CC BY
43
ЕКОЛОГ1Я
УДК 504.064.45 DOI: 10.30977/В^.2219-5548.2019.84.0.88
СОРБЦ1ЙН1 ВЛАСТИВОСТ1 МЕТАЛУРГ1ЙНИХ ШЛАК1В
Хоботова Е.Б.1, Грайворонська 1.В.1, 'Харькчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. З метою обгрунтування принциповог можливост1 використання в якост1 сорбенту металург1йного шлаку виробництва сплаву FeNi Побузького ферошкелевого комб1нату, проведено досл1дження м1нерального, елементного 7 рад1онукл1дного складу шлаку. Показано вгдсуттсть токсичних елемент!в, наявшсть у склад7 алюмосилгкатгв кальцгю 7 магнт (мгне-рал д1опсид), наявмсть аморфного стану речовин, в1дпов1дтсть вимогам норм рад1ацтног без-пеки (I клас рад1ацтног небезпечност1), стабтьтсть у р1дкт фаз1. Вивчено сорбщйну актив-шсть шлаку по в1дношенню до оргашчних сполук на приклад7 барвника метиленового синього (МС). Визначено оптимальм умови активацИ шлаку: активуючий агент - розчин 0,5 М H2SO4; температура 20 оС. Величина адсорбцп шлаку за 10 д1б досягае максимального значення 0,194 мг/г, що в1дпов1дае 96,9 % очищення розчину в1д МС за в1дсутност1 його десорбцИ. Шлак прояв-ляе сорбщйну активмсть по в1дношенню до оргашчних сполук за рахунок великог площ1 поверхш й наявност1 аморфног фази 7 може застосовуватися як адсорбент у технолог1чних процесах.
Ключов1 слова: сорбщя, металург1йний шлак, х1м1чний склад, аморфна фаза, величина адсорбцп, активащя, ефективмсть очищення.
Вступ
Скидання вщпрацьованих технолопчних розчишв у водойми зумовлюе забруднення навколишнього середовища i зменшення ре-суршв чисто! прюно! води. Сучасним ефек-тивним способом очищення сичних вод е сорбцшш технологи. Перевагами сорбцшно-го процесу е: висока ефективнють, можли-вють очищення багатокомпонентних спчних вод, забезпечення сталосп сорбцшно! емносп поглинача i можливють його регенерацп, що забезпечуе циктчнють технологи. Економiчна ефективнють сорбцшно! очистки промисло-вих спчних вод вщ забруднювачiв неоргашч-ного й оргашчного походження шдвищуеться у разi використання в якосп сорбентiв приро-дних сполук, дешевих матерiалiв, побiчних продуктiв i вiдходiв виробництва. В остан-ньому випадку одночасно вирiшуеться актуальна проблема комплексного використання i повно! уташзацп промислових вiдходiв.
Аналiз публiкацiй
Природш сорбенти та !х модифiкованi фо-рми можуть використовуватися для очищення спчних вод вiд органiчних забруднювачiв. Морськi й озернi доннi вщкладення можуть використовуватися [1] як сорбенти при очи-щеннi вод вщ органiчних барвникiв з молеку-лярною масою 100-700 г/моль. Ефективнiсть процесу е високою в областi низьких i ульт-ранизьких концентрацiй сорбапв. Термодест-
руктивна модифiкацiя торфу шд дiею мшрох-вильового випромiнювання дозволила [2] отримати гiдрофобний сорбент, рекомендова-ний для очищення вод вщ нафтопродуктiв.
Сорбцiйно-активнi матерiали техногенного походження мають велике значення для промислово! екологп при очищеннi стiчних вод. У багатьох випадках промисловi вщходи за сорбцiйною активнiстю перевищують чис-тi реагенти за рахунок комплексност впливу. Використання вiдходiв як сорбенпв дозволяе одночасно вирiшити двi проблеми: очищення стiчних вод i збшьшення повноти використання мiнеральних ресуршв у разi скорочен-ня обсяпв вiдвалiв. Перспективним напря-мом утатзацп вiдходiв е соактивацiя сумiшi рiзних вiдходiв з дешевим низькосортним природним вугiллям. Отримане активоване вугiлля [3] е ефективним сорбентом сполук важких металiв (ВМ) iз забруднених природ-них i промислових вод.
