CC BY
36
УДК 628.54
С. В. Свергузова, А. А. Внуков, К. И. Шайхиева
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ШЛАМ ХИМВОДОПОДГОТОВКИ КАК РЕАГЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ Fe(III)
Ключевые слова: шлам водоочистки ТЭЦ; термическая модификация; очистка от ионов Fe3+; эффективность очистки.
Исследована возможность использования карбонатсодержащего шлама водоочистки Белгородской ТЭЦ для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Показано, что термическая модификация шлама повышает его реагентную активность. Установлено, что эффективность очистки модельных растворов от ионов Fe3+составляет 98,8%, максимальная скорость гидратирования наблюдается в первые 36 секунд от начала взаимодействия шлама с раствором.
Keywords: TPP purification sludge, thermal modification, purification from Fe3+ ions, purification efficiency.
Was researched the possibility of using water treatment of Belgorod TPP carbonate-containing sludge for purification of waste waters from heavy metals ions. It has been shown that sludge thermal modification increases its reagent ability. Was established, that model solution's purification efficiency from Fe3+ ions is 98,8%, maximum velocity of hydration is observed in the first 36 seconds from the beginning of the reaction between sludge and solution.
Загрязнение окружающей природной среды отходами разнообразных производств - важнейшая экологическая проблема, создающая угрозу для безопасности обитания человека. К одним из опаснейших токсикантов, попадающих в поверхностные водные объекты со сточными водами, относятся соединения тяжелых металлов (ТМ).
Последние оказывают на живые объекты общетоксическое, канцерогенное, тератогенное воздействие, являются клеточными ядами кумулятивного характера, при одновременном присутствии нескольких металлов наблюдается синергический эффект [1]. Поэтому сточные воды, содержащие ТМ, должны подвергаться глубокой очистке.
Для очистки металлсодержащих сточных вод в настоящее время используют различные физико-химические методы: реагентный, сорбционный, ионообменный и другие [2]. Однако применение многих из них затруднено по причине сложности использования, высокой стоимости и дефицита реагентов. Поэтому поиск альтернативных материалов, пригодных к использованию в водоочистке, является актуальной задачей.
В последнее время внимание исследователей в поисках эффективных материалов для очистки сточных вод все больше обращается к природным минералам и отходам промышленных производств. В частности, описаны способы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ) цеолитами, шунги-том, глинистыми породами [3]. Авторами работ [4, 5] для очистки сточных вод от названных поллютантов предложено использовать такие отходы промышленности, как электросталеплавильный шлак, пыль производства строительных материалов. Весьма интересными для удаления ИТМ из водных сред являются отходы деревопереработки [6, 7], сельскохозяйственные отходы [8, 9] и др. Применение для очистки сточных вод разнообразных промышленных и сельскохозяйственных отходов позволяет одновременно решать несколько природоохранных задач: повышать эффективность очистки сточных вод, снижать негативное антропогенное воздействие на водные объекты, улучшать качество поверхностных вод, умень-
шать количество невостребованных промышленных отходов, переводить их в разряд техногенного сырья и возвращать в кругооборот материальных ресурсов.
К одним их отходов, потенциально пригодных к использованию для очистки сточных вод, относится шлам водоочистки Белгородской ТЭЦ. Исходный шлам представляет собой тонкодисперсную систему влажностью 67,5 % с размером частиц до 2,0 мм и содержанием СаСОз 92,9 %. Энергодисперсионный анализ позволил выявить в составе шлама, кроме основной минеральной составляющей (СаСО3), также присутствие магния (1,66 %), алюминия (0,51 %), железа (1,47 %), кремния (1,44 %). СаСО3 образуется в ходе химической реакции при очистке воды в технологическом цикле. Содержание активного СаО в шламе, согласно химическому анализу, составляет 6,4 %.
Для повышения реагентной активности шлам подвергали обжигу в муфельной печи в течении 60 мин при температурах в интервале от 500 до 900 °С. При этом содержание СаО в шламе увеличивалось до 54,1 % (рис. 1).
Из графика, приведенного на рис. 1 видно, что при температуре 900 оС достигается 54 %-ная степень разложения СаСО3, таким образом, данная длительность и температура является недостаточными для обжига шлама ТЭЦ. С целью определения рациональной длительности процесса обжига в эксперименте изменялась длительность температурного воздействия от 60 до 120 мин.
Как показали результаты исследований (рис. 2), длительность обжига 120 мин при температуре 900°С повышает долю разложившегося СаСО3 до 92%.
При добавлении обожженного шлама к дистиллированной воде или растворам, содержащим ионы Рв3+, во всех случаях наблюдалось повышение значений рН среды (рис. 3).
Учитывая, что рН начала гидратообразова-ния для Ре(ОИ)3 составляет рН = 2,3, конца гидрато-образования - рН = 4,1 то очевидно, что при добавлении к раствору обожженного шлама создаются
о
о й о
о и 3
40
20
500
600
700
800
900
1 оС
Рис. 1 - Увеличение содержания СаОакг в шламе в процессе обжига
х1
о4
с
о о Й О
100 1 90 -80 -70 -60 -50
60 70 80 90 100 110 120
Рис. 2 - Увеличение массовой доли разложившегося СаСО3 в течение обжига
14 РН 12 10 8 6 4 2 0
0 0,1
дистиллированная вода Сисх Бе3+ = 5 мг/дм3 Сисх Бе3+ =10 мг/дм3
ность очистки возрастает с увеличением массы добавляемого к модельным растворам шлама ТЭЦ.
