Алюмокремниевые флокулянты-коагулянты в процессах водоочистки Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

2011

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Химия

Вып. 1(1)

УДК 628.543.31

АЛЮМОКРЕМНИЕВЫЕ ФЛОКУЛЯНТЫ-КОАГУЛЯНТЫ В ПРОЦЕССАХ ВОДООЧИСТКИ

М.А.Волкова8, А.Н.Недуговь, С.В.Андрненко®, А.В.Кайсинь, А.ЮЛялинаа

аПермский государственный университет. 614600, г. Пермь, ул.Букирева, 15 ьЕстественнонаучный институт ПГУ. 614990, г. Пермь, ул. Генкеля, 4 E-mail: margo@psu.ru

Рассмотрены вопросы переработки алюмокремниевого сырья с целью получения модифицированного флокулянта-коагулянта и использования его в процессах водоочистки.

Ключевые слова: флокулянт; коагулянт; тяжелые металлы; экология

Введение

Получение чистой воды является важной экологической проблемой. В технологии водоочистки и водоподготовки широко применяются реагент-ные методы. Это объясняется тем, что большинство природных и сточных вод, кроме крупнодисперсных примесей, выделяемых в сооружениях механической очистки, содержат тонкодисперсные соединения, извлечение которых эффективно только после их укрупнения с помощью коагулянтов и флокулянтов, обеспечивающих удаление органических и неорганических загрязнений воды, осаждение коллоидных и трудноокисляемых частиц [1]. Коагулянты и флокулянты с давних пор применялись при подготовке воды для хозяйственно-питьевых нужд, что объясняется их высокой эффективностью и простотой использования.

В последние годы появилось большое число работ, посвященных изучению влияния различных коагулянтов, флокулянтов и технологических параметров их применения на эффективность очистки природных вод от дисперсных и растворенных загрязнений.

Найденные закономерности применения коагулянтов и флокулянтов в водоподготовке не всегда можно перенести на очистку сточных вод из-за кардинальных различий природных и сточных вод по содержанию и химическому составу загрязнений. В то же время исследованиям по очистке сточных вод с применением коагулянтов и флокулянтов не уделяется должного внимания. Коагуляция обычно рассматривается как вспомогательный процесс для интенсификации работы сооружений механической очистки: отстойников, флотаторов, фильтров. Многие исследователи ограничиваются констатацией факта увеличения эффективности очистки воды, в которой используют реагенты и не рассматривают проблемы, связанные с их выбором, условиями проведения процесса, хотя на

примере очистки природных вод показано, что за счет оптимизации можно увеличивать эффективность очистки воды на 30—50 % [2].

Алюмокремниевые флокулянты-коагулянты (АКФК)

Большой практический интерес представляет применение реагентов нового поколения — алюмо-силикатных флокулянтов-коагулянтов (АБРК), в которых используется как алюминиевая, так и силикатная составляющая сырья. Реагенты А5РК являются одной из немногих бинарных композиций, в состав которых входят только неорганические компоненты: коагулянт - сульфат алюминия и анионный флокулянт - активная кремниевая кислота. Перспективность А8РК сравнительно с другими композитами определяется его универсальностью и высокой эффективностью при решении различных задач: осветление и очистка вод от взвешенных частиц, от растворимых и малорастворимых органических веществ, от ионов металлов и т.д. [1].

К недостаткам сернокислотных растворов АБРК, полученных из нефелиновых хвостов, относятся определенные трудности, возникающие при транспортировке, и ограниченность срока его использования (в течение нескольких суток раствор флокулянта-коагулянта превращается в гель и теряет свои свойства) [3,4].

Получение модифицированного АКФК

Поэтому актуальным является поиск новых реагентов подобного типа и определение условий их использования. Нами исследованы различные способы получения алюмокремниевого флокулянта-коагулянта на основе природного минерала -

© Волкова М.А., Недугов А.Н., Андриенко С.В., Кайсин А.В., Лялина А.Ю., 2011 109

нефелина. В работах Е.Н.Кручининой с соавторами [5] разработан способ обработки нефелина серной кислотой, в результате чего образуется сернокислотный раствор алюмокремниевого флокулян-та-коагулянта (ФК), имеющий вышеуказанные недостатки.

Нами разработан новый способ получения флокулянта-коагулянта из нефелина [6]. Обработку нефелинового концентрата ведут концентрированной серной кислотой при соотношении компонентов, обеспечивающих получение 20 — 30 %-ного водного раствора флокулянта-коагулянта. Обезвоживание концентрированного водного раствора флокулянта-коагулянта до получения сухого продукта ведут упариванием под вакуумом при температуре ниже точки кипения воды. Алюмок-ремниевый флокулянт-коагулянт, выделенный по разработанной нами методике (далее АКФК), представляет собой белое вещество в гранулах, растворимое в воде, что позволяет применять АКФК как в порошкообразном состоянии, так и в виде раствора с определенной концентрацией.

