Ре(ОН)2]+. Так как гидролизованные ионы металлов имеют большие размеры по сравнению с негидролизованными, то при увеличении степени гидролиза около сорбционной поверхности будет удерживаться больше ионов Ре2+, чем Ре3+. Сорбционная емкость ОП по МГ составляет 7,73 мг/г, а по ионам РО43- - 35,2 мг/г.
После кислотной обработки пыли ЭДСП на краях диспергированных частиц ОП в результате потери координационной насыщенности минералов могут разрушаться ионные связи и появляться как некоординированные кислородные атомы (участки с отрицательным зарядом), так и некоординированный кремний или ионы металлов (участки с частичным положительным зарядом). Такие поверхностные заряды компенсируются электростатической адсорбцией анионов РО43' из очищаемого раствора по пред-
и
■
ставленной ниже схеме, где М - матрица, имеющая некомпенсированные заряды:
М - + PÜ43" М - Са2+ 3 PO4
1 то N) + PÜ43_ + М- Mg2+ 3 PO4
М - Д!3+ + PÜ43_ М - Д!3+ 3 PO4
Этим объясняется высокая сорбционная емкость ОП по отношению к ионам РО43- по сравнению с другими ионами.
Таким образом, в ходе данных исследований установлены сорбционные свойства пыли ЭДСП. Исходя из характера изотерм адсорбции-десорбции, природа сорбционного взаимодействия исследуемых веществ с ОП не является физической, а близка к химической адсорбции.
Литература
1. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. - М.: Высш. шк., 2004. - 445 с.
2. Смирнов, А.Д. Сорбционная очистка воды / А. Д. Смирнов. - Л.: Химия, 1982. - 168 с.
3. Свергузова С.В. Шлаковые отходы в водоочистке / С.В.
Свергузова, Н.Ю. Кирюшина, Г.И. Тарасова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 4. - С. 140-145.
4. Свергузова, С.В. Очистка железо- и цинксодержащих вод шлаком / С.В. Свергузова, М.Г. Григорян // Экология и промышленность России. - 2010. - № 9 .- С. 45-47.
5. Свергузова, С.В. Альтернативный реагент для очистки растворов от ионов металлов / С.В. Свергузова, Ю.Н. Малахатка, И.Г. Шайхиев, А.В. Шамшуров // Вестник казанского технологического университета. - 2012. - № 12. - С. 137-139.
6. Свергузова, С.В. О возможности использования пыли производства строительных материалов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / С.В. Свергузо-ва, Ю. Н. Малахатка, Г. И. Тарасова // Вестник БГТУ им.
В.Г. Шухова. - 2012. - № 4. - С. 169-172.
7. Свергузова, С.В. О возможности использования отхода сахарной промышленности для очистки сточных вод / С.В. Свергузова, Д.А. Ельников, Ж.А. Свергузова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011.- № 3. - С. 128133.
8. Шайхиев, И.Г. Изучение областей применения осадков, образующихся при коагуляции примесей щелочных и сточных вод производства тиокола. Изучение состава осадков и их свойств / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, Д.Ю, Морозов, М.В. Шулаев //
Химическая промышленность.- 2004.- т. 81. - № 9. - С. 480-484.
9. Шайхиев, И.Г. Использование отходов сельского хозяйства для очистки сточных вод гальванических производств / И.Г. Шайхиев // Вестник машиностроения. -2006. - № 4. - С. 73-77.
10. Шайхиев, И.Г. Рекуперация отходов промышленного производства в реагенты для очистки сточных вод / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова // Рециклинг отходов. - 2006. -№ 5. - С. 21-22.
11. Шайхиев И.Г. Очистка сточных вод производства соевого молока алюмосодержащими коагулянтами из отходов производства / И.Г. Шайхиев, Ф.Ф. Шакиров, С.В. Фридланд //Безопасность в техносфере. - 2006. - № 3. -
С. 102-104.
12. Шайхиев И.Г. Использование отходов растительного происхождения в качестве сорбентов нефти / И.Г. Шайхиев, С.В. Степанова, Р.Х. Низамов, С.В. Фридланд // Безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 4. - С. 2831.
13. Шайхиев, И.Г. Исследование возможности удаления ионов тяжелых металлов из водных сред отходами переработки бобовых культур / И.Г. Шайхиев, Т.А. Прокопенко, С.В. Степанова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 8. - С. 60-64.
14. Шайхиев, И.Г. Влияние обработки ВЧ-плазмой пониженного давленияна эффективность удаления с водной поверхности масла КС-19 отходом валяльно-войлочного производства / И.Г. Шайхиев, З.Т. Фазуллина, И.Ш. Абдуллин, И. Г. Гафаров // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 4. - С. 126-128.
© С. В. Свергузова - д.т.н., проф., зав. каф. промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; Л. А. Порожнюк - к.т.н., доцент той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д.т.н., проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ; Д. Ю. Ипанов - асп. каф. промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова; В. Д. Му-хачева - доц. каф. неорганической химии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова.
