CC BY
10
УДК 628.345:628.316.13
Юртаева А.А., Жильцова Е.Е., Костылева Е.В., Зиновеев Д.В., Грудинский П.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ КОАГУЛЯНТОВ НА ОСНОВЕ КРАСНОГО ШЛАМА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Юртаева Анфиса Александровна - бакалавр 4-го года обучения кафедры промышленной экологии; [email protected].
Жильцова Екатерина Евгеньевна - магистрант 2-го года обучения кафедры промышленной экологии; Костылева Елена Валерьевна - кандидат химических наук., доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Зиновеев Дмитрий Викторович - младший научный сотрудник лаборатории физикохимии и технологии переработки железорудного сырья; Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Россия, Москва, 119334, Ленинский проспект, д.49.
Грудинский Павел Иванович - младший научный сотрудник лаборатории физикохимии и технологии переработки железорудного сырья; Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Россия, Москва, 119334, Ленинский проспект, д.49.
В статье рассмотрен способ комплексной переработки отхода производства глинозема красного шлама, включающий высокотемпературный обжиг, магнитную сепарацию и выщелачивание соляной кислотой под давлением, с получением растворов, которые в дальнейшем возможно использовать в качестве комплексных коагулянтов для очистки сточных вод. Применение полученных коагулянтов показало эффективность очистки для двух видов сточных вод более 90% по показателю взвешенных веществ и более 70% по показателю цветности.
Ключевые слова: коагуляция, красный шлам, гидрометаллургия, очистка сточных вод
STUDY OF THE EFFICIENCY OF COMPLEX COAGULANTS BASED ON RED MUD FOR INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT
Yurtaeva A.A.1, Zhiltsova E.E.1, Kostyleva E.V.1, Zinoveev D.V.2, Grudinsky P.I2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 A.Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science (IMET), Russian Academy of Sciences (RAS), Moscow, Russian Federation
The article discusses a method for the complex processing of red mud, including high-temperature reductive roasting, magnetic separation and hydrochloric acid leaching under pressure, to obtain solutions that can later be used as coagulants for wastewater treatment, as well as their effectiveness. Application of the obtained coagulants showed the efficiency of purification for two types of wastewater of more than 90% when removing suspended solids and more than 70% when removing UV 254.
Key words: coagulation, red mud, hydrometallurgicalprocessing, wastewater treatment
Введение
Накопление большого количества
промышленных отходов в процессах производства черных и цветных металлов стимулирует исследователей по всему миру искать новые и совершенствовать известные методы их переработки. При получении глинозема по методу Байера обработкой исходного минерального сырья боксита высококонцентрированным раствором гидроксида натрия после отделения целевого раствора алюмината натрия остается твердая нерастворимая часть, называемая красным шламом, реже бокситовым остатком, или бокситовыми хвостами. При получении 1 т продукции в отвал сбрасывается от 0,8 до 1,5 т красного шлама [1]. Данный отход представляет значительную экологическую опасность за счет своих высоких показателей дисперсности и рН [2]. При этом красный шлам содержит ряд ценных элементов (железо, алюминий, титан и скандий), что делает его перспективным источником для производства
широкого спектра таких продуктов, как адсорбенты, пигменты и коагулянты [3-5].
В настоящее время для очистки промышленных сточных вод широко используются коагулянты на основе алюминия или железа, ввиду их низкой стоимости и высокой эффективности. При этом, несмотря на широкое распространение, данные реагенты имеют известные существенные недостатки [6]. В последнее время все чаще встречается информация о перспективности применения комплексных коагулянтов на основе алюминия, железа и титана, которые способны обеспечить не только высокую эффективность очистки в широком диапазоне значений рН, но и более высокую скорость фильтрации [7-10]. При этом себестоимость подобных комплексных коагулянтов, полученных из промышленных отходов, будет гораздо ниже, чем при использовании в качестве источника природного сырья. Основной целью данной работы являлась оценка эффективности использования комплексных коагулянтов, полученных в результате
солянокислотного автоклавного выщелачивания немагнитных хвостов процесса переработки красного шлама.
Экспериментальная часть
Переработку красного шлама Богословского алюминиевого завода осуществляли путем его высокотемпературного восстановительного обжига с каменным углем в качестве восстановителя в течение
60 минут при температуре 1300 °С и последующей мокрой магнитной сепарацией с напряженностью магнитного поля 0,1 Тл. Химический состав образца немагнитных хвостов представлен в таблице 1. Исследование проводили методом
рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометре PANalytical AXIOSmax Advanced (Нидерланды).
Таблица 1. Химический состав образца немагнитных хвостов продукта переработки красного шлама
масс. % мг/кг
Fe Si Al Ti Ca Mg Na P Zr Sc Y Nd Ce La Pr
2,6 10,1 16,7 6,16 18,2 1,59 1,24 0,07 626 340 1100 760 655 670 147
Солянокислотное выщелачивание проводили в лабораторном автоклаве P2004 (Китай) при следующих условиях: соотношение жидкость (20 % соляная кислота) - твердое вещество (немагнитные хвосты) равно 11; скорость перемешивания - 350 об/мин; нагрев до необходимой температуры - 20-25 мин; выдержка при температурах 150, 170, 190 и 210 °С - 60 мин. Маточный раствор отделяли от твердого остатка вакуумной фильтрацией. Содержание элементов в маточных растворах определяли методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП) на спектрометре Elan 9000, PerkinElmer (США) (таблица 2).