В основу багатьох технолопчних процешв покладена сорбщя забруднюючих речовин на шлаках рiзного походження. Авторами робо-ти [4] отримано сорбенти на основi Mg-Fe шлакiв, що рекомендованi для очищення стоюв кольорово! металургп. Розроблено [5] композицшний iонообмiнний матерiал на основi гальваношламiв, гранульованих за допомогою органiчних полiмерiв. Ступiнь очищення спчних вод вiд iонiв ВМ розроб-леними сорбентами становить до 87 %.
Реагентами-осаджувачами i сорбентами для очищення стiчних вод можуть служити техногенш вiдходи ТЕС. Наприклад, карбонатами кальщю i магнiю, що утворюються в цехах xiмiчноl водопiдготовки ТЕС, можна як осадити ВМ у виглядi карбонапв, так i сорбувати отриманим осадом iони ВМ [6]. Термiчна модифiкацiя осадiв дозволяе збшь-шити ступiнь очищення стiчних вод вщ iонiв ВМ. Ефективнiсть очищення вщ iонiв Fe3+ становить 99 % [7]. Золи вщ спалювання ву-гiлля також володiють сорбцшними власти-востями [8].
Металургiйнi шлаки найчастше виявля-ють сорбцiйну активнють по вiдношенню до iонiв ВМ. Доменш та сталеплавильнi шлаки i ix модифшаци, отриманi при обробщ демше-ралiзованою водою i розведеним розчином HCl, показали високу сорбцшну активнють по вiдношенню до юшв Cu (II) i Pb (II) [9]. Сталеплавильний шлак запропоновано [10] використовувати для сорбцшно! очистки грунту вщ сорбатiв неорганiчного i оргашч-ного походження.
Перспективними е сорбенти штучного по-ходження. Пористi металоорганiчнi сорбенти з розвиненою поверхнею i щепленими функ-щональними групами е сорбентами барвни-юв i ВМ з рiдкиx i газоподiбниx середовищ [11]. Гiбридний сорбент [12], отриманий iммобiлiзацiею бентонiту в пористу структуру хггозану, мае високу селективнють вилучення цезiю на rai катiонiв лужних i лужноземель-них металiв, пiддаеться рецнркуляци при обробщ розчином HCl i MgCl2. Волокнистi сорбенти на основi сумiшi термопластичних по-лiмерiв [13] можуть використовуватися для збору нафти i нафтопродукпв iз поверxнi води i грунту. Проблема використання промис-лових вiдxодiв в якосп сорбентiв забрудню-вачiв стiчниx вод зводиться до виршення ос-новних завдань: наукове дослiдження xiмiч-ного складу вiдxодiв, виявлення токсичних компоненпв; вивчення структури поверxнi вiдxодiв та ix стабiльностi в рiдкиx фазах; ви-значення величини адсорбцп промислових вiдxодiв за рiзними сполуками. Комплексне виршення цих завдань дозволить зробити рекомендацн щодо практичного використання конкретного промислового вiдxоду в сорбцш-них теxнологiяx.
Мета i постановка завдання
Метою дослщження е обгрунтування принципово! можливостi використання в якостi сорбенту металургшного шлаку виро-
бництва сплаву FeNi ТОВ «Побузький феро-шкелевий комбшат», Укра1на (ПФК), i тд-вищення його сорбцшно! активностi по вщ-ношенню до органiчних сполук.
Методика дослщжень
Зразки шлаку попередньо подрiбнювалися на конуснiй i валковш дробарках. Методами дослiдження були рентгенофазовий, гамма-спектрометричний, спектрофотометричний аналiз i електронно-зондовий мiкроаналiз.
Мiнеральний склад зразкiв шлаку визна-чено рентгенофазовим аналiзом на порошковому дифрактометрi Siemens D500 в мщному випромiнюваннi з графiтовим монохромато-ром. Пошук фаз виконаний за картотекою PDF-1 [14], тсля чого рентгенограми розра-хованi за методом Ритвельда.
Елементний аналiз зразкiв шлаку визна-чено методом електронно-зондового мшроа-налiзу ЕРМА. Локальнiсть аналiзу по глибиш 5 мкм. Вiдхилення у визначенш масових час-ток мiнералiв i елементiв не перевищували 8,5 %. Структура поверхш шлакiв вивчена за допомогою скануючого електронного мшро-скопа JSM-6390 LV.
Гамма-спектрометричний аналiз шлаку виконаний за допомогою сцинтиляцшного гамма-спектрометра СЕГ-001 «АКП-С». По-хибка вимiрювання не перевищувала 25 %.
