Химически модифицированный торф для очистки сточных вод промышленных предприятий Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ность и эффективность использования предлагаемых композиционных материалов в мегаллург*-чсских процессах.

Идеи по дальнейшему совершенствованию технологии и оборудования производства торф*-ных композиционных материалов согласуются с современной тенденцией развития торфяной отрасли. направленной на более глубокую комплексную переработку торфа совместно с другим компонентами.

На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы технические i технологические решения, направленные на обобщение и разработку системных принципов и учных основ производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначен реализующие вопросы рационального использования торфяных и вторичных ресурсов с учетов требований экологии и повышения эффективности производства в условиях рыночной экономи»

Таким образом, на основании еыполненных исследований в области технологии п< ки торфа и мелкодисперсных отходов получены новые научно обоснованные технолот1 решения, имеющие важное хозяйственное значение для торфяного, горного, металлургичес» химического производств, энергетики, строительства, коммунального хозяйства, исполы сырьевых ресурсов и охраны окружающей среды о Свердловской области.

1ереработ-

ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ТОРФ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ГРЕБЦЕ ВН. В.'. ИГЛУ К Г. М2. СУВОРОВА. Л.3. ЯТЛУК Ю. Г.3 Уральская государственная горно-геологическая академия'. Институт геологии и геохимии УрО РАН*, Институт органического синтеза УрО РАН1

В рамках проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия произведет деятельности одной из важнейших задач, особенно актуальной для Уральского региона, явл« очистка промышленных стоков от токсичных ионов тяжелых и цветных металлов. Приме* синтетических ионообменных смол для этих целей ограничивается их высокой стоимостью, спективным является использование торфа (2] - возобновляемого полезного ископаемого тельного происхождения, представляющего собой природный ионообменник и сорбент.

Основным недостатком торфа является малая обменная емкость. Эта особенность оп| ет два крайних варианта его использования: минимальная подготовка с целью одноразового менения с последующим сжиганием для утилизации поглощенных металлов; максимальная товка, включающая удаление сорбированных в процессе образования месторождения ионов О замену их на ионы щелочных или щелочноземельных металлов), гидролиз (удаление хими* неустойчивых компонентов), дсбитуминизацию материала (то есть извлечение неактивного' ста) и химическую модификацию остатка (сульфирование, фосфатированис и пр.). Такой можно использовать многократно.

Практические аспекты использования торфа для очистки сточных вод [6] изучены на пр ре адсорбции ионов меди сырым торфом (содержащим ионы Н\ Са2\ Mgí*). В работе по» что адсорбционная активность торфа падает в ряду РЬ > Са > Си > 7м.

Для очистки сточных вод от некоторых тяжелых металлов применяется торф, предвар» но подготовленный обработкой солями кальция, при этом в воду поступает только компонент жесткостл) [10]; в этом случае удастся удалять примеси с концентрацией менее 10 мм.

Ряд вариантов подготовки торфа запатентован. В работе [9] используется гидролиз дебитуминизированный, сульфированный торф, с помощью полученного продукта сточные можно очищать от ионов меди, никеля, хрома, свинца и марганца. В работе [7] сульфир)ется посредственно сырой торф, полученный продукт сушится и смешивается с необработанным рым торфом и связующим материалом, далее композиция используется для очистки сточных от ионов тяжелых металлов. Связанный с предыдущим патент [8] описывает порядок оч» сточных вод. В работе [3] торф отмывают и кипятят, а затем обрабатывают водными рас™

солей натрия и марганца, полученный сорбент используется в подготовке воды для тепловых электростанций.

В настоящей работе для оценки характера изменения торфов при их химической обработке были использованы следующие типы торфов: верховой (Широкорсчснскос месторождение, массив «Карасье»), переходный и низинный (Исетско-Аятское месторождение, массив «Кедровое»).

Для определения количества отмываемых компонентов образцы торфа переметивались с разбавленным раствором соляной кислоты а течение 12 часов. Дзя удаления легкогидролизуемых компонентов образцы торфа кипятились с разбавленным раствором серной кислоты. Битуминозные продукты удалялись путем экстракции смесью органических растворителей (изопропанол-толуол=1:2). Полученные результаты представлены в табл. I.

