CC BY
68
УДК 66.962; 628.345.1
Кузин Е. Н., Визен Н. С., Чернышев П. И.
ПОЛУЧЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МАГНИЕВЫХ КОАГУЛЯНТОВ ИЗ ОТХОДОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ВЫСОКИМ ПОКАЗАТЕЛЕМ PH
Визен Наталья Сергеевна - обучающийся кафедры промышленной экологии Чернышев Павел Игоревич - аспирант кафедры промышленной экологии Кузин Евгений Николаевич - к.т.н., заведующий лабораторией промышленной экологии. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20. e.n.kuzin@mail.ru
Утилизация отходов производства с получением новых реагентов для водоочистки - актуальная задача. В процессе исследования получены данные по процессам производства нового вида коагулянта на основе соединений титана и магния. Исследованы реакции взаимодействия основных компонентов отходов, образующиеся продукты реакции и эффективность полученных реагентов. Получен образец модифицированного магниевого коагулянта. Доказана высокая эффективность коагулянтов при очистке сточных вод с высоким уровнем рН.
Ключевые слова: брусит, хлорид титана, водоочистка
PRODUCTION OF MODIFIED MAGNESIUM COAGULANT FROM WASTE FOR WATER TREATMENT SYSTEM WITH HIGH LEVEL PH
Kuzin E. N., Vizen N. S., Chernishev P. I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Utilization of waste with obtaining new reagents for water treatment is an urgent task. During the research, data were obtained on the production processes of a new type of coagulant based on titanium and magnesium compounds. The interaction reactions of the main components of the waste, the reaction products formed and the efficiency of the obtained reagents were studied. Sample of modified magnesium coagulant were obtained. The high efficiency of coagulants in wastewater treatment with a high pH level was proved. Keywords: Brusit, Titanium tetrachloride, Water treatment
Процессы очистки промышленных стоков -сложная и интересная задача. Развитие промышленности способствует увеличению потребляемых ресурсов, но при этом увеличивается антропогенное воздействие на окружающую среду. Сброс неочищенных сточных вод, значительно отличающихся по своим физическим свойствам и химическому составу, приводит к значительной нагрузке на природные системы (реки).
Очистка сточных вод физико-химическими методами основополагающий процесс на любых очистных сооружениях. На сегодняшний день в процессах водоочистки используют 2 типа коагулянтов: Для сточных вод с показателем рН от 6,0 до 8,0 используют соединения алюминия, а для рН 3,0- 6,0 и 8,0 - 10,0 используют соединения железа. Ни один из приведенных реагентов не работает при повышении рН выше 10,0 из-за высокой растворимости гидроксидов металлов, ввиду чего для очистки таких сточных вод применяют процесс нейтрализации (в основном серной кислотой) с последующей обработкой алюминий или железосодержащим реагентом.
Несмотря на то, что коагулянты на основе соединений алюминия и железа в процессе гидролиза могут значительно снижать рН
очищаемой воды, в случае, когда рН превышает 10,0 этого недостаточно.
Одним из возможных вариантов является получение коагулянтов с ярко выраженными кислотными свойствами. Наиболее ярким примером может служить алюмокремниевый коагулянт-флокулянт, получаемый их отходов апатит-нефелиновой флотации. Растворы коагулянта имеют рН 1,5 - 2,0 [1]. Также в качестве возможных реагентов могут быть использованы растворы хлорида титана, обладающие, по мнению ряда авторов, коагуляционными свойствами [2,3]. Существуют данные по эффективности использования коагулянтов на основе соединений магния при рН более 10,0 [4,5].
Учитывая, что технологии переработки отходов производства, могут значительно снижать антропогенную нагрузку на регион, актуальной задачей является использование в качестве сырья различных отходов.
В качестве исходного сырья были исследованы растворы хлорида титана, полученные в процессе переработки лейкоксенового концентрата Ярегского нефте-титанового месторождения. Лейкоксеновый концентрат (до 50 % ТЮ2 [6]) добываемый в процессе нефтедобычи не нашел широкого применения в промышленности (за
исключением ЗАО «Ситтек») и в настоящее время складируется на специальном полигоне. Запасы чернового лейкоксенового концентрата исчисляются миллионами тонн. В качестве щелочного компонента был выбран брусит - побочный продукта производства огнеупорных материалов, на АО «Огнеупоры» (Свердловская область г. Богдановичск).
В растворы хлорида титана различной концентрации вводили стехеометрические навески брусита и оценивали эффективность протекания реакции нейтрализации. Время обработки брусита хлоридом титана составляло 30 минут. Процесс нейтрализации протекал согласно реакциям 1 и 2.
TiCl4 + H2O = Ti(OH)4 + 4 HCl (1)
HCl + Mg(OH)2 = MgCl2 + H2O
(2)
В процессе обработки брусита растворами хлорида титана различной концентрации (10-25-40 %) степень превращения исходных компонентов в хлорид магния превышала 90 %, при этом в растворе, согласно данным экспресс анализа [7], сохранились частично гидролизованные соединения титана в форме ^С14 и Т^ОН)4 (без выпадения аморфного ТЮ2). Данное явление, вероятно, обусловлено тем фактом, что часть хлорида титана реагировала с бруситом по реакции ионного обмена, а не гидролиза (реакция 3).
ЖЛ4 + 2 Mg(OH)2 - Т^ОН)4 + 2Mga2 (3)
Наиболее эффективно процесс образования модифицированного коагулянта протекал при использовании 40 % хлорида титана, реакция протекала с незначительным нагревом и завершалась в течение 15 - 20 минут.