Сорбцшш властивостi зразкiв шлаку ви-вчалися спектрофотометричним методом за допомогою SPEKOL 11. Концентрацп оргаш-чного барвника - метиленового синього (МС) визначеш з похибкою, яка не перевищують 5 %.
Мiнеральний склад шлаку ПФК
Дифрактограми, якi уточненi за методом Ритвельда, подрiбненого (<2,5 мм) i не по-дрiбненого (> 20 мм) шлаку ПФК подiбнi (рис. 1) i вiдповiдають наявностi фаз: Ca (Mg, Fe, Al) (Si, А1)20б (Diopside aluminian), CaMg(SiO3)2 (Diopside), CaMgSi2O6 (дiопсид, збагачений кальцieм). Рiзновиди дiопсиду вiдносяться до клiнопiроксенiв, як e силша-тами або алюмосилшатами. Структуру дюп-сиду приведено на рис. 2. Силшатш тетраедри об'еднаш у трiйки, при цьому ребро одного тетраедра пов'язане з вершинами двох сусщ-нiх тетраедрiв. Тршки тетраедрiв розташованi у промiжках мiж шарами, що складаються з магшевих октаедрiв (темнiшi) i перекручених кальщевих восьмивершинникiв (свiтлi). Ша-рувата структура дюпсиду може привертати до прояву 1м сорбцiйних властивостей.
Зразки шлаку, сухий i витриманий у водi протягом 1 мюяця, подiбнi один до одного i мiстять одну або кiлька фаз зi структурою дiопсиду. Кожна з катюнних позицiй може мати декшька елементiв. У зразку шлаку, обробленому водою, мiститься 92,4 % дюп-сиду, також виявлено додатковi фази (табл. 1). Наявтсть кварцу i альбiту може бути пов'я-зана з вимиванням поверхневих дисперсних складових у розчин. Маргарит i шли" утво-
рюються при хiмiчнiй взаемодп зразка з водою.
Хвилястий характер обох дифрактограм дозволяе припустити, що у зразках мютиться склоподiбний матерiал. Мшроскотчний ана-лiз вологого зразка виявив наявтсть безбар-вних краплеподiбних аморфних частинок. Наявтсть аморфно1 компоненти зазвичай тдвищуе сорбцiйнi властивостi мiнералiв.
р£кз.рг£: _ Уса1с -Э1с :
1 *
м II N1
''..... ;
Рис. 1. Дифрактограми фракцiй шлаку ПФК, мм: а - > 20; б - <2,5; в - <2,5 i витриманого у водi
б
а
в
Рис. 2. Структура дюпсиду: моноклшна реши-ка, С2/с; а=9,750; Ь=8,926; с=5,251 А; в=105,90°
Таблиця 1 — Додатков1 мшеральш фази фракцп шлаку ПФК <2,5 мм, що витриманий у вод1
Назва 1 формула мшералу
Вм1ст у зразку, %
Структура мшералу
Параметры кристал1чно! решгтки
Кварц SiO2
3,1
Тригональна, Р3221, а=4,8915; с=5,3885; 7=120°
Альб1т NaAlSiзO8
1,9
Триклинна, С-1; а=8,137; 6=12,787; с=7,157 А; а=94,245; в=116,605; у=87,809°
Маргарит
Са0,88^,12АЫ^2,12А11,88010) (ОН)2
1,8
Моноклинна, Сс; а=5,108
(1); 6=8,844
(2); с=19,1560 (30); а=90; р=95,48 (2); у=90°
1лл1т KAl4Si2O9(OH)з
0,9
Моноклинна, С2/с; а=5,223; 6=9,018; с=20,143 А; р=95,66°
Головний мшерал шлаку - дюпсид - до-зволяе розрахувати показники його кислот-но-основних властивостей: модул1 кислотно-ст (Мк) { основност (Мо), яю, вщповщно, р1вш вщносинам сум масових часток кислих (БЮ2 - 56 %) { основних оксид1в (СаО + +MgО = 26 % + 18 %) { навпаки. Згщно з результатами розрахунку модул1в: Мк = 1,27 { Мо = = 0,70, шлак вщноситься до кислих. Кисл1 розплави зазвичай тверднуть з утво-ренням скла. В даному випадку це шдтвер-джувалося дифрактограмами { мшрофото-граф1ями, на яких добре видно склофазу { рщюсш пори на поверхш неподр1бненого зразка (рис. 3, а).
