CC BY
134
УДК 504.062: 66.040.3
СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ФИЛЬТРОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ОТХОДОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Н.А. Собгайда, доцент, к.х.н., Ю.А. Макарова, аспирантка,
Л.Н. Ольшанская, профессор, д.х.н., Энгельсский технологический институт (филиал) ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет,
г. Энгельс, Россия
Аннотация. Описан способ изготовления фильтров из отходов ткацкой фабрики и сельхозпе-реработки. Изучено влияние температуры на сорбционные свойства изготовленных фильтров ионов тяжелых металлов из сточных вод.
Ключевые слова: очистка воды, сорбенты, влияние температуры.
СОРБЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ФІЛЬТРІВ, ВИГОТОВЛЕНИХ З ВІДХОДІВ АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ
Н.А. Собгайда, доцент, к.х.н., Ю.А. Макарова, аспірантка, Л.М. Ольшанська, професор, д.х.н., Енгельський технологічний інститут (філія) ДОУ ВПО Саратовський державний технічний університет, м. Енгельс, Росія
Анотація. Описанио спосіб виготовлення фильтру з відходів ткацької фабрики та сільгосппе-реробки. Вивчено вплив температури на сорбційні властивості виготовлених фільтрів іонів важких металів зі стічних вод.
Ключові слова: очищення води, сорбенти, вплив температури.
SORBTION PROPERTIES OF FILTERS MADE OF WASTES OF AGROINDUSTRIAL COMPLEX
N. Sobgayda, Associate Professor, Candidate of Chemical Science, U. Makarova, postgraduate student, L. Olshanskaya, Professor, Doctor of Chemical Science, Engels Institute of Technology (branch) Saratov State University, Engels, Russia
Abstract. The way of filter manufacturing from weaving mill and agricultural processing wastes is described. The temperature influence on the sorbtion properties of the produced filters of ions of heavy metals from sewage is studed.
Key words: water treating, sorbents, temperature influence.
Введение
В связи с продолжающимся загрязнением водоемов и ужесточением санитарных и рыбохозяйственных требований, предъявляемых к качеству воды в них, проблема очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов в настоящее время является актуальной. Поэтому решение задач по эффективной очистке сточных вод актуально для предприятий химической промышленности, цветной ме-
таллургии, машиностроения, гальванических и других производств [1].
Из толщи воды тяжелые металлы мигрируют на дно водоема, в поверхностную пленку и населяющие водоем живые организмы. Также тяжелые металлы, особенно кадмий, свинец, ртуть, накапливаются в растениях. Употребление в пищу растений, рыбы и других организмов, потребление загрязненной тяжелыми металлами воды являются глав-
ными источниками проникновения этих загрязнителей в организм человека. Поэтому накопление тяжелых металлов в живой среде вызывает серьезное беспокойство во всем мире [2].
Таким образом, проблема избирательного извлечения ионов металлов актуальна с точки зрения защиты окружающей среды, а также для поиска новых источников минерального сырья.
Анализ публикаций
По данным исследований отечественных и зарубежных ученых, постоянно растет количество водоемов, больших и малых рек в промышленных регионах, где качество воды оценивается как все менее удовлетворительное для всех видов пользования.
Наибольший вклад в загрязнение поверхностных водных объектов вносят машиностроительные предприятия.
Сточные воды гальванических производств составляют от 30 до 50 % общего количества сточных вод, образующихся на предприятиях машиностроения. Средний объем сточных вод, образующихся на одном гальваническом производстве, составляет 600-800 м3/сут.
Ежегодно в окружающую природную среду выбрасывается до 1 км3 токсичных сточных вод, содержащих 50 тыс. т ионов тяжелых металлов, 25-30 % этих стоков попадает в водные бассейны [3].