Основная составляющая нерастворимого осадка представляла собой золь диоксида титана, образованного в результате гидролиза хлорида титана, а также инертные фракции, присутствующие в бруситовом сырье (до 30 % от массы брусита). Общее содержание нерастворимой фракции в пересчете на полученный объем коагулянта не превышало 10 %. Вероятно данные инертные компоненты смогут оказать положительный эффект на процесс очистки (зародышеобразователи) [8].
Полученную в процессе реакции смесь хлорида магния и соединений титана использовали в качестве коагулянта. Для сравнения эффективности и определения роли соединений титана в процессе коагуляции в качестве образца сравнения был использован чистый хлорид магния.
В качестве объекта исследования была выбрана сточная вода цементного производства г. Электросталь. Исследуемый образец имел щелочную реакцию среды (рН 12,6) и высокое содержание взвешенных веществ ~ 2,1 г/л, цветность 120 град. Время отстаивания обработанной воды составляло 30 минут.
Эффективность протекания процесса коагуляции с использованием модифицированного магниевого коагулянта представлены на рисунках 1 и 2. Оценку эффективности протекания процесса
проводили по показателям мутности и цветности, определяемым фотоколориметрическим в
соответствии с существующей нормативной документацией.
Мутность Цветность
m
Доза коагулянта мл/л
Рисунок 1. Эффективность очистки при использовании модифицированного коагулянта
Мутность
Доза коагулянта мл/л
Рисунок 2. Эффективность очистки при использовании хлорида магния
Из данных диаграмм 1 и 2 видно, что при использовании комплексного реагента
эффективность очистки была значительно выше, и достигала 98 - 99 %. Остаточные концентрации взвешенных веществ не превышали 25 - 30 мг/л, а показатель цветности 20 град.
Значения рН очищенной воды при использовании модифицированного магниевого коагулянта находились в пределах 6,5 - 7,5, в то время как при использовании хлорида магния рН превышала 10,5.
При использовании чистого хлорида магния эффективность очистки была примерно на 20 - 30 % ниже, чем при использовании комплексного реагента. Традиционные коагулянты на основе
соединений алюминия (Al2(SO4)3) и железа (FeCl3) не показали достаточной эффективности (< 25 %).
Повышенная эффективность комплексного коагулянта по сравнению с чистым хлоридом магния может быть объяснена коагуляционным действием хлорида магния, в сочетании с эффектами полимеризации растворимых соединений титана. Коллоидные соединения титана (Ti(OH)4 и TiO2), образующиеся в процессе гидролиза, выступали в качестве флокулянта и замутнителя, тем самым интенсифицируя процесс коагуляции [8-11].
Также в процессе эксперимента, было отмечено, что при использовании
модифицированного магниевого коагулянта,
образующиеся хлопья, были очень легкими и не оседали на дно, а всплывали. Данное явление может быть эффективно использовано в процессах флотационной очистки данного типа сточных вод.
Из полученных в результате эксперимента данных, можно сделать вывод, о возможности использования комплексных реагентов для очистки сточных вод с высокими показателями рН (например, сернисто-щелочных стоков
нефтедобывающей или цементной
промышленности). Доказано проявление
синергетического эффекта при использовании комплексного реагента.
Необходимо отметить, что при производстве модифицированного магниевого коагулянта решается вопрос частичной утилизации многотонажных отходов нефтедобычи (Ярегские нефтетитановые пески) и процессов производства огнеупорных материалов (брусит), а учитывая характер сырья, получаемый реагент будет иметь пониженную стоимость.
Список литературы
1. Кручинина Н.Е., Кузин Е.Н. Получение отвержденных форм алюмокремниевого коагулянта и их использование в процессах водоочистки и водоподготовки// Цветные металлы. - 2016. - N 10. -С.8-13.
2. Кручинина Н.Е., Кузин Е.Н., Азопков С.В., Чечиков И.А, Петрухин Д.Ю. Модификация титанового коагулянта сульфатным способом. Экология и промышленность России. 2017;21(2):24-27.
3. Кручинина Н.Е., Кузин Е.Н. и др. Алюмо-титановый коагулянт - новое направление в процессах водоподготовки// 25-27 сентября 2016 г.: материалы конференции. Сборник статей «Химия и инженерная экология» КНИТУ КАИ. - Казань -2016. - С.193 - 197.
4. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. учеб. для вузов - Л.: Химия, 1977. С. 102-103.
5. Гаязова Э. Ш., Шайхиев И. Г. , Фридланд С.В. и др. Исследование сульфата магния для очистки сточных вод производства целлюлозы из рапса // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №9. - С. 159-161.
6. Швецова И. В. Минералогия лейкоксена Ярегского месторождения Л: Наука, 1975. 125 с.
7. Крешков А.П. Основы аналитической химии, том 1, Теоретические основы. Качественный анализ - М.: Химия - 1970. - 472 с.
8. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка: Учебн. пособие для вузов. Москва: Издательство МГУ, 1996. 680 с
9. Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов. Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. С.131 - 133.
10. Измайлова Н.Л., Лоренцсон А.В. Исследование гидролиза разбавленных водных растворов Тi0S04•2Н20 и TiCl4 и электроповерхностных свойств образующихся продуктов// Тезисы VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев -2012» -СПб: Издательство Соло, 2012. - С. 205 - 207.
11. Чернобережский Ю.М., Минеев Д.Ю., Дягилева А.Б., Лоренцсон А.В. Исследование механизмов взаимодействия продуктов гидролиза титанил сульфата с сульфатным лигнином / // Коллоид. журн.-2002.-Т.2,№ 64.-С.257-262.
