CC BY
21
№ 12 (81)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
декабрь, 2020 г.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЕ ШЛАМОВ ВОДООЧИСТКИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Мухамедов Кабилджан Гафурович
д-р техн. наук, профессор, Ташкентский химико-технологический институт,
Республика Узбекистан, г. Ташкент
Насирова Нилуфархон Кабилджановна
ассистент Ташкентский химико-технологический институт
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: mukhamedovanilufarkhon@gmail.com
STUDYING THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF WATER TREATMENT SLUDGES FROM GALVANIZING PRODUCTIONS IN THE PRODUCTION OF BUILDING
COMPOSITE MATERIALS
Kabiljan Mukhamedov
Doctor of Technical Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent
Nilufarkhon Nasirova
Assistant, Tashkent chemical-technological Institute
Uzbekistan, Tashkent
DOI: 10.32743/UniTech.2020.81.12-4.5-9
АННОТАЦИЯ
Изучены возможности применение шламов водоочистке гальванических производств в производстве строительных композиционных материалов. Разработана ресурсосберегающая технология утилизации гальванических шламов, позволяющая получить экологически безопасный стекло-керамический композиционный материал строительного назначения с высокими эксплуатационными свойствами и решающая важнейшую экологическую проблему утилизации высокотоксичных отходов гальванического производства.
ABSTRACT
The possibilities of using slimes for water treatment of electroplating industries in the production of building composite materials have been studied. A resource-saving technology for the disposal of galvanic sludge has been developed, which makes it possible to obtain an environmentally friendly glass-ceramic composite material for construction purposes with high performance properties and which solves the most important environmental problem of disposal of highly toxic waste from galvanic production.
Ключевые слова: ионы тяжелых металлов, гальванический шлам, предельно допустимые концентрации, коагуляция, флокуляция, ситаллы, кристаллизация.
Keywords: heavy metal ions, galvanic sludge, maximum permissible concentrations, coagulation, flocculation, sitalls, crystallization.
В комплексе научно-технических мероприятий, связанных с проблемой охраны окружающей среды, рещающая роль принадлежит развитию системы утилизации отходов и мерам по снижению промышленных выбросов, предусматриваемые в соответствии с
Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на период до 2021 года а также в постановлениях Президента Республики Узбеки-стан№ ПП-3983 от 25-октября 2018 года «О мерах по ускоренному развитию химической промышленности
Библиографическое описание: Мухамедов К.Г., Насирова Н.К. Изучение возможности применение шламов водоочистки гальванических производств в производстве строительных композиционных материалов // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. 12(81). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11096 (дата обращения: 25.12.2020).
№ 12 (81)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Республики Узбекистан», а также в Указе ПК-4947 от 7-февраля 2017 года «Стратегия действий по пяти приоритетными направлениями развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» и Постановлении ПП-3236 от 23 августа 2017 года «О программе развития химической промышленности на 2017-2021 годы, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере».
Загрязнение окружающей среды, вызванное антропогенной деятельностью человека, является одной из приоритетных проблем, которая требует пристального внимания общества в целом и своевременных эффективных технологических решений. Наибольшую актуальность представляет проблема очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Одними из значимых антропогенных источников поступления ионов тяжелых металлов в окружающую среду являются сточные воды предприятий приборостроения, машиностроения, цветной металлургии и ряда других отраслей. Тяжелые металлы представляют серьезную эко токсикологическую опасность, так как неоднократно было отмечено их вредное воздействие на физиологию человека. На локальных очистных сооружениях гальванического производства вышеперечисленных предприятий чаще всего применяют реагентные методы очистки сточных вод, которые не позволяют снизить концентрацию ионов тяжелых металлов до требуемых норм, допустимых концентраций загрязняющих веществ, принимаемых в систему городской канализации, а также до нормативов сброса в открытые водоемы, в том числе и рыбохозяйственные [1-2].