В настоящее время существует достаточно большое количество способов очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов - реа-гентные, сорбционные, ионообменные и др. [4]. Эти способы имеют свои достоинства, недостатки и сферы использования:
- реагентный метод при относительной простоте имеет большой расход реагента при очистке кислых сточных вод, а также обязательное соблюдение значения реакции среды для более полного осаждения образовавшихся гидрооксидов тяжелых металлов в очищаемых водах; при несоблюдении значений рН среды не достигается требуемая степень очистки;
- эффективность сорбционного метода очистки заключается в том, что он, независимо
от значений рН среды, позволяет извлекать тяжелые металлы из больших объемов сточных вод, при одновременном их обезвреживании. Для сорбционных процессов очистки в статическом режиме актуален поиск новых эффективных сорбентов-осадителей. Для осуществления сорбционной, ионообменной очистки в динамических условиях большое значение имеет оптимизация работы фильтровальных сооружений. В последнее время для повышения эффективности работы фильтров стали применять загрузку из различных искусственных и природных сорбентов: активированные угли, алюмосиликаты, природные цеолиты, глинистые минералы, оксиды и другие [5]. Причем природные минералы более перспективны из-за меньшей стоимости исходного сырья, доступности добычи в местах потребления и появления новых сорбентов.
Важным направлением является изучение возможностей использования отходов того или иного производства для очистки сточных вод. Отходы производств - это относительно недорогой материал, что делает его использование в системе очистки экономически достаточно выгодным. Вместе с тем непрерывное поступление отходов в природную среду приводит к загрязнению почв, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха. Отрицательным фактором является выведение из пользования значительных территорий, занятых санкционированными и несанкционированными свалками. Размещение отходов оказывает негативное воздействие на окружающую среду, поэтому их сокращение является одной из главных целей природоохранной деятельности [6-8].
Цель и постановка задачи
Для извлечения ионов тяжелых металлов предлагается использовать отходы агропромышленного комплекса для изготовления сорбционных материалов с целью их применения для очистки стоков. Известно, что на качество очистки сточных и природных вод оказывают влияние не только характеристики самих сорбционных материалов, но и факторы среды - это и состав загрязненной воды, их рН, и особенно температура стоков.
Целью данной работы является проведение анализа влияния температуры сточных вод на эффективность их очистки от ионов тяже-
лых металлов и последующая регенерация фильтров, изготовленных из отходов агропромышленного комплекса.
Экспериментальные данные
Для изготовления композитных фильтров использовали хлопко-содержащие волокна (ХСВ) - отходы ткацкого производства хлопчатобумажных тканей ООО «НИТКАН» города Энгельса, Саратовской области, которые образуются при процессе ткачества, в момент переплетения нити утка с нитью основы. Эти отходы образуются в количестве
1,5 - 2 тонны в год. Первоначально они складируются на территории предприятия, а затем вывозятся на городскую свалку. За вывоз и хранение отходов предприятие платит немалые средства. При производстве ткани нити предварительно шлихтуются, т.е. обрабатываются специальным раствором шлихты, в состав которой входит: крахмал, каустическая сода, хлорамин. Для удаления ненужных компонентов и увеличения сорбционных свойств пух предварительно термически обрабатывали в муфельной печи, без доступа кислорода в выбранном оптимальном режиме [6] (температура 450 °С, в течение 8 мин.). Помимо термообработанного пуха, для изготовления фильтра использовали целлюлозосодержащие отходы сельхозпереработки -шелуху пшеницы, имеющую пространственно-каркасную структуру. Для формирования пористой структуры и появления сажеграфитовых композиций целлюлозосодержащие отходы подвергали предварительной термообработке в муфельной печи, без доступа кислорода, при температуре 300 °С, в течение 30 мин [7]. На поверхности термообработанных отходов формировался карбони-зованный слой с высокими сорбционными свойствами. Из термообработанных отходов изготавливали трехслойный фильтр, представленный на рис. 1. Для этого в специальный корпус из полимерного материала послойно укладывали сорбенты таким образом, чтобы внешние слои содержали хлопкосодержащие отходы, а внутренний - целлюлозосодержащие отходы - шелуху пшеницы, при следующем соотношении компонентов, масс.%: хлопкосодержащие отходы 20 %; целлюлозосодержащие отходы 80 %. Внешние слои обеспечивали прочный каркас для целлюлозо-содержащих отходов и при фильтрации сточных вод они не уносились с жидкостью.
