Очистка сточных вод от ионов хрома (VI) бентонитовой глиной в присутствии коагулянтов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

г -- - ,

где D - число дней в году,

Fсм - время смены.

Как правило, типовые агрегаты ХТО работают в непрерывном режиме, следовательно, суточный расход составляет порядка 1488 м3/час. Годовой расход газа, с учетом коэффициента использования оборудования Кз= 0,8 и КПД сжигания газа п = 05, составляет:

Qг атм=62*24*365*0.5*0.8=217248 м3.

Среднестатистический агрегат химико-термической обработки потребляет на горение порядка 100 м3/час. Годовой расход составляет

Qг.гор. = Q*F*Кз,

Qг. Гор.=100*24*365*0,8= 700800 м3.

Получение тепла при утилизации отработанных печных газов приводит к значительному экономическому эффекту:

р = О£:атм:*100% ^ Q г.гор.

р = 217248*ШО% = 31% 700800

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решение проблемы создания энергосберегающих нагревательных установок связано с решением задач в области энергосбережения и экологической безопасности.

1 При применении вторичной технологии потребления газа на горение энергопотребление снижается на 31%.

2 Применение вторичной технологии уменьшает выброс парниковых газов в атмосферу.

Список литературы

1 Патент - СССР № 827928. Печь для химико-термической

обработки / П.П. Емельянов; А.Л. Малых, Курганское проектно-конструкторское бюро Министерство автомобильной промышленности СССР; Заяв. 14.06 1979; Опубл. 05.07.1981, Бюл. № 17.

2 Хрестоматия энергосбережения / под ред. В. Г. Лисиенко.

- М. : Теплотехник, 2005. - 688 с.

УДК 628.316.12:546.76

Д.Н. Камаев, Л.В. Мосталыгина, С.Н. Елизарова Курганский государственный университет

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ХРОМА (VI) БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНОЙ В ПРИСУТСТВИИ КОАГУЛЯНТОВ

Аннотация. В статье рассматривается комбинированный метод очистки сточных вод гальванического производства от ионов хрома шестивалентного (на модельных растворах) путем предварительного перевода его в трехвалентное состояние и добавления к исследуемому раствору бентонитовой глины и хлорида железа (III) в соотношении 1:4000. Ионы железа (III) после очистки в растворе не обнаруживаются.

Ключевые слова: бентонитовая глина; коагуля-ционный метод; сорбция; комбинированный метод очистки; ионы хрома (VI).

Kamaev D.N., Mostalygina L.V., Elizarova S.N. Kurgan State University

SEWAGE TREATMENT FOR CHROMIUM ION (VI) WITH BENTONITIC CLAY AND COAGULATORS

Abstract. The article deals with the questions of using a composite method of treating plating industry sewage for chromium ion (VI) by means of transforming it to chromium ion (III) and adding bentonite clay and ferric chloride (III) in relation 1:4000. Iron ions are not found in the solution after the treatment.

Keywords: bentonite clay; coagulation method; sorption; composite method of sewage treatment, chromium ion (VI).

ВВЕДЕНИЕ

Гальваническое производство является основным источником загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов, которые представляют опасность для биосферы и в частности для природных вод, в связи с чем очистка природных водных ресурсов от их содержания стала особо острой проблемой [1].

Главным поставщиком ионов тяжелых металлов являются промывные воды. Объем сточных вод из-за несовершенного способа промывки деталей достаточно большой и требует значительного расхода (2-3,3 м3 на 1 м2 поверхности детали) воды. Это приводит к снижению эффективности работы очистных сооружений и, как следствие, к попаданию сверхнормативного количества токсичных ионов тяжелых металлов в окружающую среду.

Одним из составных компонентов загрязнения являются соединения шестивалентного хрома, которые являются сильнейшими окислителями и способны вызывать тяжелые поражения даже при кратковременном воздействии. Сточные воды, содержащие шестивалентный хром, образуются на машиностроительных и металлообрабатывающих предприятиях во время травления, пассивации, электрополировки стальных изделий, где основным компонентом технологического процесса является хромовая кислота. Общий сток гальванических цехов большинства промышленных предприятий содержит от 10 до 500 мг/л хроматов [2-4]. В отдельных случаях при залповых сбросах содержание хрома достигает 1000 мг/л, в то время как предельно допустимая концентрация шестивалентного хрома составляет 0,05 мг/л!