При очистке сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов методами коагуляции и флокуляции образуются осадки-шламы, из которых экономически нецелесообразным является извлечение металлов. Осадок, образующийся при очистке сточных вод гальванического производства, содержит большое количество воды. Из 1 т серной кислоты, израсходованной на травление железа, образуется около 1003 шлама и 98% воды. Влажность шлама в отстойниках периодического действия в зависимости от времени отстаивания (вылеживания) может снижаться до 80-90%, а в фильтр-прессах и центрифугах до 50%. Для шлама гальванических производств характерно незначительное содержание органических веществ. Из-за нестабильности состава и относительно небольшого количества утилизация шлама на местах образования является экономически нецелесообразным. Поэтому очевидным является решение вопроса о складировании таких отходов по родству состава с последующим их использованием. Как показали результаты химического анализа пробы шлама (сокращенно ОВД) преимущественно содержат Si О2 -66%, окислы железа Fе2Оз- до 30,3%, - окислы Са, Zh, Си до 12%, и SОз, А1, О, Т и № [3-4].
Как видно, состав применяемого осадка близок к составу стекла а следовательно, ситаллаов, ибо для получения ситаллов используют технологию стеколь-
декабрь, 2020 г.
ного производства, т.к. ситалл - это закристаллизованное стекло, получаемое после метода катализированной кристаллизации стекла. Получение стеклокристал-лических плиток с использованием шламов водоочистки гальванических производств в лабораторных условиях заключается в приготовлении шихты для варки цветного стекла, расчете и составлении рецепта шихты по обычной технологии и методике, принятой в стекольной промышленности. Технологическая схема производства изделий из стекла состоит из стадий составления шихты, варки стекла, формования изделий, их обжига и кристаллизации, которая может следовать за формованием, минуя обжиг, или осуществляется после обжига.
В лабораторных условиях применяли несколько вариантов составов, включающих шламы водоочистки гальванического производства, и на основании проведенных лабораторных исследований подобраны семь оптимальных составов. В качестве основы были взяты составы, включающие в процентных отношениях, шлам водоочистки гальванических производств, как вторичное сырье, исходный продукт, а также различные добавки, такие как бой стекла, доломит, поташ (К2 СОз), кварцевый песок ( 8Ю2 ), в качестве отвердителя-техническая сода (Ыа2 СОз). В составе этих компонентов содержатся элементы, которые могут придать полученному продукту соответствующее окрашивание, блеск и оттенок. В сухом виде смешивая шлам с компонентами, получаем мелкозернистую однородную шихту, которую помещаем в корундовый тигель. Он является термоогнестойкой (1600-16500С) посудой, изготовленной из высокоглиноземистого компонента (содержание А1203-высоко), и производим варку. Режим варки стекла: температура t = 1300-1350оС, время выдержки т=35 мин, после достижения набранной температуры. В некоторых случаях для получения ситаллов применяют керамическую технологию (порошковый метод) по схеме: составление шихты, варка стекла, гранулирование, измельчение стекла в порошок, получение пластической композиции-шликера (стекло + связка), формование изделий, спекание и кристаллизация. Этот же технологический прием можно применить и для получения стеклокри-сталлита.[5-6] В таблице 1 приведены составы, свойства, режимы термообработки высоко кремниземи-стых стекол и полученных из них ситаллов. В таблице 2 приведена характеристика: стекол и полученных из них ситаллов в сравнении с исходным стеклом. Была изучена кристаллизация стекол, полученных на основе указанного шлама, как исходного компонента. Склонность стекол к кристаллизации определяли по методу массовой кристаллизации при температурах. 700, 800, 900, 1000, 1100°С и выдержке 2 часа. Кристаллизация имела объемный мелкозернистый характер лишь у стекла, содержащего повышенное количество Fе2Оз. Можно предположить, что в стеклах, содержащих меньшее количество шлама и железа, и соответственно содержание железа в нем если меньше, кристаллизация имеет крупнозернистый поверхностный характер.
№ 12 (81)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
декабрь, 2020 г.
Таблица 1
Некоторые характеристики стекол и ситаллов, полученных с использованием шлама водоочистки
гальванического производства
№. Компоненты Содержание в вариантах, % масс.