Исследование эффективности модифицированного АКФК

Для сравнения эффективности ФК и АКФК проверяли их действие как флокулянтов-коагулянтов по следующим показателям: мутность, цветность и массовые концентрации железа (III) в воде. Испытания проводили с добавлением ФК в виде раствора, а АКФК — в виде раствора или в порошкообразном состоянии, что расширило возможности его применения. К образцам воды добавляли ФК и АКФК различной концентрации, барботировали воздухом пробы в течение определенного времени и контролировали показатели качества по типовым методикам. Определение показателя мутности проводили фотометрически — путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями каолина. Результаты измерений представлены на рис.1. Из рисунка видно, что оптимальная доза ФК для достижения мутности, равной 1,5 мг/л лежит в интервале от 23 до 30 мг А1203/л, а для АКФК — от 25 до 35 мг А1203/л. Приведенные данные показывают, что применение АКФК позволяет достичь такой же степени очистки, как при применении ФК. Из проведенных нами исследований по эффективности обесцвечивания и обезжелезивания воды определено, что при концентрации ФК и АКФК равной 30 — 40 мг А1203/л цветность воды достигает ПДК, а степень осаждения железа составляет 80 — 90 % при дозе АКФК равной 35 — 45 мг А1203/л, а ФК при такой же дозе очищает только на 50 — 70 %. Таким образом, полученный по новой технологии, АКФК обладает высокой коагулирующей и фло-кулирующей активностью.

На эффективность очистки сточных вод с применением коагулянтов и флокулянтов оказывает влияние не только вид реагента, но и его доза, условия подачи, гидродинамические условия формирования образующихся хлопьев, метод осветления сточной воды. Однако доза реагента является одним из приоритетных параметров, от которого зависит эффективность его применения.

На модельных растворах, содержащих железо (III), нами была изучена степень осаждения (извлечения) Е,% ионов Ре3+ в зависимости от дозы АКФК и времени отстаивания образующихся хлопьев. Осаждение железа проводили в мерных цилиндрах объемом 500 мл, которые заполняли исследуемым раствором, при перемешивании вносили различные количества АКФК и дополнительно вводили газообразную активирующую добавку, затем фиксировали степень осаждения железа во времени. Определение проводили фотометрически с сульфосалициловой кислотой. Концентрация Ре3+ в исходной пробе воды составляла 4,6 мг/л. Содержание железа в осажденной форме вычисляли по разнице в исходной воде и после ее отстаивания. Измерения проводили с интервалом 10 мин. Водный слой не фильтровали. Результаты представлены в таблице 1.

Степень очистки воды увеличивается с ростом дозы реагента сначала быстро, а потом медленно и, начиная с некоторой величины, эффект очистки не меняется. Оптимальной считается доза, при которой достигается максимально возможный эффект очистки воды по данному показателю. Как видно из результатов табл.1 для очистки воды от ионов железа (III) на 70 — 90% достаточно 0,4 —

0,8 г/'л АКФК, время отстаивания с увеличением концентрации реагента сокращается до 20 мин.

—а—ФК

Доза коагулянта, мг А1203/л

Рис. 1. Зависимость мутности очищаемой воды от дозы коагулянта

_ Таблица 1

Степень осаждения железа (Е, % ) в зависимости от дозы АКФК и времени отстаивания

проб воды

Доза АКФК в пересчете н мг А1203/л з Концентрация АКФК, г/л мин Б Содержание железа в воде, мг/; Е, %

10 0,08 3,03 34,17

20 0,071 2,65 42,29

5,6 0,1 30 0,071 2,65 44,73

40 0,062 2,32 49,61

50 0,060 2,24 51,24

10 0,071 2,65 42,29

20 0,067 2,5 45,55

11,2 0,2 30 0,053 1,98 56,92

40 0,043 1,6 65,05

50 0,039 1,45 68,30

10 0,051 1,9 58,55

20 0,036 1,34 70,74

22,4 0,4 30 0,026 0,97 78,87

40 0,019 0,71 84,55

50 0,016 0,59 86,99

10 0,022 0,82 82,12

20 0,011 0,41 90,89

44,8 0,8 30 0,010 0,37 91,87

40 0,011 0,41 91,06

50 0,007 0,26 91,87

10 0,020 0,74 83,74

20 0,010 0,37 91,87

67,2 1,2 30 0,008 0,29 93,49

40 0,008 0,29 93,49

50 0,009 0,33 92,68

Одним из основных нормируемых показателей качества очищаемой воды является цветность. Цветность воды обычно обусловлена присутствием окрашенных органических веществ (главным образом гуминовых кислот, связанных с гумусом почвы). На цветность воды сильно влияет присутствие железа и других металлов в виде естественных примесей или в качестве продуктов коррозии [7]. Сточные воды некоторых предприятий также могут придавать довольно интенсивную окраску воде. Различают «истинный цвет», обусловленный только растворенными веществами, и «кажущий-

