CC BY
19
УДК 544.421.42:536.755
Десятов А.В., Колесников В.А., Почиталкина И.А., Павлищева Т.А.
ПОЛУЧЕНИЕ СУЛЬФАТА НАТРИЯ ПУТЕМ ИЗОГИДРИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛЗАЦИИ ПРИ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ МИНЕРАЛИЗИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД И ОБЕЗВРЕЖИВАНИИ РАСТВОРОВ
Десятов Андрей Викторович - доктор технических наук, профессор кафедры промышленной экологии; avdesyatov@mail.ru ,
Колесников Владимир Александрович - доктор технических наук, заведующий кафедрой технологии неорганических веществ и электрохимических процессов,
Почиталкина Ирина Александровна - доктор технических наук, профессор кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов,
Павлищева Татьяна Александровна - аспирант 2-го года обучения кафедры промышленной экологии, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Сточные воды горнодобывающих предприятий содержат в себе большое количество взвешенных и коллоидных частиц, растворенные соли, а также токсичные соединения тяжелых металлов. Поступление таких сложных многокомпонентных систем в окружающую среду может спровоцировать засоление почв и изменение состава вод, оказывая негативное влияние на экосистему. В статье рассмотрен процесс изогидрической кристаллизация сульфата натрия для уменьшения минерализации обратноосмотического концентрата.
Ключевые слова: сточные воды, обратный осмос, кристаллизация, сульфат натрия.
PRODUCTION OF SODIUM SULPHATE BY ISOHYDRIC CRYSTALLIZATION BY REVERSE OSMOSIS PURIFICATION OF MINERALIZED WASTE WATER AND DESIGNATION OF SOLUTIONS
Desyatov A.V., Kolesnikov V.A., Pochitalkina I.A., Pavlishcheva T.A. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Wastewater from mining enterprises contains a large amount of suspended and colloidal particles, dissolved salts, and toxic compounds of heavy metals. The release of such complex multicomponent systems into the environment can provoke soil salinization and a change in the composition of waters, having a negative impact on the ecosystem. The article discusses the process of isohydric crystallization of sodium sulfate to reduce the mineralization of reverse osmosis concentrate.
Keywords: wastewater, reverse osmosis, crystallization, sodium sulfate.
Введение
Добыча и переработка полезных ископаемых на горнодобывающих предприятиях всегда
сопровождается образованием большого количества отходов разных видов, среди которых особую экологическую опасность представляют сточные воды, имеющие высокую минерализацию и широкий солевой состав.
Поступление таких сложных многокомпонентных систем в окружающую среду может спровоцировать засоление почв и изменение состава вод, оказывая негативное влияние на экосистему. Кроме того, сброс минерализованных сточных вод в поверхностные водоемы может исключить использование последних в промышленных и хозяйственно-бытовых нуждах ввиду их загрязнения.
Похожие проблемы возникают при переработке жидких промышленных отходов, содержащих кислоты, щёлочи, неорганические соли, в том числе 1 и 2 классов опасности. В растворах присутствуют от 50 до 100 кг/м3 солевых компонентов. Кроме того, в процессе переработки жидких отходов используется серная кислота и едкий натр, что приводит после нейтрализации и осаждения к образованию сточных вод с высокой концентрацией минеральных солей, в том числе сульфата натрия
Рост экологической безопасности способствует разработке более эффективных способов очистки минерализованных сточных вод. Существуют различные методы очистки
высокоминерализованных вод, среди которых реагентное осаждение, ионный обмен, а также мембранная технология. Переработка отходов, имеющих ресурсный потенциал, может решить проблему ресурсосбережения и получения вторичного сырья и продуктов для смежных производств [1, 2].
Мембранные методы очистки являются одними из наиболее перспективных способов очистки минерализованных сточных вод.
Обратноосмотическое обессоливание позволяет получить пресную воду, соответствующую экологическим требованиям, и концентрат, из которого с помощью дополнительных операций можно получить дополнительные продукты в виде химического сырья, одним из которых является сульфат натрия. Вторичные продукты направляются потребителю и не требуют складирования, а удаление солей из концентрата снижает экологическую нагрузку при сбросе сточных вод в окружающую среду.
Разработана технология, по которой исходная вода после умягчения, фильтрации на напорных фильтрах и микрофильтрации направляется на обратноосмотические мембраны. Концентрат после обессоливания воды обратным осмосом поступает на изогидрическую кристаллизацию сульфата натрия десятиводного (мирабилита) путем охлаждения до температуры близкой 0°С (рис.1). После центрифугирования пульпы маточный раствор вновь подается на вход в установку обратного осмоса, смешиваясь с исходной водой. Мирабилит направляется на сушку для получения безводного сульфата натрия [3].
Целю настоящего исследования являлось экспериментальное изучение процесса
кристаллизации мирабилита из раствора смеси солей сульфатов, хлоридов, нитратов, гидрокарбонатов натрия с начальной концентрацией сульфата натрия более 100 г/дм3.