Емкость для фильтруемой воды
Термообработанные отходы ХСВ Термообработанные целлюлозосодержащие отходы Термообработанные отходы ХСВ
Рис. 1. Композитный фильтр
В качестве сточных вод использовали модельный раствор, содержащий смесь растворов сульфатов ионов тяжелых металлов (ИТМ) кадмия, цинка и свинца с концентрациями по 10-мг/л. Остаточную концентрацию определяли вольтамперометрическим методом на приборе АКВ- 07 МК, изготовленном фирмой «Аквилон». Измерения проводили по аттестованным методикам ПНД Ф 14.1:2:4.69-96 «Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов кадмия, свинца, меди и цинка в питьевых, природных, морских и очищенных сточных водах» методом инверсионной вольтмаперометрии». По конечным (Скон) и начальным (Снач) концентрациям рассчитывали эффективность (Э) очистки модельных сточных вод по формуле:
Э= Снач ~Скон -100%. (1)
Снач
Одним из факторов, влияющих на эффективность очистки, является температура стоков, которая варьируется в природных условиях в зависимости от сезона и климатических особенностей региона. Для изучения влияния температуры были исследованы сорбционные свойства композиционного фильтра при температуре сточных вод, °С: 0, 10, 20, 35 (табл. 1).
Анализ полученных данных показал, что с повышением температуры эффективность очистки сточных вод от ИТМ возрастает. В состав используемых нами сорбентов (термообработанные отходы ХСВ и шелуха пшеницы) входит целлюлоза.
Таблица 1 Зависимость эффективности очистки (Э, %) от ИТМ при различной температуре стоков
(С,,..,,,= 10 мг/л)
Ґ, Кадмий Цинк Свинец
°С С '“'КОИ? Э, Скон, Э, Скон кон Э,
мг/л % мг/л % мг/л %
0 3,1 69 5,3 47 2,3 76
10 2,4 76 2,4 75 2,0 80
20 1,0 89 1,1 88 1,1 89
35 0,8 92 1,0 90 0,5 94
Это природный полимер, элементарные звенья которого (-С6Н10О5-)П соединяются в длинные линейные макромолекулы с помощью глюкозитной связи или кислородного мостика —О—. Характерной особенностью целлюлозы является наличие в каждом элементарном звене трех гидроксильных групп -ОН-. Функциональная гидроксильная группа способна взаимодействовать с ИТМ за счет замещения катионов водородов на катионы металла по схеме:
гДОН+Мег+ +zOH~^ гДОМе+г^О
Следовательно, механизм очистки стоков фильтрами-сорбентами осуществляется не только за счет физической сорбции (адсорбция), но и за счет химических взаимодействий (хемосорбция). Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры раствора на 10 °С скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза. Следовательно, чем выше температура раствора, тем выше скорость диффузии ИТМ к поверхности сорбента и проникновение в глубь пор сорбента, т. е. процессы адсорбции. Так же происходит ускорение химической реакции замещения катионов водорода на катионы металла. Эти факторы и объясняют наблюдаемое повышение эффективности очистки стоков от ИТМ [8].
К сожалению, предлагаемые фильтры имеют предельную сорбционную емкость. После полного насыщения сорбенты необходимо регенерировать для восстановления их сорбционных свойств или утилизировать. Существуют различные способы регенерации: химическая обработка, термическая регенерация, десорбция, осуществляемая перепадом давления, и вытеснительная десорбция. Вы-
бор метода регенерации зависит от природы адсорбата. Чаще используется обработка сорбента растворами щелочей, карбонатов, органическими веществами. В нашем случае для десорбции применялся раствор азотной кислоты (1:1). Обработка отработанного фильтра проводилась в две стадии: непосредственно обработка кислотой и второстепенная стадия - промывка сорбента водой до нейтрального значения рН. На рис. 2 представлены значения остаточной концентрации от числа циклов регенерации.