п.п. 1 2 3 4 5 6 7
1. Шлам водочистки 20 40 30 30 35 30 60
2. Стеклобой 80 60 30 30 - 40 -
3. Доломит - - 20 30 - 20 -
4. К2СО3 - - 20 10 - - -
5. Каврцовый песок. - - - - 50 - 20
6. Na2CÜ3 - - - - 15 10 20
Показатели свойств стекол
1. Тем.коэф.линейного расшир. 10+7,1-/°C 56 41 76 37 43 40 38
2. Плотность, кг/м3 2200 2260 2340 2270 2280 2370 2450
Показатели свойств ситаллов
1. Тем.коэф.линейного расшир. 10+7,1-/°C 306 261 177 316 224 240 300
2. Плотность,кг/м3 2320 2310 2370 2340 2940 2900 2960
3. Прочность на изгиб, МПа 73 70 70 124 103 106 119
Режим термообработки ( первая ступень)
1. Температура, °С 700 700 700 700 700 700 700
2. Выдержка, час 1 1 1 1 1 1 2
Режим термообработки ( вторая ступень)
1. Температура, °С 950 950 950 950 950 950 950
2. Выдержка, час 1 1 1 1 1 1 1
3. Цветность ярко зелен темно корич зелен корич ярко зелен ярко зелен зелен темно зелен. ситалл
Таблица 2.
Характеристика стекол и ситаллов, полученных с использованием водоочистки
гальванического производства
Свойства Исходное Стеклокристаллический Плита из каменного
стекло материал литья
Температурный коэффициент линейного расширения а. 107, 1-/°С (20-50°С) 66,8 81,9 77,9
Термостойкость, °С 230 410 250
На изгиб 105 163 80
На сжатие 450 870 480
Модуль упругости, Гпа 73,5 140 74
Микротвердость, МПа 10300 12300 8900
Ударная вязкость, кДж/м2 1,59 2,13 1,5
Химическая стойкость, %: 92 99,8 99,0
к 96%-ной Н2 S04
к 2Н. НС1 55,57 99,81 99,57
к 2Н. NaOH 98,97 98,72 92,49
Кажущаяся пористость, % 0 0 3,0
Следовательно, большой интерес для получения шламо ситаллов с высокой степенью закристаллизо-ванности и с тонкокристаллической структурой представляют высокожелезистые стекла. По структуре шлакоситалл представляет собой материал на 60 - 70%
состоящий из кристаллической фазы, отдельные зерна которой окружены и скреплены прослойкой остаточного стекла [7-8].
№ 12 (81)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
декабрь, 2020 г.
Размер кристаллов не превышает 0,5 - 1 мкм. Весьма малый размер кристаллов, сравнительно небольшое различие коэффициентов расширения и плотнотей кристаллической и стекловидной фаз, хорошее сцепление кристаллов со стекловидной связкой, обеспечивают повышенные прочностные и антикоррозионные свойства шлакоситаллов.
Минералогичесий состав их обуславливает высокие диэлектрические характеристики материалов. Рентгенограммы, полученные в НИИ Строительных материалов показывают, что в маложелезистых шламовых стеклах при кристаллизации образуются, в основном анортит СаО,АЬ03, 2Si02, некоторое количество железистого диоксида или иденбергита FеО. СаО2 2Si02.
В высокожелезистых стеклах кроме анортита, увеличивается количество иденберита и появляется небольшое количество волластонита р- СаО. Si02. И это указывает на активную роль ионов Fе2+ в процессе структурных превращений. Это дает возмож-нось не вводить его в состав специальных катализаторов, включая окрашивающих, т.к. ионы Fе2+депо-лимеризуют структуру расплавов и стекол, снижают вязкость и температуру превращений, усиливают склонность расплавов и стекол к микроликвации, активно участвуют в окрашивании и в зарождении кристаллизации фаз [9].
Таблица 3.
Химический состав шлама водоочистки гальванических сточных вод
Содержание оксидов металлов в гальванических сточных водах, %.
Предприятие SiO2 Fe2O3 ZnO Cr2O3 SO3 Na2O CuO CaO AhO3 MgO TiO2 K2O Побочн. продукты
ООО «МЕТ- FUR-SER- У18». 5,3566 9,8730,3 0,087,2 1,00 0,254,02- 0,1-0,2 0,0112,02 3,227,02 1,5 0,271,00 0,23 0,10,22 8-26,09
ОАО «ФАТОН» 4,5562 8,5633,3 0,068,8 0,79 0,324,55 0,1-0,2 0,511,0 2,886,05 1,4 0,310,89 0,23 0,10,31 8-28,06
На основании проведенных научно-исследовательских работ можно сделать следующие выводы:
1. Разработана ресурсосберегающая технология утилизации гальванических шламов, позволяющая получить экологически безопасный стекло керамический композиционный материал строительного назначения с высокими эксплуатационными свойствами и решающая важнейшую экологическую проблему утилизации высокотоксичных отходов гальванического производства.
