CC BY
65
---------------------------------------- © Н.Н. Орехова, Н.Л. Чалкова,
2011
УДК 622.7
Н.Н. Орехова, Н.Л. Чалкова
ИЗУЧЕНИЕ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦИНКА ИЗ МОДЕЛЬНОЙ ВОДЫ СОРБЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ И ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЦИЕЙ
Проведено изучение физико-химических и сорбционных свойств природных и техногенных кальциевых и магниевых минералов карбоната и силиката.
Ключевые слова: минеральное сырье, аэрация, гальванокоагулятор, магнезит, градиентный метод, известняк, доменный шлак.
ТЪ последнее время вопросам из-
-Ш.9 влечения тяжёлых металлов из сточных вод горных предприятий уделяется большое внимание. Преимущественно изучается возможность выделения меди, что связано с востребованностью этого металла и значительной его стоимостью на рынке. Однако для сточных вод горных предприятий цветной металлургии характерно преобладание над остальными тяжёлыми металлами в сточных водах цинка (табл. 1).
Современные методы и технологии очистки воды позволяют решить задачу извлечения, но возникают экономические проблемы из-за высоких капитальных и эксплуатационных затрат, увеличивающих стоимость готовой продукции, что снижает ее конкурентоспособность. Наиболее экономически целесообразными методами на сегодняшний день являются гальванокоагуляционный и сорбционный методы извлечения.
Извлечением цинка из модельных растворов методом гальванокоагуляции занимались Лавриненко Е.Н., Прокопенко В.А., Перцов Н.В., Зубулис А.И., Прочаска П.М., Соложенкин П.М. [5] Сорбционным извлечением цинка из модельных растворов занимались Го-дымчюк А.Ю и Юркевич Н.В. Домраче-
ва В.А., Свистунова Я.К., Якушева Л.А., Куликов И.М. [1, 6—8].
Целью данной работы явилось изучение кинетики извлечения цинка из модельных растворов, влияние рН, концентрации исходного раствора методом гальванокоагуляции и сорбции на различных видах сорбентов.
Существует большой класс природных сорбентов-минералов[2—4], и сорбентов техногенного происхождения, которые из-за недостаточной изученности не нашли широкого промышленного применения. Между тем, высокие сорбционные свойства, дешевизна и широкая распространенность делают их экономически целесообразным сырьем в технологиях извлечения металлов из гидроминерального сырья [5—8].
В данной работе для изучения физико-химических, в том числе и сорбционных свойств, были выбраны природные и техногенные кальциевые и магниевые минералы карбонаты и силикаты. Значительное их сродство к катионам тяжелых металлов позволяет рассматривать эти минералы в качестве потенциальных сорбентов-ионообменников. Изучены отходы горно — металлургической промышленности (доменный шлак) и мине-
Показатели качества подотвальных вод горных предприятий
Показатели ГОКи
Сибайский филиал УГОК УГОК Бурибаевское РУ Гайский ГОК
Сибайского и Ка- Учалинского ме- Маканского ме- Гайского ме-
маганского месторождений сторождения сторождения сторождения
Сухой оста-ток,мг/дм3 Н/д 28852 35794,0 12246,9
Сульфаты, мг/дм3 10793,4 12573,6 18069,0 7033,9
Хлориды, мг/дм3 1773,0 86,8 106,4 582,6
Медь, мг/дм3 350,0 234,7 382,0 219,23
Цинк, мг/дм3 600,0 340,52 159,5 160,4
Железо, мг/дм3 373,7 448,0 849,0 785,1
рН 3,3 3,3 1,75 2,64
Жесткость, мг-экв/дм3 288,0 184,8 356,6 44,02
ральное сырье (известняк, доломит и магнезит).
В качестве гальванопары при гальванокоагуляции использовались: стальная стружка и кокс, как наиболее эффективная и часто применяемая комбинация [5].
Методики эксперимента
Эксперимент по гальванокоагуляции проводился на лабораторном гальванокоагуляторе емкостью 5 дм3 с объёмом рабочей зоны 200 см3 , в системе гальваноконтактов железо-углерод при проточном режиме. Носителями элементов гальванопары являлись воронёная стальная стружка и кокс в соотношении 4:1. В качестве модельных систем использовалась модельная система Fe — С — ZnSО4 — Н2О (дистиллированная). Изучение кинетики проводили при концентрации цинка в растворе 500 мг/л. Уменьшение концентрации не позволяет определить кинетические закономерности.
