CC BY
143
УДК: 628.345.1
Н. Н. Капралова, И. Г. Шайхиев, Н. П. Григорьева,
Н. А. Лебедев
ИССЛЕДОВАНИЕ СУЛЬФАТА МАГНИЯ В КАЧЕСТВЕ КОАГУЛЯНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ. 1. ИЗ ЛЬНЯНОГО СЫРЬЯ
Ключевые слова: производство целлюлозы, лен, сточные воды, коагуляционная очистка, сульфат магния.
Исследована коагуляционная очистка сточных вод производства целлюлозы из льна с использованием в качестве коагулянта сульфата магния. Найдено, что с увеличением дозировки коагулянта степень очистки стоков увеличивается.
Keywords: production cellulose, flax, wastewater, coagulation treatment, magnesium sulfate.
Coagulation treatment of wastewater from the production cellulose using flax as a coagulant of magnesium sulfate was studied. Found, that with increasing dosage of coagulant increased the degree of effluent treatment.
Целлюлозно-бумажная промышленность
(ЦБП) является одной из важнейших отраслей РФ. Основными продуктами отрасли являются целлюлоза, бумага и картон. Наличие производственных предприятий в нашей стране обусловлено большими запасами древесины, которая в настоящее время является основным сырьем для получения целлюлозных материалов [1].
ЦБП является одним из наиболее загрязняющих производств, обусловленное образованием большого количества отходов, в том числе лигнина, и сточных вод (СВ), которые характеризуются сложным и непостоянным составом и, в случае недостаточно эффективной очистки, представляют серьезную опасность для окружающей среды и населения. Для очистки последних, как в России, так и за рубежом нашли применение методы механической, биологической и физико-химической очистки.
Перед поступлением СВ на биологическую очистку и необходимости их очистки на 50-70 % рекомендуется предварительно применять отстойники радиального типа. При необходимости более глубокой механической очистки (более 60 %) возможно применение химических реагентов, характер и дозу которых устанавливают экспериментально.
При биологической очистке в аэротенках обеспечивается удаление из СВ легкоокисляемых органических соединений (сахаров, органических кислот и др.) на 90 - 94 % по величине БПК. Однако содержащиеся в СВ трудноокисляемые органические вещества, такие как щелочной лигнин (в стоках суль-фатцеллюлозного производства) и лигносульфоновые кислоты (в СВ сульфитцеллюлозного производства), в процессе биологической очистки не окисляются или окисляются незначительно. Применение данного метода рекомендуется при значениях параметрах ХПК ниже 5000 - 6000 мг О2/л [2].
Технологический процесс получения травяной целлюлозы состоит из следующих основных стадий: нарезка, прессование и разрыхление сырья; щелочная варка едким натром при 98-100 °С; отжим и промывка с помощью центрифугирования; отбелка раствором перекиси водорода с концентрацией 5-10
г/л при температуре 85-95 °С в течение 90 минут; повторный отжим и промывка центрифугированием; сушка, прессование и упаковка целлюлозы; транспортировка и хранение готовой продукции [3].
Использование древесины в течение длительного времени в качестве сырьевого компонента при производстве целлюлозы приводит к сокращению лесных ресурсов и нарушению баланса в окружающей среде. Более того, применение древесного сырья характеризуется значительными экономическими затратами. К тому же, для достижения товарного качества древесине необходимо довольно длительное время. В связи с вышеизложенным, актуальными становятся вопросы производства целлюлозы на основе более дешевых альтернативных источников сырья, в частности, однолетних растений и трав, являющихся, к тому же, отходами переработки сельскохозяйственного сырья.
Нами исследовалась возможности очистки щелочных сточных вод (ЩСВ), полученных в результате производства целлюлозы на основе льна следующего состава: рН - 12,80; ХПК - 14400 мг О2/л; светопропускание - 28,5 %; общая щелочность - 160 мг-экв/л; сухой остаток - 22,3 г/л; содержание, %: соли жирных кислот - 0,7; гемицеллюлоза - 0,66; гидроксид натрия - 0,44; минеральные вещества - 0,5; лигнин - 0,5; углеводы - 0,3; ПАВ - 0,16; азотсодержащие вещества - 0,1.