Елементний склад шлаку ПФК
Результати електронно-зондового мшроа-нал1зу (табл. 2) добре узгоджуються з мше-ральним складом шлаку. Визначення елемен-тного складу шлаку повинно було виявити наявшсть токсичних елеменпв. Виявлеш ва-жю метали: Мп, Сг , Бе, Т1.
Застосування сорбенпв повинно бути безпечним з позицш вщсутност вилугову-вання з нього токсичних сполук та юшв важ-ких метал1в за тривало! фшьтраци води. З щею метою проведено витримку шлаку в вод1 протягом 1 мюяця.
Рис. 3. Мкрофотографи зразюв шлаку ПФК, активованих: а - водою; б - розчином 0,5 М H2SO4; в - розчином 1 М №0Н. Збшьшення: а - 5000; б, в - 1000
Таблиця 2 - Елементний склад фракцш шлаку ПФК
Таблиця 3 - Вплив шлаку ПФК на юнний склад води
в
Х1м1чний елемент
О
Mg
А1
Si
С1
К
Са
Т1
Сг
Мп
Бе
Sг
Масова частка елементу, %
Фракщя
>20 мм
63,94
0,57
3,50
444
17,28
0,07
0 06
0,18
638
0,11
0 23
0 19
3,05
<2,5 мм
52,60
0,00
3,15
895
18,01
0,10
0,24
8 76
0,15
0 65
0 40
7,00
1он
Масова концентращя, мг/дм3
контрольний зразок води
вода шсля витримки шлаку
С1"
23,6
18,7
so4-
58,2
45,3
N0-
1,8
0,7
К+
5,6
2,9
37,8
34,7
Mg
_2+
1 54
2 1
Sг
.2+
<0,5
<0,5
Са
.2+
3,5
138
рН
6,65
8,15
Я
Р
Пор1вняння результат анал1зу контрольного зразка води { шсля занурення шлаку наведено в табл. 3.
Шлаки на основ1 мшералу дюпсиду в р1з-нш м1р1 сорбують анюни { катюни лужних метал1в. Разом з тим з1 шлаку в незначнш м1р1 вилуговуються катюни магнш { каль-цш. Пщлуговування води шсля витримки шлаку 1мов1рно можна пояснити переходом в розчин силжат-юшв, тобто паралельно про-тжае розчинення катюшв та анюшв дюпси-ду. Не зареестровано розчинення сполук Сг, Тк Бе { Мп.
Радiонуклiдний склад шлаку ПФК
Фактором небезпеки, який вимагае попе-реднього вивчення, е радiоактивнiсть сорбенту, оскшьки шлаки концентрують у собi природнi радiонуклiди. Гамма-спектромет-ричним методом визначено питомi активнос-тi природних радiонуклiдiв 40К, 226Ra, 232Th i питома ефективна активнiсть шлаку Сеф. роз-рахована за формулою [15]
Сеф.= CRa +1,31-cTh + 0,085 • CK.
Величина ефективно! питомо! активностi фракцiй шлаку коливаеться в iнтервалi 116— 120 Бк / кг, що вщповщае I класу радiацшно! небезпеки [15].
Сорбцшна активнiсть шлаку ПФК по вщношенню до органiчних барвник1в при рiзних видах хiмiчноl активацп
Ранiше було показано [16, 17], що шлак ПФК проявляе сорбцшну активнiсть по вщ-ношенню до оргашчних сполук. Наявнiсть сорбцiйних характеристик може пояснюва-тися як шаруватою структурою дiопсиду, так i наявшстю аморфно! фази. Сорбцiя шлаком молекул оргашчних барвниюв, найiмовiрнi-ше, пов'язана з поверхневою сорбцiйною активнiстю аморфно! речовини. Проникнен-ня великих оргашчних молекул у мiжшару-ватий прос^р мiнералу менш iмовiрне. Од-нак аморфна фаза становить меншу масову частину шлаку. Тому для збшьшення площi поверхнi шлаку за рахунок його розпушення i пiдвищення сорбцшно! активностi викорис-товувалася попередня хiмiчна активацiя шлаку в розчинах кислот i лугу NaOH за рiз-них температур. Спiввiдношення маси шлаку i об'ему розчину, що активуе, дорiвнюе 5 г : 20 мл. Час витримки 1 доба при t = 20 ° С i 2 год при на^ванш вище 20 ° С.
