Сорбционная очистка сточных вод горнопромышленных предприятий от никеля Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 541.183

СОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ НИКЕЛЯ

Галина Ивановна Пушкарева

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории обогащения полезных ископаемых и технологической экологии, тел. (383)217-02-24, e-mail: galinapush@mail.ru

Таисия Германовна Гаврилова

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистр 2-го года обучения, e-mail: barsolino92@mail.ru

Дарья Михайловна Цицилина

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистр 2-го года обучения, e-mail: dashathith@mail.ru

Исследована возможность использования марганцевых руд Сибири для сорбционного извлечения никеля из сточных вод. Определены оптимальные параметры сорбционного процесса в статическом режиме для удаления никеля до санитарных норм.

Ключевые слова: никель, сточные воды, марганцевые руды, сорбция.

ADSORPTION TECHNIQUE FOR THE REMOVAL OF NICKEL FROM MINE WASTE WATER

Galina I. Pushkareva

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mineral Dressing and Engineering Ecology Laboratory, tel. (383)217-02-24, e-mail: galinapush@mail.ru

Taisia G. Gavrilova

Novosibirsk State Technical University, Aircraft Faculty, Department of Engineering Issues in Ecology, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marx prospect, second year master's student, e-mail: barsolino92@mail.ru

Dar'ya M. Tsitsilina

Novosibirsk State Technical University, Aircraft Faculty, Department of Engineering Issues in Ecology, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marx prospect, second year master's student, e-mail: dashathith@mail.ru

The authors analyze applicability of manganese ore from Siberia to remove nickel from waste water by adsorption. Optimal parameters of adsorption to remove nickel down to health standards in static mode are determined.

Key words: nickel, waste water, manganese ore, adsorption.

Источником сточных вод на горно-обогатительных комбинатах являются сливы обезвоживающих, обесшламливающих, промывочных аппаратов и хво-

сты обогащения. Сточные воды, содержащие ионы никель, формируются при переработке сульфидных медно-никелевых руд и железо-никелевых руд, кон-

-5

центрация никеля в стоках составляет 0,01-74 мг/дм (ПДК никеля в воде -

-5

0,1 мг/дм ).

Известны способы химической и электрохимической очистки воды от растворенного никеля. Такие из них, как ионный обмен, электрокоагуляция, известкование, не позволяют очистить стоки до уровня санитарных норм. Осмос, ультрафильтрация, хотя и обеспечивают большую степень очистки, дороги, малопроизводительны, требуют сложного оборудования и больших производственных площадей. Поэтому сорбционные методы с использованием природных сорбентов все чаще рассматриваются исследователями как доступные, эффективные методы очистки природных и сточных вод.

В работах [1-3] показано, что низкосортные марганцевые руды проявляют высокие окислительные свойства по отношению к ионам поливалентных металлов и некоторым классам органических соединений и сорбционные свойства - по отношению к ионам тяжелых металлов.

Цель настоящей работы - исследование возможности сорбционной очистки сточных вод от никеля с использованием марганцевых руд.

Исследования проводили на модельных растворах, приготовленных на водопроводной воде с добавлением сульфата никеля и на сточной воде металлургического завода. Для исследования были выбраны марганцевые руды двух месторождений Сибири Селезеньского и Усинского. Содержание марганца в руде Селезеньского месторождения, отмытой от глинистых примесей, составляет 21,25%, находится он, в основном, в виде криптомелана К(Мп4+ , Мд2+ )8 016, в котором 81-82% марганца - Мп02. Обогащение руды методом магнитной сепарации позволило повысить содержание марганца до 26,7%. Карбонатная марганцевая руда Усинского месторождения представлена, в основном, родохрозитами (МпС03), содержание марганца - 20,08%. Для разложения карбонатов марганца до оксидов руда была термически обработана при t = 600 °С, содержание марганца увеличилось до 22,23 %.

Химический анализ жидкой фазы выполнялся на атомно-эмиссионном спектрометре, образцов марганцевой руды - на рентгенофлуоресцентном.

На первом этапе исследований была определена область оптимальных значений рН, где сорбционная емкость руды по отношению к никелю максимальная. Оксид марганца имеет ТНЗ в диапазоне 2,8-4,5, поэтому при рН выше 4,5 оксид марганца меняет заряд поверхности на отрицательный, что имеет значение для сорбции катионов. Поэтому представляет интерес исследование влияния рН на эффективность удаления никеля сорбцией на марганцевой руде. На рис. 1 представлены зависимости степени извлечения никеля от рН среды (а) и от расхода сорбента (б) на руде Селезеньского и Усинского месторождений. Области оптимальных значений рН находятся в обратной зависимости. Увеличение расхода сорбента приводит к увеличению степени извлечения, но степень извлечения на руде Усинского месторождений в два раза выше, чем на руде Селезеньского. Это происходит потому, что в составе руды Усинского ме-

сторождения содержится около 30% кальция в виде карбоната, который после прокаливания превращается в оксид и в водной среде создает щелочную среду (рН - 8^8,5), что создает условия для образования гидролизованных ионов ни-

келя.

а

б

Рис. 1. Зависимость степени извлечения ионов никеля от рН среды (а) и массы навески (б) на марганцевой руде: • - Усинского месторождения; ■ - Селезеньского месторождения

Учитывая более высокие сорбционные свойства руды Усинского месторождения, исследование кинетики сорбции и изотермы сорбции проводили на этой руде.