Таблица 1 - Зависимость эффективности очистки ог массы добавки шлама
Масса Исходная Конечная Эффектив-
шлама, г концентрация Ре3+, мг/дм3 концентрация Бе3+, мг/дм3 ность очистки, %
0,3 5,0 4,09 18,1
0,4 5,0 3,16 36,8
1,0 5,0 1,89 62,2
2,0 5,0 1,68 66,4
5,0 5,0 0,08 98,3
0,3 10,0 7,97 20,3
0,4 10,0 7,03 29,7
1,0 10,0 3,77 62,3
2,0 10,0 1,76 82,4
5,0 10,0 0,12 98,8
В экспериментах по исследованию кинетических зависимостей начальная концентрация ионов Рв3+ составляла 5 и 10 мг/дм3, навеска шлама была постоянной и составляла 1 г на 100 см3 модельного раствора. Использовалась фракция шлама с размером частиц от 0,063 до 0,2 мм. Температура реакционной среды составляла 20±0,5 °С, длительность взаимодействия модельного раствора с навеской шлама варьировалась от 0,3 до 10 мин. Через заданные промежутки времени суспензия фильтровалась через бумажный фильтр, в фильтрате определяли остаточную концентрацию ионов Ре3+ фотоколориметрическим методом.
Полученные кинетические зависимости (рис. 4) показывают, что, как для раствора с исходной концентрацией исследуемых ионов 5 мг/дм3, так и для раствора с концентрацией 10 мг/дм3 наибольшая скорость взаимодействия наблюдается в первые 36 секунд с момента начала контактирования.
0
т. мин
ш. г
0,5
0,9
Рис. 3 - Повышение рН в дистиллированной воде и растворах. содержащих ионы Ре3+
благоприятные условия для образования малорастворимого осадка Ре(ОИ)3. При исследовании процесса очистки модельных железосодержащих растворов в статических условиях использовались модельные растворы, содержащие 5 и 10 мг/дм3 ионов Ре3+. Исходные значения рН модельных растворов составляли рН = 2,1 при концентрации ионов Ре3+ 5 мг/дм3 и рН = 1,7 при концентрации названных ионов 10 мг/дм3. Перемешивание растворов с добавленным шламом во всех экспериментах продолжалось в течение 10 мин, температура реакционной среды составляла 20 ± 0,5 °С. После добавления к модельному раствору объемом 100 см3 заданной навески шлама, смесь перемешивалась, отфильтровывались через бумажный фильтр, в фильтрате определялась остаточная концентрация ионов Ре3+ фотоколориметрическим методом. Результаты исследований, представленные в табл. 1, показывают, что эффектив-
3 12
14
10
я
о" 8
6
4
2
0
0 18 36 54 72 90 108 126 ♦ Сисх = 5 мг/дм3 ■ Сисх = 10 мг/дм3 " с
Рис. 4 - Зависимость концентрации ионов Ре3+ от времени контактирования модельного раствора с термомодифицированным шламом химводоочи-стки
Средняя скорость реакции за этот промежуток времени составляет 0,2 мг/дм3 для раствора с концентрацией 10 мг/дм3, что в 1,8 раза больше, чем для раствора с концентрацией 5 мг/дм3. Результаты исследований хорошо согласуются с законом действия масс (ЗДМ), в соответствии с которым скорость
реакции тем выше, чем больше концентрации взаимодействующих веществ. В нашем случае скорость взаимодействия в общем виде можно выразить следующим выражением:
где V - скорость взаимодействия, мг/дм3; [Ре +] -концентрация ионов Ре3+, мг/дм3; [Ш] - концентрация частиц термообработанного шлама водоочистки ТЭЦ, мг/дм3.
Таким образом, проведенными исследованиями показана возможность использования термо-модифицированного карбонатсодержащего шлама химводоподготоки в качестве реагента для очистки модельных стоков от ионов Ре(111). Определены оптимальные условия термической обработки шлама и параметры взаимодействия последнего с модельными железосодержащими растворами.
Литература
1. Человек и среда обитания / под. ред. Г.В. Лисичкина и Н.Н. Чернова. - М.: Мир, 2003. - 166 с.
2. Г.Н. Фельдштейн, В.Н. Анапольский, К.Л. Прокопьев, С.В. Олиферчук, А.П. Романенко, Сантехника, отопление, кондиционирование, 12, 44-48 (2006).
3. С.В. Свергузова, М.Ж. Гомес, А.В. Шамшуров, В.Д, Му-хачева, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 4, 164-167 (2014).
4. С.В. Свергузова, Н.Ю. Кирюшина, Г.И. Тарасова, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 4, 133-139 (2010).
5. С.В. Свергузова, Ю.Н. Малахатка, А.В. Шамшуров, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 3, 175-177 (2012).
6. А.И. Багаува, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 11, 49-53 (2010).
7. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 12, 29-42 (2008).
8. И.Г. Шайхиев, Т.А. Прокопенко, С.В. Степанова, Вестник Казанского технологического университета, 8, 6064 (2011).
9. И.Г. Шайхиев, И.Ш. Абдуллин, Э.М. Хасаншина, К.И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 9, 61-64 (2014).
© С. В. Свергузова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; А. В. Внуков - аспирант каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова; К. И. Шайхиева - студентка кафедры Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© S. V. Sverguzova - Dr. sc. techn, professor, head of Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, pe@intbel.ru; A. V. Vnukov- graduated student of industrial ecology cathedra of the same university, K. 1 Shaykhieva -student of Kazan National Research Technological University engineering ecology cathedra.