Эксперименты по сорбции цинка поводились в динамических и статических условиях. Методика проведения эксперимента в статических условиях: навес-
ку сорбента крупностью -0,25 мм массой 2 г помещали в колбу с модельным раствором, объем раствора 0,1 дм3. Колбу помещали на механический встряхи-ватель и перемешивали. Время установления сорбционного равновесия определяли по кинетической характеристике, построенной по результатам изучения сорбции из модельного раствора с содержанием цинка 200 мг/дм3 при перемешивании в течение 10—100 минут. Значение рН изменяли от 3 до 10, концентрацию ионов металлов от 100 до 200 мг/дм3, перемешивали до установления сорбционного равновесия. Оценка степени извлечения ионов цинка проводилась с помощью изотерм сорбции. Получение изотерм при варьировании условий проведения экспериментов явилось основным методом изучения закономерностей сорбции. При проведении исследований определяли равновесную концентрацию ионов цинка, меди и железа в растворе. Определение сорбции металла из растворов проводили в статических и динамических условиях. Цинк в фильтрате определяли по стандартной методике.
Методика проведения эксперимента по сорбции цинка в динамических условиях с использованием стендовой сорбционной установки, диаметром колонки 15 мм, высотой слоя сорбента 50 мм, крупность сорбента
-5+3 мм
Результаты экспериментов Гальванокоагуляция.
Первоначально были проведены опыты по сравнению эффективности извлечения цинка сорбцией на компонентах гальванопары по отдельности С, Fe и в совместно С + Fe.
Из диаграммы видно, что наилучшие результаты получены с в процессе гальванокоагуляции. Эффективность извлечения составляет 100 %.
Результаты изучения кинетики извлечения цинка из модельного раствора представлены на рис. 2. Уже через 60 секунд обработки в фильтрате обнаруживается только 5—10 мг/дм3 цинка, т.е. эффективность извлечения составляет 95—97 %. Параллельно изучено изменение концентрации железа в жидкой фазе слива гальванокоагулятора.
Результаты представлены на рис.3, при времени обработки 30 секунд растворенное железо не успевает связаться в нерастворимую ферритную форму. За те же 30 секунд контакта раствора с гальванопарой приводит к связыванию в осадке 80,8 % цинка. При повышении времени обработки наблюдается увеличение концентрации железа в фильтрате, при росте извлечения цинка в осадок.
Отношение С^ в исходном растворе к С^ в фильтрате с увеличением времени обработки остается постоянным на уровне 2—3, что являться следствием высокого содержания железа в сливе и указывает на малоэффективность процесса ферритизации и образования не-
растворимых соединений Fe (магнетита, лепидокрокита).
Влияние аэрации на кинетику извлечения цинка и переход железа в слив, отражено на рис. 2. Аэрация способствует более быстрому извлечению цинка и уменьшению содержания железа, перешедшего в фильтрат.
Время обработки влияет и на изменение рН слива, при времени контактирования менее 180 секунд, рН среды практически не меняется и колеблется в пределах от 4,82 до 5,03. Увеличение времени контакта раствора с гальвано-парой до 180 секунд приводит к росту значения рН среды, до 5,73 и стабилизации его на этом уровне.
Сорбционное извлечение цинка в статических условиях.
Результаты изучения кинетики сорбции показали, что сорбционное равновесие в системе «минеральный сорбент — раствор цинкового купороса» достигается в течении 40 минут.
Из представленных на рис.4 графиков следует, что скорость сорбции цинка магнезитом и известняком выше, чем у доломита и доменного шлака, поэтому дальнейшие эксперименты проводили на минералах магнезите и известняке. Из рис. 5 видно, что изотерма сорбции ионов цинка принадлежит к изотермам мономолекуляр-ной сорбции. Изотермы относятся к 1 типу по классификации Брунауэра, имеют форму изотермы Лэнгмюра, характеризуется монотонным приближением адсорбции к некоторому предельному значению, соответствующему заполненному монослою.