Таблица 2. Химический состав маточных растворов автоклавного солянокислотного выщелачивания
В качестве коагулянта использовали разбавленные маточные растворы, полученные при температуре 190 °С (максимальное содержание соединений алюминия). Исследования проводили на образцах реальных сточных вод пластик-перерабатывающего производства (2 типа воды, различающиеся по времени работы в цикле мойки).
Пробную коагуляцию проводили на лабораторном флокуляторе VELP Баепййса РС4Б. Время быстрого перемешивания при скорости 150 об/мин составляло 2 минуты; время медленного перемешивания при скорости 10 об/мин - 8 минут, отстаивание - 30 минут.
Эффективность процесса очистки оценивалась по изменению содержания взвешенных веществ (мутности) и показателю цветности, их определяли в соответствии с методиками [11, 12]
Полученные результаты представлены на рисунках 1 и 2.
Рис. 1 Влияние дозы коагулянта на содержание взвешенных веществ в обработанной воде
Как видно, снижение содержания взвешенных веществ в воде более чем на 80% наблюдалось уже при использовании малых доз всех коагулянтов для обеих исследованных сточных вод. Такая же картина наблюдалась и при использовании для очистки сточных вод линии мойки процесса переработки пленочных полимерных материалов традиционными коагулянтами [13]. Это можно объяснить значительной крупностью быстрооседающих частиц. Эффективные дозы коагулянтов по сумме оксидов алюминия, железа и титана составили, соответственно, 135 и 204 мг/л. Эффективность очистки при этом достигала порядка 96-99%.
Дол! коагулянта, мг(МеХОУ)/л
Рис. 2 Влияние дозы коагулянта на показатель цветности в обработанной воде
Элемент (мг/л) Температура (°C)
150 170 190 210
Na 2167 1928 2065 1906
Fe 2825 2005 1761 1684
Al 12373 11806 13155 12098
Si 12 18 9 12
Ti 3320 2370 1880 1500
Несмотря на высокие показатели очистки по взвешенным веществам, показатели цветности (рисунок 2), как и в работе [13] снижались менее интенсивно. Эффективность составила около 80% для сточной воды № 1 и 96% для сточной воды № 2 при выбранных ранее эффективных дозах по взвешенным веществам. Данная зависимость может быть обусловлена процессами
комплексообразования с органическими
компонентами сточных вод и наличием окрашенных веществ, которые затруднительно удалить в процессе коагуляции.
Заключение
Растворы комплексных коагулянтов, полученные в результате последовательных процессов высокотемпературного восстановительного обжига красного шлама, мокрой магнитной сепарации и автоклавного выщелачивания немагнитных хвостов соляной кислотой, показали достаточно высокую эффективность при очистке исследованных сточных вод.
Список литературы
1. Wang S, Jin H, Deng Y, Xiao Y. Comprehensive utilization status of red mud in China: A critical review // Journal of Cleaner Production. - 2021. - V. 289. - P. 125136.
2. Alam S., Das B.K., Das S.K. Dispersion and Sedimentation Characteristics of Red Mud // Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste. American Society of Civil Engineers. - 2018. - V. 22, № 4. - P. 04018025.
3. Ali I., Asim M., Khan T.A. Low-cost adsorbents for the removal of organic pollutants from wastewater // Journal of Environmental Management. - 2012. - V. 113. - P. 170-183.
4. Carneiro J. et al. Synthesis of ceramic pigments from industrial wastes: Red mud and electroplating sludge // Waste Management. - 2018. - V. 80. - P. 371378.
5. Ni F. et al. Preparation and characterization of a cost-effective red mud/polyaluminum chloride composite coagulant for enhanced phosphate removal
from aqueous solutions // Journal of Water Process Engineering. - 2015. - V. 6. - P. 158-165.
6. Kuzin E.N., Kruchinina N.E. Purification of circulating and wastewater in metallurgical industry using complex coagulants // CIS Iron and Steel Review -2019. - V. 18. - P. 72-75.
7. Kuzin E.N., Kruchinina N.E. Titanium-containing coagulants for foundry wastewater treatment // CIS Iron and Steel Review. - 2020. - V. 20. - P. 66-69.
8. Gan Y. et al. Potential of titanium coagulants for water and wastewater treatment: Current status and future perspectives // Chemical Engineering Journal. -2021. - V. 406. - P. 126837.
9. Кручинина Н. Е., Кузин Е. Н., Азопков С. В. Комплексные коагулянты в процессах очистки сточных вод с высоким содержанием нефтепродуктов / Материалы 8-й международной научно-технической конференции Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства - Омск: Изд-во ОмГТУ, - 2018. - С. 209-210.
10. Кузин Е.Н., Кручинина Н. Е. Оценка эффективности использования комплексных титансодержащих коагулянтов в процессах очистки сточных вод машиностроительного производства // Изв. вузов. Химия и хим. технология - 2019. - Т. 62, № 10. - С. 140-146.
11. ПНД Ф 14.1:2:4.213-05. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений мутности питьевых, природных и сточных вод турбидиметрическим методом по каолину и по формазину. М. : 2005.
12. ГОСТ 31868-2012. Вода. Методы определения цветности: принят и введен в действие Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации от 15.11.2012. № 42: дата введения 2014-01-01. (Дата обращения 06.05.2022). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200097407 - Текст: электронный.
13. Горохова М.В., Байкова М.А., Костылева Е.В. Реагентная очистка сточных вод процесса вторичной переработки пластических масс // Сб. науч. тр. Успехи в химии и химической технологии. - Т. XXV, № 12 (247). - С. 54-56.