Наиболее распространенный метод очистки сточных вод от ионов хрома (VI) основан на восстановлении шестивалентного хрома (на первом этапе) до трехвалентного с последующим осаждением ионов хрома (III) в виде гидроксида (реагентный метод). Однако, как показывает практика, такой метод не всегда дает удовлетворительные результаты [5].

По данным различных исследований, бентонитовые глины являются эффективными адсорбентами

ионов различных металлов и находят широкое применение в этом качестве. На основании этого мы провели исследования для разработки комбинированного метода очистки сточных вод гальванического производства от ионов хрома с использованием бентонитовой глины.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве сорбента применяли бентонитовую глину Зырянского месторождения. Нативную и активированную глину получали на предприятии ОАО «Бентонит» (г. Курган). Активация глины проводилась с применением в качестве активатора твердой кальцинированной соды. Глину предварительно измельчали и высушивали при температуре 105 ± 5°C в сушильном шкафу в течение 4 часов. Затем растирали до мелкодисперсного состояния. Для анализа брали навеску глины 0,5000 г в расчете на 50 мл исследуемого модельного раствора. Навески взвешивались на аналитических весах GR-200 (A&D Япония).

Исходный раствор сульфата хрома (III) с концентрацией 0,1 мг/мл готовили по навеске. 0,24049 г Cr2(SO4)36H2O растворяли в небольшом количестве дистиллированной воды и доводили водой до метки в колбе вместимостью 500 мл. Точную концентрацию ионов хрома (III) в растворе определяли титриметри-ческим методом по реакции замещения с йодидом калия. Выделившийся йод титровали раствором тиосульфата натрия. Растворы с меньшей концентрацией ионов хрома (III) готовили методом последовательного разбавления. Определение содержания трехвалентного хрома в модельном растворе до и после очистки проводили фотометрически по реакции с дифе-нилкарбазидом после предварительного окисления его до ионов Cr(VI) [6]. Метод основан на окислении ди-фенилкарбазида хромом (VI) в сернокислой среде до окрашенного в красно-фиолетовый цвет соединения, в котором хром находится в восстановленной форме в виде Cr^, а дифенилкарбазид окислен до дифенил-карбазола. Оптическую плотность полученного раствора измеряли на спектрофотометре SPEKOL 1300 (Analytik Jena AG Германия). Влияние бентонитовой глины на концентрацию ионов хрома (III) в модельном растворе изучали для исходных концентраций иона металла: 0,025 мг/мл; 0,05 мг/мл; 0,1 мг/мл; 0,15 мг/мл; 0,2 мг/мл; 0,25 мг/мл; 0,5 мг/мл. В конические колбы помещали 0,5000 г глины и 50 мл модельного раствора. Колбы закрывали пробками и встряхивали в течение 3 часов на встряхивателе. После отделения глины центрифугированием определяли остаточную (равновесную) концентрацию ионов хрома (III) в модельном растворе.

Для очистки растворов использовали коагулянты -сульфат алюминия Al2(SO)4 и хлорид железа FeCl3. Поскольку кислотность исходных растворов не соответствовала рабочему диапазону действия коагулянтов, значения рН доводили до 5,56 и после вводили коагулянт. Величину рН контролировали с помощью прибора «Эксперт-001».

Для подбора оптимального количества коагулян-

та в конические колбы помещали навеску массой 0,5000 г, содержащую глину и коагулянт в количестве 1 мг, 0,5 мг, 0,25 мг, 0,125 мг (в пересчете на алюминий или железо) так, чтобы соотношение по массе коагулянта к глине составляло 1:500; 1:1000; 1:2000; 1:4000. Затем вносили 50 мл модельного раствора и встряхивали в течение 3 часов, после чего определяли остаточное содержание ионов хрома (III), железа (III) и алюминия в модельном растворе.

Метод определения алюминия основан на количественной экстракции гидроксихинолята алюминия хлороформом в слабокислой среде (рН 4,35-4,5). Хлороформный слой окрашивается в желто-зеленый цвет. Ионы железа (III) определяли фотометрически по реакции с сульфосалициловой кислотой.

Зависимости времени оседания суспензии бентонитовой глины от количества прибавленного коагулянта изучали по стандартной методике [7].

Аналогичные исследования проводили на модельных растворах хроматов с предварительным восстановлением их до соединений хрома трехвалентного.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Степень очистки модельных растворов неактивированной глиной по мере увеличения концентрации ионов хрома (III) уменьшалась от 96% до 38% (таблица 1).

