CC BY
50
Y
УДК 622.85
Карасев Константин Иванович Konstantin Karasev
Тютрина Светлана Владленовна Svetlana Tyutrina
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МЕЛКОДИСПЕРСНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ,
НАХОДЯЩИЕСЯ В СТОЧНЫХ И ОБОРОТНЫХ ВОДАХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
PHYSICO-CHEMICAL EFFECTS ON THE FINE-DYSPERSATED MINERAL PARTICLES THAT ARE IN THE WASTE AND CIRCULATING WATERS OF THE MINING ENTERPRISES
Рассматривается комплексное воздействие ионных флокулянтов и ультразвуковых колебаний, в режиме стоячей волны, на мелкодисперсную илистоглинистую систему, содержащую ионы кремниевых кислот в коллоидной форме. Освещается примерный механизм наблюдаемых явлений. Наблюдаемый экологический эффект данного воздействия позволит значительно улучшить качество сточных и оборотных вод горнодобывающих предприятий
Ключевые слова: сточные воды горнодобывающих предприятий, флокуляция, дисперсные системы, ультразвуковое воздействие
The article considers the combined effect of ion floc-culants and ultrasonic vibrations, and in a mode of a standing wave on the fine silt and clay system containing ions of silicon acids in colloidal form. Highlights approximate mechanism of the observed phenomena. The observed ecological effect of this impact would greatly improve the quality of sewage and return water mining enterprises-enterprises
Key words: wastewater mining enterprises, flocculation, disperse systems, ultrasonic influence
Возрастающие требования к качеству сточных и оборотных вод горнодобывающих предприятий делают актуальным поиск новых, более экологически и экономически выгодных методов очистки воды. В настоящее время ведутся поиски новых методик на стыке нескольких научных направлений. Нами проводилось исследование производственных сточных вод м. Ха-мара, м. Рензель и м. Средний Хонгорок, относящихся к артели «Бальджа». Исследуемые сточные и оборотные воды содержат глинистые частицы каолинита и монтмориллонита, а также достаточно большое ко-
личество ионов тяжелых металлов и силикатных ионов, находящихся в коллоидной форме. Основными приемниками сточных вод являются бассейны рек Бырца, Тырин (м. Хамара), притоки, берущие свое начало с отрогов Даурского хребта и впадающие в реки Кыра и Онон (м. Средний Хонгорок и м. Рензель). Реки, в которые производится периодический сброс воды из системы отстойников, относятся к рекам первой и второй рыбохозяйственной категории, поэтому к воде применяются строгие экологические требования [3; 4]. На изучаемых объектах целенаправленно проводится
осаждение только дисперсных глинистых частиц с помощью анионных флокулянтов, а ионы тяжелых металлов и силикат-ионы не осаждаются и остаются в воде [1]. Длительное использование полиэлектролитов приводит к их накоплению в оборотных водах, что наряду с наличием соединений
кремния в коллоидном состоянии изменяет не только реологические параметры системы, но и делает невозможным сброс сточных вод в природные водные объекты [2; 10]. Химический состав сточных и оборотных вод месторождений артели «Бальджа» приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав сточных и оборотных вод месторождений артели «Бальджа»
Показатели состава сточных вод Концентрация ионов до очистки, мг/дм3 Концентрация ионов после очистки, мг/дм3 ПДС, мг/дм3
рН 8,94 7,95 6.5-8.5
Взвешенные вещества 65,6 12,4 40,4
Ионы аммония 0,5 0,03 6.72
Нитрат-ионы 0,25 0,39 2.11
Нитрит-ионы 0,029 0,01 0,099
Хлорид-ионы 4,6 3,17 13,9
Сульфат-ионы 35,7 27,7 37,75
фосфат-ионы 1,8 1,09 1.883
Ионы железа 0,498 0,323 0,895
Силикат-ионы 19,4 5,4 10,3
Нефтепродукты 0,11 0,09 0,877
Сухой остаток 177,5 98,2 366.8