Ввиду высоких значений pH и ХПК, а так же значительной агрегативной устойчивости дисперсной фазы исследуемых ЩСВ, методы отстаивания и биологического окисления изначально были отклонены. В связи с вышеизложенным исследовался коагуляционный способ очистки для удаления коллоидных и мелкодисперсных примесей, присутствующих в стоке.
Из литературных источников известно, что коагулирующими способностями обладают неорганические соединения алюминия, железа (II) и (III), магния и других металлов. Так же известно, что соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов металлов составляет приблизительно 1:30:1000 [4].
Таким образом, соли двухвалентного магния имеют худшие коагуляционные характеристики по сравнению с солями трехвалентного железа и алюминия. Однако, учитывая тот факт, что образующийся коагулюм в дальнейшем предполагается использовать в качестве удобрения, использование соединений магния с токсикологической, экологической и экономической точки зрения оправдано.
Ход проведения экспериментов следующий: к 200 мл исследуемого стока в мерных цилиндрах приливался 30 %-ный раствор Мд304 в количестве 1, 3, 5, 10 и 15 г/л по ионам Мд2+, что в пересчете на сухое вещество реагента составляет 5, 15, 25, 50 и 75 г/л соответственно.
Добавление раствора коагулянта приводит к образованию коагулюма, объем и кинетика оседания которого зависела от дозировки добавляемого раствора сульфата магния. Кривые уплотнения коагулюма в зависимости от дозировки коагулянта и времени осаждения приведены на рисунке 1.
Время, мин
1 г/тт —г/п г/п —10 г/п — 15 г/тт
Рис. 1 - Кривые осаждения коагулюма в зависимости от времени и дозировки сульфата магния
Как видно из приведенных графиков с увеличением приливаемого раствора коагулянта объем уплотненного осадка увеличивается. Повышение дозировки сульфата магния более 5 г/л не приводит к изменению объема осевшего осадка, но, тем не менее, масса высушенного осадка с увеличением дозировки коагулянта повышается (рис. 2).
Пробы отстаивались в течение 2 часов, затем отфильтровывали на тканевом фильтре, осадок сушился до постоянной массы и взвешивался, а фильтрат анализировался на изменение физико-химических показателей.
В процессе коагуляции, сульфат магния взаимодействует с гидроксидом натрия, содержащимся в большом количестве в ЩСВ, в результате чего образуется гидроксид магния, с помощью которого происходит формирование коагулюма, выпадающего в осадок. В результате расчетов химического баланса вы-шерасмотренной реакции выявлено, что при взаимодействии коагулянта в количестве 0,1, 0,3, 0,5, 1,0 и 1,5 г/100 мл по ионам Мд2+ образуется 0,24, 0,73, 1,21, 2,42, 3,61 г гидроксида магния соответственно.
В ходе исследования измерялось количество осадка и, таким образом, зная количество содержания в нем гидроксида магния, по разности рассматриваемых величин определяется количество органической
фракции, выпавшей в осадок в ходе коагуляции: 3,15, 6,0, 6,18, 8,58, 9,87 г при дозировке коагулянта 1, 3, 5, 10, 15 г/л соответственно.
Для наглядного сравнения количества образующейся органики построен график (рис.2). По оси ординат отложены значения соотношения 1 г Мд(0Н)2 к массе осажденных органических веществ, по оси абсцисс - доза коагулянта. Исходя из данной зависимости выявлено, что с увеличением дозы коагулянта количество скоагулировавшейся органики увеличивается.
- кгли ч есп ю су хот оеллка
-соотношение I I гидроксида машин к массе осиждепных ортимчсскнх исшесш
Рис. 2 - Зависимость массы сухого осадка от дозировки коагулянта; зависимость соотношения 1 г Мд(ОН)2 к массе органических веществ от дозировки коагулянта
Увеличение дозировки сульфата магния способствует обесцвечиванию сточной жидкости (табл. 1), на что указывает увеличение показателя светопро-пускания. В частности, если исходная сточная жидкость имеет исследуемый показатель, равный 28 %, то после обработки раствором коагулянта в максимальной концентрации - 93 %.