Сорбщю проводили у статичних умовах. Сшввщношення маси шлаку i об'ему розчину МС концентрацп С = 0,01 г/л 5 г: 100 мл. Часу витримки - 3 доби достатньо для вста-новлення обмшно! рiвноваги при сорбцп ор-ганiчно! речовини на сорбент неорганiчно! природи. Результати експерименту наведеш в табл. 4. Величину адсорбцп шлаку (а) роз-раховували за формулою
(С - С2) V
а = —1-2-,мг/г,
т
де С1 i С2 - вiдповiдно концентрацi! сорбату МС до i пiсля сорбцi!, мг / л; V - об'ем розчину, л; т - маса сорбенту, г.
Таблиця 4 - Величина адсорбцп МС шлаком ПФК при рiзних видах хiмiчноl активацп. Почат-кова концентращя МС С=0,01 г/л
Хiмiчний активуючий агент t оС Ефектившсть вилучення МС з розчину, % а шлаку, мг/г
1 М HCl 72 0,144
1 М HNO3 72 0,144
0,005 М H2SO4 61 0,122
0,025 М H2SO4 20 62 0,124
0,05 М H2SO4 67 0,134
0,125 М H2SO4 68 0,136
0,25 М H2SO4 69 0,138
0,5 М H2SO4 77 0,154
40 51 0,102
0,5 М H2SO4 50 39 0,078
60 40 0,08
7080 44 0,088
20 61 0,122
40 44 0,088
1 М NaOH 50 47 0,092
60 48 0,096
7080 70 0,14
20 54 0,108
40 56 0,112
H2O 50 49 0,098
60 41 0,082
7080 46 0,092
H2O (пар) 100 55 0,110
Кислотна активащя шлаку як адсорбенту МС бшьш ефективна, нiж лужна або обробка водою (табл. 4). Максимальна а й ефектившсть вилучення МС з рiдко! фази досягають-ся у разi попередньо! активацi! в розчинi 0,5 М Н^04. Збiльшення концентрацi! кислоти викликае зайву витрату реактиву, а змен-шення - знижуе емнiсть шлаку.
Ефектившсть активацi! шлаку залежить вщ температури. При воднiй активацi! а й ефектившсть вилучення МС змшюються у незначнш мiрi, розкид значень у межах 27 %. Максимальна активащя досягаеться при 40 оС, однак збшьшення а становить лише 3,7 % у порiвняннi зi значенням при 20 оС. Обробка парою тривалютю 1 год також не-доцiльна; при цьому а = 0,11 мг/г, тобто бли-зька до тако! при 20 оС. Структура шлаку за високо! температури стае пилоподiбною, що не сприяе використанню адсорбенту у водо-постачанш.
При кислотнш та лужнiй активаци залеж-нiсть а шлаку вщ температури мае екстрема-льний характер. Мшмум а спостерiгаеться в температурному штервалк 50-60 оС при активаци 0,5 М H2SO4; 40-50 °С при активацi! 1 М №ОН. Таким чином, найбiльш доцшь-ною е хiмiчна кислотна активащя шлаку за температури 20 °С.
Мiкроскопiчнi дослiдження (рис. 4) показали, що структура поверхнi шлаку вiдрiзня-еться при рiзних видах хiмiчно! активацi!. Бiльшою мiрою поверхня шлаку розпушу-еться при обробщ в розчинах H2SO4 (рис. 4, б) i NaOH (рис. 4, в) i практично не змшю-еться при обробцi водою (рис. 4, а). Сорбцш-на актившсть шлаку безпосередньо залежить вiд розпушення поверхнi: чим бiльше площа поверхш, тим бiльше а сорбенту. Пюля акти-вацi! зареестрованi кристали полiфракцiйно-го складу. Агрегати кристалiв мають призма-тичну i шарувату форму з максимальним ро-змiром до декшькох мкм.
Активацiя хiмiчними агентами викликае реагування i розчинення рiзних компонентiв шлаку. Спостерiгаються аморфнi утворення гелю силшатно! кислоти з розмитими межами, що е результатом гiдролiзу хiмiчно акти-вних аморфних силiкатiв шлаку.
Змiнюеться оксидний склад шлаюв при рiзних видах хiмiчно! активацi!, розрахова-ний за результатами мшрорентгешвського аналiзу. Будь-який вид хiмiчного впливу призводить до вилуговування зi шлаку спо-лук алюмiнiю, кремшю i магнiю. Кислотна i лужна активаци шлаку зменшують вмют ма-гнiю i залiза. Вплив сульфатно! кислоти викликае розчинення сполук калда i марганцю, а №ОН - розчинення кремнезему SiO2. Су-марш втрати масових частин даних елемен-тiв порядку: 5,78 % в кислому середовищi i 11,52 % - у лужному.