Таблица I

Весовые потери торфов при различных вариантах обработки, %

Торф При промывке 11ри гидролизе При д«6нтуминизаини

Верховой 19 17 38

Переходный 21 21 36

Низинный 13 29 45

Таким образом, наименьшие потери сорбе»гта наблюдаются при промывке торфа кислотой. Ионообменные свойства торфа зависят в основном от количества карбоксильных групп. Для оценки статической обменной емкости (СОЕ) для всех образцов торфа первоначально она было определена по N804 (мг-экв/г). Полученные результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

СОЕ торфов по N«011 после различной обработки, мг-экв/г

Торф Исходный Промытый Гидролюо ванный Гидролиюваниый. дебиту мин и 1иро ванный

Верховой 0.32 0,27 0.34 0.36

Переходный 0,34 027 0.36 0.40

Низинный 0.34 0,32 0.34 0.38

Результаты показывают, что при промывке СОЕ торфа падает, очевидно, вместе с сорбированными в природе ионами удаляются кислые водорастворимые компоненты. Далее при гидролизе и дебитуминизации СОЕ растет, однако очень незначительно. Таким образом, по крайней мерс, для предварительных испытаний целесообразно использовать промытый торф (не промывать вообще торф нельзя, так как растворимые компоненты будут загрязнять очищенные воды).

После отмывки образцов торфов от природносорбированных ионов (кальций, магний, алюминий, железо и др.) и водорастворимых соединений для образовавшихся сорбентов была определена СОЕ на модели сточных вод, зараженных ионами меди и никеля. При этом были получены результаты, представленные в табл. 3.

Таблица 3

СОЕ промытых торфов, полученные на модели сточных вод, мг-экв/г

Торф По меди 11о никелю Суммарная СОК ••

Верховой обр.1 0.03 0,05 0,52

• 0,02 0,12 0,61

Переходный 0,03 0,08 0,26

Низинный 0,03 0,06 0.68

• В Са-формс.

•• Включает поглощенные ионы кальция и магния (естественная примесь).

Таким образом, наибольшая суммарная величина СОЕ достигается для низинного торфа, личество поглощенной меди от типа торфа не зависит, никель в наибольшей степени поглощает л переходным торфом.

Поскольку сточные воды сами по себе являются достаточно жесткими, небольшое увел» нис концентрации ионов кальция в них значения не имеет. Перевод торфа в кальциевую однако, должен существенно повысить величину СОЕ, так как позволит избежать раскисления работанной воды. На примере верхового торфа авторами было показано, что такая обработка | ствитсльно является полезной в случае никеля. Количество поглощенного никеля возрастает I чем в два раза, хотя в основном величина СОЕ увеличивается за счет поглощения магния.

Определение содержания золы в промытых торфах и сопоставление его с количеством глощенных меди и никеля позволяет рассчитать содержание этих элементов в ней табл. 4.

Та

Содержание меди и никеля в золе торфов после очистки сточных вод, %

Торф Золы в торфе Меди в золе Никеля в золе

Верховой 2,5 3.8 5.8

Переходный 4,8 2.0 4.8

Низинный 16.3 0,6 1.1

Гак как промышленно перерабатываемые руды обычно содержат 0,7 - 3 % меди; 0,3 - 2 1 никеля, полученные после сжигания сорбировавшего цветные металлы торфа <сгехногенные р>; будут достаточно богатыми.

Таким образом, с точки зрения извлечения цветных металлов наиболее целесообразно пользовать верховой торф, а с точки зрения очистки сточных вод использование торфа дат определяться экономическими соображениями (близостью месторождения к объекту оч» Под1Х5товка торфа должна заключаться в отмывке кислотой природносорбированных ионов дорастворимых соединений. Более глубокая подготовка необходима лишь при многократном пользовании сорбента и, вероятно, должна включать химическую модификацию торфа. Пе! ние торфа в кальциевую форму при необходимости можно проводить для увеличения щ сорбированного никеля. Так как промывные воды после подготовки торфа содержат биологи* полезные компоненты, после нейтрализации известью они могут использоваться в качестве у; рений. В целом схема использования торфа для очистки сточных вод представлена на рисунке.