ся» цвет, вызванный присутствием в воде коллоидных и взвешенных частиц, соотношения между которыми в значительной мере определяются величиной pH. Высокая цветность воды ухудшает ее органолептические свойства и оказывает отрицательное влияние на развитие водных растений и животных организмов в результате резкого снижения концентрации растворенного кислорода в воде, который расходуется на окисление соединений железа и гумусовых веществ [8].

Нами проверена эффективность действия модифицированного АКФК при очистке сточных вод

целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК) по различным показателям: цветность, мутность, фосфат-ионы и др.

Цветность воды определяли фотометрически путем сравнения проб испытуемой жидкости с растворами, имитирующими цвет природной воды по хромово-кобальтовой шкале (рис. 2). Исходное значение цветности пробы воды составляло 195,3°.

Доза АКФК в пересчете на А1203 мг/л

Рис.2. Зависимость цветности очищаемой воды от дозы флокулянта-коагулянта

По данной зависимости видно, что нормативное значение цветности (20°) достигается при дозе АКФК в пересчете на А1203 45 - 60 мг/л.

Фосфат-ионы в водных растворах определяли фотометрически. Принцип метода: фотометрический метод определения массовой концентрации фосфат-ионов основан на их взаимодействии в кислой среде с молибдатом аммония и образованием фосфорно-молибденовой гетерополикислоты, которая восстанавливается аскорбиновой кислотой в присутствии сурьмяно-виннокислого калия до фосфорно-молибденового комплекса голубого цвета. Максимум светопоглощения соответствует длине волны к = 690 нм. Определяют фосфат-ионы при массовой концентрации от 0,05 до 1 мг/л. Если массовая концентрация фосфат-ионов в анализируемой пробе превышает верхнюю границу, то допускается разбавление пробы до регламентируемого диапазона. Эффективность АКФК по очистке от фосфат-ионов проверена на сточной воде ЦБК (табл. 2, рис. 3) Концентрацию фосфат-ионов (мг/л) после очистки рассчитывают по формуле С=(Х*50)/\/, где X - концентрация фосфат-ионов, найденная по градуировочному графику, мг/л; 50 - объём, до которого была разбавлена

проба, мл ; V - объём воды после коагуляции, взятый для анализа, мл.

Таблица 2

Эффективности очистки (Е, %) сточной воды ЦБК от фосфат-ионов

Концентрация АКФК, г/л О 690 С, мг/л Е, %

0(исходная проба) 0,580 77,00 0,00

0,1 0,400 54,00 29,87

0,2 0,383 51,00 33,77

0,3 0,260 35,00 54,55

0,5 0,147 20,00 74,03

0,8 0,013 2,00 97,40

100 п

80 ■

г.

ЦІ

£

* 60 ■ и 5 X О .0

0,0 0.1 О2 0,3 0,5 0,8 1,0

Доза АКФК, г/л

Рис. 3. Влияние концентрации АКФК на извлечение (Е %) фосфат-ионов из сточной воды

Наиболее эффективная очистка алюмокрем-ниевым флокулянтом-коагулянтом достигается в интервале концентраций 0,3 - 0,8 г/л и составляет 55 - 98 %.

Эффективность модифицированного флокулянта-коагулянта исследована при очистке производственных сточных вод, содержащих ионы металлов, например меди, железа и др. (Пробы сточной воды завода им. Ф.Э. Дзержинского, 04.04.2010 г.)

Определение ионов меди (II) основано на их взаимодействии с диэтилдитиокарбаматом натрия в слабо-аммиачном растворе с образованием диэтилдитиокарбамата меди желто-

коричневого цвета. Для устранения мешающего влияния железа и жесткости воды добавляют раствор тартрата калия-натрия (сегнетова соль).

При цветности воды более 20° пробу обесцвечивают персульфатом аммония. Эксперименты проводили в цилиндрах: к 200 мл пробы воды добавляли различные концентрации АКФК или вводили 2 %-ный раствор АКФК, перемешивали, барботировали воздухом, после отстаивания аликвоту фотометрировали при X 430 нм (табл. 3).