Суть предлагаемого нами способа очистки воды от дисперсных частиц, ионов тяжелых металлов и силикатных ионов заключается в том, что внесение источника ультразвуковых колебаний в обрабатываемый объем суспензии производится наряду с добавлением полиэлектролитов. Интенсивность ультразвуковых колебаний плавно изменялась от 0 до 8х 104 Вт/м2 с помощью устройства независимого возбуждения, находящегося на генераторе, и составила 1х104 Вт/м2. Время ультразвуковой обработки изменялось от 2.. .2,5 до 20 мин, более длительное озвучивание нецелесообразно, т.к. приводит к процессу диспергирования полученных флокул. Выбранный нами ре-
жим позволяет добиться максимальной скорости осаждения дисперсных частиц при более низком содержании полимеров при воздействии ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны (УЗ СВ) в течение 5 мин. Дополнительно происходит переход коллоидной формы соединений кремния в растворимую форму, что подтверждается изменением оптической плотности раствора [6; 7]. Измерение оптической плотности раствора проводилось на фотоколориметре КФК — 3. Предварительно был построен калибровочный график. Данные для построения калибровочного графика отражены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты определения оптической плотности и концентрации растворов
проб калибровочного графика
Точки калибровочного графика Среднее значение оптической плотности Концентрация растворов, мг/дм3
Х1 2,023 2
Х2 2,135 3
*3 2,802 10
Х4 3,316 15
Х5 3,927 20
После ультразвукового воздействия на предварительными данными по калиброисследуемую систему были сняты показа- вочному графику. Полученные результаты тели оптической плотности и соотнесены с отражены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты определения оптической плотности и концентрации растворов после обработки у/з колебаниями
Время обработки образцов, мин Среднее значение оптической плотности образцов Концентрация растворов по калибровочному графику, мг/дм3
3 2,972 11,25
5 3,879 18,65
10 3,976 18,93
Проведенные исследования показали, что ультразвуковое воздействие на дисперсные системы, содержащие коллоидные формы кремниевых кислот, увеличивает концентрацию растворимой формы.
Для объяснения полученных результатов мы руководствовались тем, что при распространении волны частицы жидкости совершают колебания около положения равновесия, происходящее с определенной скоростью. Колебания частичек среды при распространении звуковой волны приводят к образованию в жидкости областей сгущения и разряжения[5].
Если в ультразвуковом поле частица расположена так, что плоскость ее составляет некий угол с направлением распространения волны, то колеблющиеся частицы среды обтекают частицу, меняя направления своего движения дважды за период ультразвуковой волны, при этом возникают силы, создающие вращательный момент, который стремится повернуть твердую частицу перпендикулярно к направлению распространения волны. Учитывая, что размеры частицы малы по сравнению с длиной ультразвуковой волны, то сила, поворачивающая частицу, пропорциональна интенсивности ультразвука [8; 9]. Флокуляция в узлах смещения происходит, если мелкодисперсное вещество имеет плотность меньше плотности жидкости и в пучностях смещений стоячей волны, если его плотность превышает плотность жид-
кости. Наблюдаемое явление увеличения скорости осаждения твердой фазы можно объяснить тем, что в поле УЗСВ пучности колебательной скорости совпадают с узлами давления, а узлы колебательной скорости — с пучностями давления. Причем в отличие от бегущей волны стоячая волна не передает энергии, энергия перераспределяется между соседними пучностями давления и скорости. Поэтому в суспензии, обрабатываемой в режиме УЗСВ, макромолекулы флокулянта и частицы суспензии будут перемещаться в зоны пучности давления и избегать зоны пучностей скоростей. При этом в зоне пучности давлений будет наблюдаться высокая концентрация макромолекул флокулянтов и частиц под повышенным давлением, а в зонах пучностей скоростей будут образовываться зоны чистой воды [7; 10].