исходная вода
"7Гч-
маточный раствор
>
обратный
осмос УОО
концентрат
центрифуга
пульпа
охлаждаемый кристаллизатор
«Е_
Ж
сульфат
натрия
гидрат
>
холодильная машина
ХМ
Рисунок 1 - технологическая схема кристаллизации мирабилита Экспериментальная часть
Раствор объемом 1 дм3, состав которого приведен в таблице 1, охлаждается в морозильной камере до температуры 0 °С.
Таблица 1 - Состав исходного раствора
Состав Концентрация, г/дм3
Na2SO4 117,0045
ша 14,0056
ШШ3 7,0060
NaHCOз 1,0110
Образование кристаллов мирабилита начинается при температуре на урвне10°С. При достижении постоянной электропроводности в температурном диапазоне близком к 0 °С, осадок отфильтровывается. После этого маточный раствор подогревается и измеряется электропроводность маточного раствора по достижению им температуры 25°С.
Масса влажного отфильтрованного осадка составляет 199,7 г, влагосодержание на уровне 20%. Масса прокаленного при 100-150°С сульфата натрия составляет 70,0 г (158,7 г в пересчете на мирабилит). Значения электропроводности раствора до начала проведения эксперимента, после осаждения при 0,9°С и после нагрева маточного раствора до 25°С составляют 98,2, 60,5 и 68,9 мСм/см соответственно. Мольные содержания (Сисх.) и удельные электропроводимости (О) каждой соли представлены в таблице 2.
Исходя из разницы расчетной (115 мСм/см) и измеренной (98 мСм/см) электропроводимостей в исходном растворе, коэффициент учета взаимного влияния ионов принят на уровне 85%. Предполагая, что осадок состоит только из сульфата натрия и воды, электропроводность сульфата натрия в маточном растворе составляет 40,4 мСм/см или 47,5 мСм/см с учетом принятого коэффициента. Исходя из этого, эквивалентная концентрация сульфата натрия в оставшемся растворе - 0,39 М/дм3 или 55 г/дм3, а количество кристаллизовавшегося в виде мирабилита - 62 г.
Таблица 2 - Результаты эксперимента
Компонент Сисх., моль/дм3 Сисх.рассчет., мСм/см С исх.85%, мСм/см Смат. р-ра, мСм/см Смат. р-ра с учетом потерь воды, мСм/см
№28С>4 0,82 81,6 69,4 40,4 36,7
ша 0,24 22,85 19,4 19,4 21,8
N^03 0,082 9,7 8,2 8,2 9,3
№ИСС3 0,012 1,14 0,97 0,97 1,1
I 1,154 115 98 69 69
Однако, с учетом потерь воды и изменения объема раствора (0,89 дм3), эквивалентная концентрация сульфата натрия составляет 36,7 мСм/см или 43,2 мСм/см с учетом принятого коэффициента. Тогда концентрация в маточном растворе составит 0,34 М/л или 48 г/л. При этом
рассчитанное изменение концентрации сульфата натрия равно 69 г, что соизмеримо с полученными экспериментально 70 г. При пересчете на мирабилит, предполагаемый выход составил 156,5 г, что также сопоставимо с экспериментальными 158,7 г.
Оценку возможности изогидрической кристаллизации при обратноосмотическом обессоливании минерализованных сточных вод проводили по вновь разработанной расчетной модели. В разработанной математической модели использованы результаты эксперимента по выделению сульфата натрия из многокомпонентного раствора. С учетом полученных экспериментальных результатов показано, что из 2,5 м3/ч минерализованных сточных вод может быть получено около 450 кг/час безводного сульфата натрия.
Заключение
Проведенные расчетно-экспериментальные
показывают принципиальную возможность получения безводного сульфата натрия путем внутрицикловой изогидрической кристаллизации концентрата после обратноосмотической установки при очистке минерализованных сточных вод. Такой
способ обеспечивает получение пресной воды, а
также определенного количества сырья в виде соли.
Список литературы
1. Десятов А.В., Какуркин Н.П., Казанцева Н.Н., Асеев А.В. и др. Опыт использования мембранных технологий для очистки и опреснения воды. Под ред. А.С.Коротеева, М., Химия, 2008, 240 с.
2. Шуленина З.М., Багров В.В., Десятов А.В., Колесников В.А., Ксенафонтов Б.С. и др. Вода техногенная. Проблемы, технологии, ресурсная ценность. М., «Издательство МГТУ имени Н.Э.Баумана», 2015. 401 с. ISSN 978-5-7038-43222.
3. Десятов А.В., Кручинина Н.Е., Новиков С.В. Глубокая переработка минерализованных шахтных вод с получением кристаллического сульфата натрия / А.В. Десятов / Успехи в химии и химической технологии. ТОМ ХХХ. - 2016. -№9. - С. 97-100.