Как показали проведенные измерения, значения рН скоагулированного стока снижаются с увеличением дозировки коагулянта (рис. 3). Данное обстоятельство связано с образованием серной кислоты в процессе гидролиза сульфата магния и частичной нейтрализации гидроксида натрия, входящего в состав сточной жидкости. Нейтрализация, соответственно, способствует снижению как общей, так и свободной щелочности фильтратов (табл. 1). Но, тем не менее, стоки, обработанные коагулянтом в максимальной концентрации в проведенных экспериментах, имеют высокое значение рН и требуют дальнейшей нейтрализации.
Значения рН фильтратов после удаления коа-гулюма планомерно понижаются, что вполне закономерно (рис. 4). Однако, обработка исследуемой сточной жидкости в максимальной дозировке коагулянта не приводит к достижению значений ХПК, позволяющих в дальнейшем сбрасывать стоки на биологическую очистку. Очевидно, что для сброса на биологические очистные сооружения необходима дополнительная стадия очистки.
Доза коагулянта, г/л
Рис. 3 - Зависимость значений рН от дозировки коагулянта
Доза коагулянта, г/л
Рис. 4 - Зависимость значений ХПК от дозировки коагулянта
По литературным данным [2], количество применяемого коагулянта не должно превышать 130150 мг на 1 л сточных вод, что в 100 раз меньше количества коагулянта, использованного в проведенных исследованиях. Однако, результаты исследования коагуляционной очистки с помощью сульфата магния показывают значительную эффективность процесса. Эффективность осветления ЩСВ на основе льна по показателю оптической плотности составила 94 %, эффективность очистки по показателю ХПК -60 % и конечный результат при максимальной дозировке коагулянта, равной 75 г/л по сухому веществу реагента, составил 5800 мг О2/л.
Таблица 1 - Изменение физико-химических показателей сточной жидкости в зависимости от дозировки коагулянта
Концентрация коагулянта, г/л Плотность, г/см3 Т, % й Сухой остаток, г/л Щёлочность, мг-экв/л
Свободная общая
0 1,011 28,5 0,542 22,30 116,0 160
1 1,014 65,0 0,188 18,97 96,0 146
3 1,015 73,0 0,136 18,90 70,0 120
5 1,017 81,0 0,090 19,00 50,0 92
10 1,019 88,2 0,054 20,90 11,2 49
15 1,020 93,0 0,030 22,80 3,2 35
По результатам проделанной работы можно сделать вывод, что исследуемый метод пригоден для предварительной очистки и может быть рекомендован для дальнейшей очистки после нейтрализации.
Литература
1. Целлюлозно-бумажная промышленность России [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
М1р://га.№1к1ре111а.о^/№1кШ,еллюлозно-бумажная_промышленность_России, свободный.
2. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник/ А.С. Тимонин. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. - 884 с.
3. Григорьева Н.П. Технология получения целлюлозы из травянистых растений и ее свойства / Н.П. Григорьева, О.К. Нугманов, Д.С. Нусинович, В.Ф. Сопин, Н.А. Лебедев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №3. -С.165-168.
4. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод/С.В. Яковлев, Я.А. Карелин. - М.: Стройиздат, 1985. - 335 с.
© Н. Н. Капралова - магистр КНИТУ; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; Н. П. Григорьева - зав. научно-поисковым сектором технического отдела ОАО "Научно-исследовательский институт по нефтепромысловой химии" (ОАО «НИИнефтепромхим»), petrowna06@rambler.ru; Н. А. Лебедев - канд. техн. наук, ст. науч. сотр., ген. дир. ОАО "Научно-исследовательский институт по нефтепромысловой химии" (ОАО «НИИнефтепромхим»), info@neftpx.ru.