Остаточная концентрация ионов хрома (III) в растворе после очистки во всех случаях превышает ПДК (ПДК по ионам хрома для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 0,5 мг/л).

Активация глины позволила незначительно улучшить ее сорбционные свойства за счет замещения ионов кальция и магния в обменном комплексе глины на ионы натрия, более склонные к ионному обмену [8; 9], в результате чего концентрация ионов хрома в растворе после очистки существенно не уменьшилась (таблица 2).

В качестве возможного коагулянта мы рассматривали сульфат алюминия. Массовое соотношение ионов алюминия к глине менялось от 1:500 до 1:4000. В растворе контролировали рН.

Полученные данные представлены в таблице 3 и на рисунке 1.

Таблица 1 - Результаты очистки модельного раствора от ионов хрома (III) неактивированной (нативной) бентонитовой глиной Зырянского месторождения

Концентрация ионов хрома (III) до очистки, мг/мл Остаточная концентрация ионов хрома (III) после очистки, мг/мл Сорбция, мг/г Степень очистки, %

0,024 0,0009 ± 0,0001 2,31 ± 0,02 96

0,048 0,011 ± 0,002 3,6 ± 0,2 77

0,103 0,040 ± 0,001 6,2 ± 0,1 61

0,146 0,080 ± 0,006 6,6 ± 0,4 45

0,211 0,12 ± 0,01 9 ± 1 43

0,258 0,099 ± 0,005 15,8 ± 0,5 62

0,481 0,30 ± 0,02 18,5 ± 0,7 38

Таблица 2 - Результаты очистки модельного раствора от ионов хрома активированной бентонитовой глиной Зырянского месторождения

Концентрация ионов хрома (III) до очистки, мг/мл Остаточная концентрация хрома (III) после очистки, мг/мл Сорбция, мг/г Степень очистки, %

0,103 0,032 ± 0,002 6,53 69

0,211 0,112 ± 0,007 9,90 47

Таблица 3 - Результаты очистки модельного раствора от ионов хрома (III) смесью коагулянт (Al2(SO4)3) и глины

Массовое соотношение ионов Содержание ионов хрома (III) в растворе, мг/мл Содержание ионов алюминия в растворе, мкг/мл а О « н о Л Сорбция ионов хрома (III), мг/г Степень очистки т ионов хрома (III), о/ %

Al к глине до очистки после очистки до очистки после очистки Я а

1:500 0,018 ± 0,001 200 5 ± 1 4,0 8,45 82

1:1000 0,103 0,013 ± 0,001 100 0,8 ± 0,1 4,2 8,98 88

1:2000 0,011 ± 0,001 50 0,46 ± ,07 4,4 9,11 89

1:4000 0,008 ± 0,001 20 0,26 ± ,07 4,6 9,43 92

ЕЗ Нач. конц. ионов хрома □ Конц. ионов хрома после очистки

Рисунок 1 - Влияние состава сорбента на степень очистки модельного раствора от ионов хрома (III) (массовое соотношение ионов алюминия к бентонитовой глине равно 1:100; 1:1000; 1:2000; 1:4000)

С уменьшением количества вводимого в растворы сульфата алюминия степень очистки увеличивается с 82 до 92%. Это, возможно, связано с разбавлением коагулянта и усилением гидролиза соли по катиону, а значит, большая часть соли алюминия может участвовать в процессе очистки. Для первых двух систем ПДК превышено (ПДК алюминия для воды водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования питьевой воды составляет 0,2 мг/л), при массовом соотношении алюминий к глине равном 1:2000 и 1:4000 ПДК не было превышено. Таким образом, условия очистки хромовых растворов коагулянтами подобраны. Преимущества использования сульфата алюминия в том, что на станциях водоочистки в качестве коагулянта уже используются соли алюминия, и введение дополнительного количества глины к уже имеющемуся реактиву сделает задачу очистки более простой.

При использовании в качестве коагулянта хлорида железа очистку растворов коагулянтом и бентони-

товой глиной проводили при различных соотношениях ионов железа (III) и глины.