Таблица 3

Эффективности очистки (Е, %) промышленной сточной воды от ионов меди (II)

Количество АКФК, г/л Доза АКФК в пересчете на мг А12Оз/л j D 430 Содержание меди (II), мг/л Е,%

Исходная конц. Си (II) р,644 1,43 0

0,1 6,0 Ю, 198 0,44 40,68

0,2 12,0 0,072 0,16 78,26

0,4 24,0 |0,041 0,09 86,80

0,8 48,0 0,032 0,07 88,51

1,6 96,0 0,032 0,07 87,42

Как видно из результатов исследования (табл. 3) эффективность АКФК достаточно высока и достигает 80 - 90 %, при невысоких концентрациях АКФК.

Эффективность очистки сточных вод от ионов железа (III) проводили по методу, описанному выше (стр. 4). Результаты представлены на рис. 4.

100

80 •

\С

S

£5 60 .

о

S

3“

о

ыЛ

* (П

40 •

е

2

О

20 .

о 4———I

0.0 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1,0

Доза АКФК, г/л

Рис. 4. Степень очистки (Е, %) сточной воды в зависимости от концентрации АКФК. (Исходная концентрация железа (III) 0,8 мг/л)

Как видно из диаграммы, достаточно 0,1 — 0,5 г/л АКФК для эффективной очистки сточной воды

от ионов железа (III), причем ПДК (0,3 мг/л) достигается уже при концентрации АКФК 0,1 г/л.

Таким образом, алюмокремниевый флокулянт-коагулянт, полученный на основе природного сырья нефелина, по своим свойствам не уступает известным жидким алюмокремниевым флокулян-там-коагулянтам. Модифицированный АКФК имеет ряд преимуществ (одно из которых — использование его как в виде раствора, так и в виде порошка), а также он обладает эффективными очищающими свойствами в отношении различных типов загрязняющих веществ.

Библиографический список

1. Лагунцов Н.И., Нещименко Ю.П., Феклистов Д.Ю. Нанотехнологии в процессах очистки воды // Сб. тез. докл. науч.-технологич. секций Международного форума по нанотехнологиям «Rusnanotech 08». 2008. С. 609 - 611.

2. Гетманцев С.В. , Нечаев И.А., Гандурина Л.В. Очистка производственных сточных вод коагулянтами и флокулянтами И М.: ABC, 2008. 272 с.

3. Кручинта Н.Е., Бакланов А.Е., Кулик А.Е., Ти-машева Н.А., Колесников В.А., Капустянский П.С. Очистка сточных вод алюмокремниевым флокулянтом-коагулянтом // Экология и промышленность России. 2001. № 3. С. 19 — 22.

4. Кручинта Н.Е. АКФК как альтернатива традиционным коагулянтам в процессах водоочистки и водоподготовки // Экология производства. 2006. №2. С.46 — 50.

5. Способ получения алюмосиликатного коагулянта: пат. 225838 Российская Федерация, МПК7 С 01F/56 / Кручинина Н.Е., Турниер В.Н., Лисюк Б.С., Ким В.; заявл. 26.11.02; опубл.20.03.04, Бюл. № 8.

6.Способ получения алюмокремниевого флоку-лянта-коагулянта и способ очистки с его помощью воды: пат. 2388693 Рос. Федерация: МПК С01В 33/26, C01F 7/74, C02F 1/52 / Кудрявцев П.Г., Недугов А.Н., Рябов В.А., Волкова М.А., Кайсин А.В., Коротаев И.М., Коркин А.М.; заявл. 28.07.08; опубл.10.05.10. Бюл. №13.

7. ГОСТ Р 52769 - 2007. Вода. Методы определения цветности. Введ. 2007 - 10 - 26. М.: Стан-дартинформ, 2007. 10 с.

8. Гусева Т.В., Гусева Т.В. , Хотулева М.В., Винниченко В.Н. Как организовать общественный мониторинг: руководство для общественных организаций; под ред. М.В. Хотулевой. 2-е изд., испр. М.: Социально-Экологический союз, 1998.256 с.

M.A.BojiKoea, A.H.Hedvzoe, C.B.AndmeHKO. A.B.Kaucm. A.fO.JTaawin

ALYUMOKREMNIEVYE FLOCCULANTS-COAGULANTS IN WATER TREATMENT PROCESSES

M.A. Volkova", A.N. Nedugovb, S.V. Andrienko*, A.V. Kaisinb, A.U. Lalina*

“Perm State University. 15, Bukirev St., Perm, 614990 b Natural-scientific institute PSU.4,Genkelja st., Perm, 614900 E-mail: margo@psu.ru

This article describes how recycling aluminum-silicon raw material to produce a modified floccu-lant- coagulant and its use in water treatment processes.

Keywords: flocculant; coagulant; heavy metals; ecology