Природный торф

Раствор кислоты

"1

Известь

Торф в Н-форм с

Промывание воды Удобрение для кислых почв

Стопные воды

озоление

Торф, сорбировавший металлы

Сырье для получения цветных металлов

Схема использования торфа для очистки сточных вод

С целью исследования возможностей химической модификации торфа при введении дс нительных кислотных или комплексующих групп проведено его сульфирование, фосфати( прививка комплексующих фрагментов путем взаимодействия с хлоруксусной кислотой. Ит влияние метода модификации, типа торфа и способа его предварительной подготовки на иок менные свойства.

Результаты исследования обменной емкости сульфированных торфов (СОЕ но №ОН) представлены в табл. 5 и 6.

В табл. 5 приведены величины СОЕ после сульфирования предварительно гидролизован-ных, дебитуминизированных торфов различных типов.

Таблица 5

СОЕ сульфированных торфов по N«011, мг-экв/г

Торф Верховой Переходный Низинный

СОЕ 0,60 0,53 0.50

Таким образом, наилучшие результаты достигаются при сульфировании верхового торфа. Сравнительные данные по обменной емкости сульфированного верхового торфа, в зависимости от способа предварительной подготовки, приведены в табл. 6.

Таблица 6

СОЕ сульфированного верхового торфа по N1011, мг»экв/г

Верховой торф Промытый Дебитуминизированний Гилролиэованный. дебил уминтиро ванный

Выход, % 80 50 44

СОЕ 0,46 0,56 0,60

СОЕ в расчете на исходный торф 0,37 0,28 0,26

Как видно из полученных результатов, наибольшая СОЕ достигается для гидролизованного дебитуминизированного сульфированного торфа, хотя СОЕ в расчете на исходный торф для него наименьшая.

Влияние сульфирования торфа на ионообменные свойства по отношению к меди и никелю изучено на модельных растворах (на 1 г торфа по 250 мл растворов соответствующих хлоридов с концентрацией по 1 г/л соответственно)

Сравнение обменной емкости по меди и никелю немодифицироваиных и сульфированных юрфов приведено в табл. 7.

Таблица 7

СОЕ торфов по меди и никелю, мг-экв/г

Торф Промытый Гилролкюванный Г и лрол изо»анный. дебитуминизированный Гилролиэованный, дебитуминизированный сульфированный

По меди

Верховой 0,30 0,13 0,1« 0.73

Переходный 0,08 0,05 0,2С 0,58

Низинный 0,25 0,35 0,43 0.60

По никелю

Верховой 0,03 0.03 0,03 0.48

Переходный - - 0,03 0,43

Низинный 0,18 - 0.03 0,33

Как видно из полученных результатов, наилучшей обменной емкостью обладает гидролизо-ванный дебитуминизированный сульфированный верховой торф. Поэтому для изучения возможности химической модификации торфа далее во всех опытах был использован именно такой верховой торф.

Результаты изучения обменной емкости торфа в зависимости от метода модификации представлены ниже:

Сульфированный..................................... 0,60

Фосфатированный.................................... 0,54

Карбоксиметилироваиный......................... 0,54

Как видно из полученных данных, все виды модификации примерно одинаково эффекти поэтому оперировать необходимо экономическими соображениями. Полученные образцы б исследованы далее на сорбцию меди и никеля из модельных растворов (табл. 8).

Табл

СОЕ модифицированных торфов по мели и никелю, мг-экв/г

СОЕ Сульфированный Фосфатированный Карбоксимеги л ировам мы»

По меди 0,73 0,45 0,63

По никелю 0,41 0,10 0,30

Как видно из полученных данных, наибольшая разница в СОЕ по меди и никелю набл» ется для фосфатированного и карбоксимстилированного образцов, что указывает на их пер тивность в качестве избирательных сорбентов для поглощения ионов меди.

Непосредственно избирательность оценивалась по сорбции ионов меди и никеля из сч< ных молельных растворов (1:1).