2. Установлено, что химический и фазовый состав гальвано шлама позволяет использовать его в качестве инициатора кристаллизации в керамических и стеклокерамических композитах, облегчая кристаллизацию и оказывая существенное влияние на последовательность выпадения кристаллических фаз, температурные границы их существования, размеры кристаллов основной фазы.
3. Выявлены закономерности изменения основных физико-механических свойств керамики и стеклокерамики с добавкой гальвано шламов от рецептуры и температуры обжига.
4. Получены математические модели, позволяющие спрогнозировать изменение физико-механических свойств композитов от рецептурных факторов.
5. Рентгенофазовым анализом, а также электронно-микроскопическими исследованиями установлена структура и особенности фазового состава спекшегося черепка стеклокерамического композита с добавкой гальвано шлама. Ионизационные
рентгенограммы позволяют сделать вывод о том, что при обжиге выделяющиеся фазы гальвано шлама, содержащие тяжелые металлы, взаимодействуют с компонентами алюмосиликатной системы с образованием широкого ряда твердых растворов группы шпинелей.
6. Выявлено, что кинетика миграции тяжелых металлов из образцов носит асимптотический характер и выражает определенную тенденцию к угасанию и прекращению вымываемости ионов тяжелых металлов из образцов через 20-30 суток.
7. Стеклокерамический композит, содержащий 1 % гальвано шлама, 20 % стекло боя, 1 % кремне-фтористого натрия и глину является экологически безопасным даже в агрессивных средах при исходном содержании кадмия в гальваническом щламе не более 0,9 % масс.
8. Установлено, что кинетика миграции ионов тяжелых металлов в значительной мере зависит от рецептуры керамического композита и может служить важнейшей характеристикой санитарно-токси-кологической и экологической эффективности строительных материалов, используемых в жилищном и гражданском строительстве.
9 Научно-обоснованный подход к решению экологической проблемы утилизации гальванических шламов позволил разработать технологию утилизации и рецептуру экологически безопасных стеклоке-рамических композитов с добавкой этих отходов.
№ 12 (81)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
декабрь, 2020 г.
Список литературы:
1. Воробьева А.А., Виткалова И.А., Торлова А.С., Пикалов Е.С., Панов Ю.Т. Оптимизация состава шихты для производства строительной керамики с использованием гальванического шлама и стекольного боя // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 47. № 8. С. 93-98.
2. Сухарнникова М.А., Пикалов Е.С. Исследование возможности производства керамического кирпича на основе малопластичной глины с добавлением гальванического шлама. Успехи современного естествознания. 2015. № 10. С.44-47- URL: http://www.natural-sciences. ru/ru/article/viewid=35648.
3. Марьин В.К., Кузнецов Ю.С., Новокрещенова С.Ю. Опыт утилизации промышленных отходов в Пензенской области // Экология и промышленность России. 2005. № 5. С. 28 - 33.
4. Абдрахимов В.З., Колпаков А.В. Инновационные направления использования кальций содержащего нано-техногенного сырья: осадок отхода сточных вод, отхода пыли-уноса асфальтобетонных заводов, шлама от водоочистки воды и гальванического шлама в производстве кирпича // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 8. С. 41 - 46.
5. Сухарникова М.А., Пикалов Е.С. Санитарно-гигиеническая оценка керамического кирпича с добавлением гальванического шлама // Успехи современного естествознания. 2016. № 1-0. С. 31-34 - URL: http://www.nat-ural-sciences.ru/ru/article/view?id=35736
6. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. Федеральный реестр ФР.1.39.2007.03222 // Алексей Кощеев. Просто и доступно о сложном. URL: http://www.koshcheev.ru/wp-content/ uploads/ 2012/07/Petrik-FR-1-39-2007-03222.pdf
7. Валеев Р.Ш. Утилизация шламовых отходов теплоэнергетических централей при производстве строительных материалов / Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев // Экология и промышленность России. - 2010. - № 2. - С. 28-29.
8. Ситтиг, М. Извлечение металлов из неорганических соединений и отходов: Пер. с англ. М.: Металлургия, 2005. — 408 с.
9. Валеев Р.Ш. Рекуперативная технология утилизации шламовых отходов водоподготовки в строительные материалы с использованием пластификатора С-3/ Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 13. - С. 41-45.