Рис. 1. Диаграмма эффективности извлечения цинка гальванокоагуляцией и сорбцией
' ' ' ' ' ' 4,6
30 60 90 120 150 130
2Ь (без аэрации) ■ Ре (Без аэрации)
Т, сек
1п (с аэрециеи) Ре (с азрацчеи)
pH
Рис. 2. Кинетика извлечения цинка из модельного раствора гальванокоагуляцией с предварительной аэрацией и без аэрации, изменение рН среды в фильтрате
Рис. 3. Зависимость отношения С2п /С¥е от времени контакта
4 .
[ъ /
Iі 2./
ІІ1
О 20 ЗО Є0 30 100
і, мин
Рис. 4. Кинетика сорбции цинка: 1 — доломит; 2 — доменный шлак; 3 — известняк; 4 — магне-
Рис. 5. Изотерма сорбции цинка с различными сорбентами: 1 — известняк; 2 — магнезит
Расчет велся тремя методами:
• методом наименьших квадратом на основании линеаризованной лэнгмю-ровской кривой;
• градиентным методом — критерий согласия — критерий Чебышева;
• градиентным методом — критерий согласия — сумма квадратов;
• отклонений расчетных параметров от экспериментальных.
В результате расчетов каждым методом были рассчитаны величины констант изотермы. Для изотермы сорбции известняком расчетные параметры представлены по методу
наименьших квадратом 4.164Е-03; по критерию Чебышева 3,820Е-03; по сумме квадратов 7,935Е-03. А величины констант равновесия рассчитаны соответственно для магнезита: 2,727Е-04; 2,727Е-04; 1,089Е-03.
При сорбции цинка магнезитом в динамических условиях была рассчитана емкость данного сорбента и она составила 2,3 мг/г.
Выводы
Извлечение цинка возможно отходами горно-металлургической промышленности (доменный шлак) и минеральным сырьем (известняк, доломит и маг-
незит). Для концентрированных раство- обработка позволяет извлечь до 100 %
ров применяем метод гальванокоагуля- цинка.
ции, при котором даже кратковременная
-------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Домрачева В.А. Извлечение металлов из сточных вод и техногенных образований. //
ИГТУ — 2006. — С. 5—34
2. Машкова Л.П., Логинова Е.Я., Богдановский Г.А. Использование глины и карбонатных пород при очистке сточных вод в различных условиях эксперимента // Вестник МГУ. Сер.2 —
1994 — 35. — № 4. — 346 с.
3. Наумова Л.Б., Чащина О.В., Горленко Н.П. Сорбция ионов меди и кадмия природными сорбентами. Журнал физической химии.
1994, Т. 68. — №4. — С. 688—691.
4. Кроик А.А., Шрамко О.Н., Белоус Н.В.
Очистка сточных вод с применением природных сорбентов. // Химия и технология воды. —
1999. — 21, № 3. — с. 310
5. Чантурия В.А., Соложенкин П.М. Галь-ванохимические методы очистки техногенных вод. // ИКЦ «Академкнига» — 2005. — с. 68—
74
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------
Орехова Н.Н. — доцент кафедры Обогащения полезных ископаемых ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, n_orehova@mail.ru.;
Чалкова Н.Л. — аспирант кафедры Обогащения полезных ископаемых ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова».
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПАКУЛОВ Владимир Васильевич Совершенствование технологии выемки маломощных крутопадающих жил на основе малогабаритных самоходных машин 25.00.22 к.т.н.
6. Казанцева Н.М., Ильина Л.А., Золотова Т.П., Никифоров А.Ю., Никифоров И.А. Использование доломита в очистке сточных вод //Химия и технология воды. 1996-18, №5, с. 555.
7. Никифоров А.Ю., Ильина Л.А., Сударуш-кин А.Т. Использование природного минерала доломита и его термомодифицированных форм для очистки сточных вод от катионов тяжелых металлов. // Изв. вузов. Химия и химическая технология. — 1999. — 42, № 4. — с. 138
8. Домрачева В.А., Свистунова Я.К., Якушева Л.А., Куликов И.М. Комплексная переработка сырья — решение экологической проблемы. Тезисы докладов междунар. конф. «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды». Иркутск, 1996, Т. 2, часть 1, с. 114— 115. ЕШ