Исследование кинетики сорбции никеля из водных растворов на марганцевой руде проводили в статических условиях методом ограниченного объема. В конические колбы помещали раствор никеля с концентрацией 5 мг/дм в коли-

"5

честве 0,1 дм , добавляли 0,2 г руды крупностью 100 - 200 мкм, перемешивали на магнитных мешалках в течение 20 минут. По полученным данным рассчитывали сорбционную емкость в данный промежуток времени по формуле (1) и строили кинетическую кривую (рис. 2).

где а(Х) - количество сорбированного вещества в момент времени ^ мг/г; Со -начальная концентрация N1 в растворе, мг/дм ; С(:) - концентрация N1 в момент времени ^ мг/дм ; V - объем раствора, дм ; т - масса воздушно-сухого сорбента (руды), г.

Анализ кинетической кривой показывает, что сорбционный процесс характеризуется достаточно высокой сорбционной скоростью; равновесие в системе «раствор-сорбент» устанавливается за 15 минут, что свидетельствует о высоком сродстве к поверхности сорбент. С целью определения лимитирующей стадии процесса сорбции никеля на марганцевой руде экспериментальные данные бы-

ли обработаны по уравнению (2), которое характерно для внешне диффузионных процессов [4-5]:

1п(1 -Р) = -у ^ +с,

(2)

где F - скорость достижения равновесия, рассчитываемая как F = а/аравн (а и

а

равн

- сорбционная емкость руды в момент времени t и в состоянии равновесия,

"5

соответственно, мг/дм ); у и с - постоянные величины для данных условий; t -время, мин.

Рис. 2. Кинетическая кривая сорбции никеля на марганцевой руде

Зависимость -1п(1 - F) от t достаточно точно описывается линейным уравнением, поэтому можно считать, что вклад внешней диффузии в механизм сорбции является значительным.

Данные для построения изотерм получали методом переменных концентраций на модельных растворах с содержанием металла от 1 до 100 мг/дм . Расход руды 0,2г/0,1дм Перемешивание осуществляли в течении 20 минут. Изотерма сорбции построена в виде зависимости между равновесным содержанием металла в сорбенте а, т.е. количеством поглощенного элемента единицей массы сорбента, и равновесной концентрацией его в растворе сравн (рис. 3). По виду изотермы можно отнести ее к изотермам молекулярной сорбции с высоким сродством иона металла к поверхности марганцевой руды. Максимальная сорбционная емкость руды (атах) по отношению к N1 в условиях эксперимента составляет 13 мг/г.

Рис. 3. Изотерма сорбции никеля на марганцевой руде

Для обработки экспериментальных данных, использовали уравнение Фрейндлиха. Постоянные Фрейндлиха находили графоаналитически, представив уравнение в логарифмических координатах в виде прямолинейной зависимости. Результаты расчета констант представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры сорбции

Константы по Фрейндлиху lgK K tga n AG, кДж/моль по Ленгмюру К AG, кДж/моль

Значение 2,669 466,87 1,5457 0,6469 -15,11 2236,84 -18,97

Как следует из табл. 1 полученные значения энергии Гиббса (ДG) отрицательные, что свидетельствует о возможности химического взаимодействии ионов никеля с рудой.

На основе данных, полученных в результате исследований, были выбраны оптимальные условия для очистки стока металлургического комбината. Результаты очистки представлены в табл. 2. Видно, что сорбционные свойства руды Усинского месторождения заметно выше, чем руды Селезеньского месторождения.

Таблица 2

Результаты очистки сточной воды

Марганцевая руда Расход рН Содержание, мг/л

руды среды Al Cu Mn Ni Pb Zn

Сточная вода

— — 2,5 1,1 142,9 0,41 16,9 131,4 13,73

Вода очищенная

Усинское м-е 5 г/л 4,8 0,03 0,12 0,003 0,052 0,28 0,008

Селезеньское м-е 5 г/л 4,8 0,78 115,1 2,55 16,18 114,4 12,52

Выводы

Исследована возможность очистки сточных вод от никеля с использованием марганцевых руд двух месторождений Сибири: Усинского и Селезеньского. Определены оптимальные параметры сорбционного процесса в статическом режиме. Показано, что сорбционные свойства карбонатной руды Усинского месторождения значительно выше, чем руды оксидного типа Селезеньского месторождения. Марганцевая руда Усинского месторождения может быть использована для эффективного извлечения никеля из сточных вод.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бочкарев Г.Р., Пушкарева Г.И., Коваленко К.А. Извлечение мышьяка из природных вод и технологических растворов с использованием природного сорбента и катализатора // ФТПРПИ. - 2010. - № 2. - С. 102-108.

2. Бочкарев Г.Р., Пушкарева Г.И. Коваленко К.А. О сорбционных свойствах марганцевых руд // ФТПРПИ. - 2011. - № 6 - С. 102-108.

3. Бочкарев Г.Р.,Коваленко К.А., Пушкарева Г.И. Исследование сорбции меди на марганцевой руде Порожинского месторождения // ФТПРПИ. - 2015. - № 5 - С. 155-160.

4. Полянский Н.Г., Горбунов Г.В., Полянская Н.Л. Методы исследования ионитов. -М.: Химия, 1976. - 286 с.

5. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко Т.М., Марутовский Р.М., Рода И.Г. Адсорбционная технология очистки сточных вод. - К.: Наук. думка, 1981. - 175 с.

© Г. И. Пушкарева, Т. Г. Гаврилова, Д. М. Цицилина, 2016