номер цикла
Рис. 2. Зависимость конечной концентрации ионов от номера цикла очистки после регенерации сорбента
Видно, что для ионов свинца остаточная концентрация близка к нулю до 6-го цикла. Затем наблюдается рост концентрации до величины 2 мг/л. На 9-м цикле сорбент был подвернут процессу регенерации кислотой в течение 12 часов, после чего эффективность очистки возросла в 2 раза. Судя по полученным данным, сорбент относительно ионов свинца проработает еще ~ 5-8 циклов. Для ионов кадмия и цинка предельное значение достигается на 7-м цикле.
Процесс регенерации является экономически невыгодным из-за высокого водопотребле-ния. Отработанные сорбенты необходимо утилизировать, не причиняя вреда окружающей среде. Одним из таких способов является использование отработанных фильтров в качестве наполнителя при производстве кирпича, древесно-стружечных плит, высокона-полненных полимерных материалов, при производстве асфальтобетона и тротуарной плиты. Возможно использовать отработанные сорбенты в качестве разрыхлителя почв,
но в этом случае следует учитывать остаточную концентрацию ИТМ в сорбенте, чтобы избежать повторного загрязнения почвы.
Выводы
В результате проделанной работы было выявлено, что
- фильтр, изготовленный из отходов агропромышленного комплекса, обладает высокой эффективностью по отношению к ионом тяжелых металлов;
- эффективность очистки стоков зависит от температуры. С повышением температуры эффективность очистки от ИТМ возрастает;
- предложенный химический способ регенерации отработанных фильтров-сорбентов позволил проработать фильтрам до 9 циклов.
Литература
1. Игнатов И.И. Снижение экологической
опасности загрязнения поверхностных водоемов ионами тяжелых металлов / И.И. Игнатов, А. А. Безценный, А.В. Бар-жина, Т.П. Нат // Коммунальное хозяйство городов : научно-технический
сборник. - 2006. - №74. - С. 286-288.
2. Volesky В. Continuous-flow metal biosorp-
tion in a regenerable Sargassum column /
B. Volesky, J. Weber, J.M. Park // Water Res. - 2003. - Vol. 37, № 2. - P. 297-306.
3. Нещадин С. В. Исследование химического
состава сточных вод гальванических цехов и участков машиностроительных производств / С. В. Нещадин, Д. А. Кри-вошеин, В.П. Зволинский // Актуальные
проблемы экологии и природопользования. - 2004. - № 5. - С. 142-147.
4. Маслий А.И. Технология извлечения ио-
нов тяжелых металлов из промышленных сточных вод / А.И. Маслий, А.Г. Бе-лобаба, Г.И. Пушкарева, С.А. Бобылева // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2004. -№ 6.- С. 98-103.
5. Katsumata Н. Removal of heavy metals in
rinsing wastewater from plating factory by adsorption with economical viable materials / H. Katsumata, S. Kaneco, K. Inomata // Environ. Manag. - 2003. - Vol. 69, № 2.
- P. 187.
6. Собгайда Н.А. Применение отхода ткацко-
го производства для очистки сточных вод от нефтепродуктов / Н.А. Собгайда // Охрана окружающей среды. Энергосбережение. Сбалансированное природопользование : Междунар. конгресс. Львов 28-29 июня 2009 г. - Львов : Львовский политехнич. ин-т., 2009. -
С. 49-51.
7. Собгайда Н.А. Очистка сточных вод от
ионов тяжелых металлов с помощью сорбентов - отходов деревообрабатывающей и сельскохозяйственной промышленности / Н. А. Собгайда, Л. Н. Ольшанская, Ю.А. Макарова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. -№ 9. - С. 36-39.
8. Даниэльс Ф. Физическая химия / Ф. Дани-
эльс. - М. : Мир, 1978. - С. 1-82.
Рецензент: А.В. Полярус, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 октября 2010 г.