Соотношение поглощенных меди и никеля из смешанных растворов:

Промытый............................................. 3,1

Фосфатированный................................... 4,9

Карбоксиметилироваиный......................... 4,4

Как видно из представленных, данных наибольшей избирательностью по отношению к обладают фосфатированный и карбокоиметилированный образцы. •'-._

В заключение для наиболее перспективных образцов была измерена набухаем«-* верхового торфа, %:

Промытый............................................. 190

Гидроличоиянный дебиту минитмронанный.... 290

Сульфированный.................................... 140

Фосфатированный................................... 200

Карбоксиметилироваиный......................... 170

Как видно из представленных данных, наименьшей набухаемостью обладает сульфид ный торф. Основные положения настоящей работы более детально отражены в работах [1,4, 5]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Александров Б. М.. Гревцев Н. В.. Ятлук Г. М. Kai южная С. А.. Суворов А. Л., Бурдин А. Б.. Яш Ю. Г. Сравнительное исследование химической модификации торфа // Труды Тверского униЕ Тверь, 1999.

2. Гревцев Н. В.. Горбунов А. И. Использование торфа и продуктов его переработки в природе ных технологиях // Известия вузов. Горны! журнал. 1996. № 5-6. С. 135-139.

3. Суворов В И.. Линно В Ю.. Геращенко О. А. Способ получения адсорбента на основе торфа I тент РФ 2102319 (1998).

4. Ятлук Г. М.. К ai южном С. A.. Cysopoe А. Л.. Ятлук Ю. Г. Система торф-хитозан -амфолитный i нообменник природного происхождения // Ежегодник-2000 Ин-та геологии и геохимии. Екатеринбург.

С. 255-257.

5. Ятчук Г. М., Ксиюжная С. А.. Ятлук Ю. Г. Суворов А. Л.. Александров Б. М.. Гревцев Н. В. гические проблемы использования торфь II Ежегодник-1998 Ин-та геологии и геохимии. Екатер» 1999. С. 255-257.

6. Chen X., Gösset T., Tnevenot D. P.. Batch copper-ion binding and exchage properties of peat // Wi research (1990) 24, 12. P. 1463-1471.

7. Clemenson L J. Method of processing peat for use in contaminated water treatment // US pa №6042743 (2000).

8. Clemenson L J. Method of processing peat for use in contaminated water treatment I/ US pa №6429471 (2002).

9. Morine G. H.. SpigareUi S. A. Ion exchage material produced from hydrolysed, debituminizeti sulfonated pea« // US patent J* 5314638 (1994).

10. Horacek J.. Soucopova /., Purtcochar M. el. aJ. Purification of waste-water containing low concentrations of heavy-metals // Journal of hasarcous matereals (1994) 37, I. P. 69-76.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФЯНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В УСЛОВИЯХ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА

ША МП А РОВ А. Г.

ОАО «Уралторфпроект»

Последнее время в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) проводится большая работа по определению путей диверсификации экономики округа и освобождению ее от абсолютной ориентировки только на углеводороды. И, прежде всего, это развитие других ископаемых ресурсов ХМАО, одним из которых является торф.

В регионе сосредоточено до 50 % российских запасов торфа, но степень их развсданности очень слабая, так как геологическое изучение недр в первую очередь было направлено на выявление месторождений углеводородного сырья.

В табл. I приведены сравнительные характеристики применения торфа в качестве коммунально-бытового топлива.

Таблица I

Сравнительные характеристики различных видов коммунально-бытового топлива

Параметры Виды топлива

мазут TOI точный газ природный уголь кузнецкий дрова смешанные торф кусковой полубрикст брикет

Удельная теплота сгорания, икал/кг (м* газа) 9170 7980 6390 2850 3225 3700 4200

Коэффициент приведения к удельной теплоте сгорания топочного мазута 1 1,15 2,39 5,36 3,39 2,95 2,60

Ед. юм. количества т м1 т м3 т т т

Стоимость единицы топлива, ру«. 1600 0,450 950 600 450 860 1000

Стоимость топлива, эквивалентного по тепло ценности 1 кг топочного мазута 1,60 1,67 2,27 3,2! 1,52 2,54 2,6

Учитывая объемы инвестиций в образование инфраструктуры обеспечения местности тем или иным видом энергоносителя, включая транспортные затраты, в ряде случаев применение торфяного топлива может быть экономически оправданно. В первую очередь это относится к локально изолированным и удаленным районам с низкой плотностью населения.

Способы получения электро- и теплоэнергии из торфа предусматривают сжигание торфа в топочных устройствах с нагревом теплоносителя в теплообменниках либо с образованием генера-