Степень осветления сточных и оборотных вод горно-обогатительных предприятий после воздействия УЗСВ в комплексе с анионными полиэлектролитами увеличивается до 88 %. Происходит процесс перехода коллоидной формы кремниевых кислот в растворимые соединения, что способствует удалению из воды ионов кремния. При внедрении предложенного метода воздействия на мелкодисперсные минеральные частицы, находящие в сточных и оборотных водах горнодобывающих предприятий, предполагается улучшение экологической ситуации в районе проведения работ.
Литература
1. Баран А.А., Грегори Д. Флокуляция суспензий каолинакатионными полиэлектролитами // Коллоид. журн. — 1996. — Т. 58, № 1. — С. 13-18.
2. Дерягин Б.В. О влиянии поверхностно-активных веществ на устойчивость дисперсных систем // Коллоид. журн. — 1993. — Т. 55, № 2. — С. 10-16.
3. Доработка запасов месторождений рассыпного золота м. Средний Хонгорок, Хамара и Рензель: поясн. записка (ООС). — Чита: ООО «Забайкалзолотопроект», 2002. — 157 с.
4. Исследование процесса коагуляции и флокуляции при образовании высокоминерализованной воды / М.А. Трофименко, Л.А. Тягнырядно, А.Б. Железняк и др. // Вопросы химии и химической технологии, 1998. — Вып. 96. — С. 30-32.
5. Круглицкий Н.Н., Ничипоренко С.П. Управление свойствами коагуляционных структур глинистых минералов // Успехи коллоидной химии. — М., 1973.— С. 190-200.
6. Мягченко В.А., Крикуненко О.В. Влияние состава сополимеров актиламида с акрилатом натрия на интенсивность ультразвуковой деструкции в водной и водносолевой (0,5н NaCl) средах // Химия и хим. технология. — 1998. — Т. 41, Вып. 1.— С. 88-90.
7. Основы физики и техники ультразвука: учеб. пособие. — М.: Высш. шк., 1999. — 331 с.
8. Твердохлебов В.П., Шепелев И.И. Очистка промышленных сточных вод электровзрывной обработкой // Водоснабжение и санитарная техника. — 2001. — № 7. — С. 36-38.
9. Ультразвуковые методы воздействия на технологические процессы / Под ред. Н.Н. Хавского. — М.: Металлургия, 1981. — 141 с.
10. Яремко З.М., Федушинская Л.Б., Солтыс М.Н. Флокуляция дисперсий водорастворимыми полимерами. Механизм флокуляции // Химия и технология воды. — 1991. — Т. 13, № 5. — С. 421-424.
Коротко об авторах __
Briefly about the authors
Карасев К.И., д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой химии Забайкальского государственного университета, президент Забайкальского отделения МАНЭБ, академик, член-корреспондент ряда общественных академий (РАЕН, МАН ВШ, АГН), Министр образования и молодежной политики Забайкальского края Служ. тел.: (3022) 35-94-85
K. Karasev, Minister of education and youth policy, Trans-Baikal Region, head of chemistry department, Zabaikalsky State University, president of the TransBaikal branch IAELS, academician, corresponding member of several public academies (Academy of Natural Sciences, IAS HS, AGN), professor
Научные интересы: изучение повышения эффективности и безопасности горного производства на базе использования полимерных флокулянтов
Тютрина С.В., канд. техн. наук, доцент кафедры химии, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ)
Служ. тел.: (3022) 41-71-22
Научные интересы: исследование физико-химических воздействий на мелкодисперсные минеральные системы с целью нарушения их агрегативного равновесия, а также создание на основе минерального сырья силикатных композитных материалов
Scientific interests: efficiency and safety of mining study on the basis of polymeric flocculants use
S. Tyutrina, Candidate of Chemical Sciences, assistant professor, Chemistry department, Zabaikalsky State University
Scientific interests: physical and chemical study of effects on the fine-dispersed mineral system to violations of their aggregative equilibrium as well as the establishment of mineral silicate composite materials on the basis