Результаты эксперимента по использованию комбинированного метода представлены в таблице 4 и на рисунке 2. При ведении хлорида железа (III) в различных массовых соотношениях степень очистки увеличивается от 83 % (соотношение 1:500) до 94 % (1:4000). При уменьшении количества коагулянта гидролиз хлорида железа (III) усиливается и, как следствие, увеличивается степень очистки растворов. После очистки исследуемого раствора ионы железа III не обнаружены (ПДКРв для хозяйственно-питьевого водоснабжения равно 0,3 мг/л).

Проведенное исследование показало, что применение комбинированного метода с использованием солей железа (III) и алюминия можно рекомендовать в комплексе с реагентным методом очистки от ионов хрома (III), а также как самостоятельный метод очистки при сравнительно низких концентрациях ионов хрома (III) в сточной воде.

Таблица 4 - Результаты очистки модельного раствора от ионов хрома (III) смесью коагулянт (FeCl3) и глины

Массовое соотношение ионов Fe(III) к глине Содержание ионов Cr(III) в растворе, мг/мл Содержание ионов Fe(III) в растворе, мкг/мл рН раствора Сорбция ионов Cr(III), мг/г Степень очистки от ионов Cr(III), о/ %

до очистки после очистки до очистки после очистки

1:500 0,103 0,018 ± 0,002 200 0 3,5 8,5 83

1:1000 0,01 1± 0,001 100 0 4,2 9,2 90

1:2000 0,00 9± 0,002 50 0 4,7 9,4 92

1:4000 0,007 ± 0,001 20 0 4,9 9,6 94

0,12

П JS "Ь s

<я

s

о а

и

а о s о

S

к

S

в

<я а н

я

«

S

о а

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

0

ЕЭ Нач. конц. ионов хрома □ Конц. ионов хрома после очистки

Рисунок 2 - Влияние состава сорбента на степень очистки модельного раствора от ионов хрома (III) (массовое соотношение ион железа (III) к бентонитовой глина равно 1:100; 1:1000; 1:2000; 1:4000)

Известно, что после применения реагентного метода очистки и осаждения Cr(OH)3 сточные воды имеют рН 8-10, возникает необходимость в нейтрализации очищенных сточных вод. При применении же двухступенчатой очистки необходимость нейтрализации отпадает, поскольку введение смеси глины и соли металла приводит к снижению величины рН до необходимых величин.

Таким образом, максимальная очистка от ионов хрома (III) достигается с использованием бентонитовой глины и хлорида железа (III) в качестве коагулянта в массовом соотношении коагулянта к глине 1:4000 (степень очистки 94%). Меньшая степень очистки фиксировалась при использовании комбинации сульфата алюминия и глины.

Выводы

1 Применение комбинированного метода с использованием бентонитовой глины в качестве сорбента и хлорида железа (III) или сульфата алюминия в качестве коагулянтов обеспечивает степень очистки модельных растворов от ионов трехвалентного хрома до 92% и 94% (для солей алюминия и железа). Для тех же концентраций исходного раствора соли (0,103 мг/мл) глина дает результаты хуже в 1,5 раза.

2 Ионы железа после очистки в растворе не обнаруживаются, тогда как при введении соли алюминия в растворе после очистки исследуемыми методами фиксируются остаточные концентрации данного иона от 5 до 0,26 мкг/мл, в ряде случаев превышающие

ПДКА|.

3 Оптимальным массовым соотношением металл коагулянта к глине в обоих случаях является 1:4000.

4 Наиболее эффективным методом очистки растворов от ионов хрома (III) является комбинирован-

ный метод с использованием бентонитовой глины и хлорида железа (III) (соотношение по массе ион железа (III) к глине составляет 1:4000).

Список литературы

1 Гоушко Я. М. Ядовитые металлы и их неорганические

соединения в промышленных сточных водах. - М. : Медицина, 1972. - 176 с.

2 Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных

сточных вод - М. : Химия, 1984. - 448 с.

3 Бучило Э. М. Очистка сточных травильных и гальвани-

ческих отделений - М. : Металлургия, 1974. - 200 с.

4 Виноградов С. С. Экологически безопасное гальваническое

производство. - М. : Глобус,1998. - 302 с.

5 Квасников Е. И., Серпокрылов Н. С. Биологическая очистка

хромсодержащих сточных вод. - Киев : Наукова думка, 1990. - 112 с.

6 Природоохранные нормативные документы федератив-

ные 14.1;2.52-96 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов хрома в природных и сточных водах «Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов хрома в природных и сточных водах фотометрическим методом с применением дифенилкарбазида».