Для визначення максимально! а шлаку проводили сорбщю МС протягом 20 дiб у статичних умовах. Сшввщношення шлак: розчин МС = 5 г : 100 мл розчину 0,01 г/л МС. Протягом 10 дiб досягаеться а = 0,194 мг/г, що вщповщае 96,9 % очищення.
Ефектившсть сорбцi! пiдтверджуеться практичною вщсутшстю десорбцi! МС зi шлаку тсля мiсячно! його витримки в дисти-льованiй водi. У даних умовах МС десорбу-вався у воду зi встановленням концентрацi! 0,0003 г/л, що вщповщае зменшенню емностi шлаку на 5,56 %. Це свщчить про протшання сорбцi! з утворенням досить мiцних зв'язкiв.
Висновки
Визначено елементний, мшеральний та радiонуклiдний склад шлаку ПФК. Основним мшералом шлаку е дiопсид у рiзних модиф> кацiях. Показано вiдсутнiсть токсичних еле-ментiв. Доведено стабiльнiсть шлаку в рщких середовищах. Вперше визначено принципову можливiсть використання шлаку ПФК як адсорбенту при очищенш вод у результат ная-вностi в його складi аморфних сполук.
Експериментально визначено оптимальнi умови активацiï шлакового сорбенту за раху-нок збшьшення площi поверхнi його части-нок i вмiсту аморфноï фази. Визначено мак-симальну величину адсорбцiï МС у статичних умовах. Доведено практичну вщсутшсть десорбцiï органiчного сорбату.
Перевагами використання металургшного шлаку в сорбщйних технологiях очищення вод е виршення екологiчних проблем про-мислових регюшв при одночасному скоро-ченш обсягiв шлакових вiдвалiв i економи водних ресурсiв. Для розробки практичних рекомендацiй з використання шлаку у водо-пiдготовцi як сорбенту необхщна перевiрка його сорбцiйних властивостей по вщношен-ню до iнших речовин i вивчення умов шд-вищення ефективностi сорбцiï.
Лiтература
1. Ставицкая С. С. Сорбционное извлечение орга-
нических загрязнителей различной молекулярной массы донными осадками и глинистыми сорбентами / С. С. Ставицкая, В. М. Ви-карчук, Н. Н. Цыба, Н. Т. Картель, О. Н. Бака-линская // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2006. - № 6. - С. 58-63.
2. Баннова Е. А. Изучение способа получения гидрофобного сорбента на основе модифицированного торфа / Е. А. Баннова, Н. К. Китае-ва, С. М. Мерков, М. В. Мучкина, Е. П. Залоз-ная, П. Н. Мартынов // Сорбционные и хрома-тографические процессы. - 2013. - Т. 13, № 1. - С. 60-68.
3. Bhatnagar A. A comparative adsorption study with
different industrial wastes as adsorbents for the removal of cationic dyes from water / А. Bhatnagar, А. К. Jain // J. Coll. Interface Sci. -2005. - Vol. 281, Iss. 1. - P. 49-55.
4. Зосин А. П. Адсорбенты на основе магнезиаль-
но-железистых шлаков цветной металлургии для очистки технологических стоков от катионов цветных металлов / А. П. Зосин, Т. И. Приймак, Л. Б. Кошкина, В. А. Маслобоев // Вестник МГТУ. - 2008. - Т. 11, № 3. - С. 502505.
5. Тиньгаева Е. А. Гальваношламы - сырье для получения неорганических ионообменных материалов / Е. А. Тиньгаева, М. В. Зильберман
// Экология и промышленность России. - 2005. - № 11. - C. 17-18.
6. Лупейко Т. Г. Глубокая очистка водных растворов от хрома(Ш) техногенным карбонатсо-держащим отходом / Т. Г. Лупейко, М. О. Горбунова, Е. М. Баян // Журнал прикладной химии. - 2001. - Т. 74, Вып. 10. -С. 1648-1650.
7. Свергузова С. В. Модифицированный шлам химводоподготовки как реагент для очистки сточных вод от ионов Fe(III) / С. В. Свергузова, А. А. Внуков, К. И. Шайхиева // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т. 17, № 22. - С. 226-228.
8. Герасимова Л. Г. Утилизация твердых отходов
производства с получением пигментов и других неорганических материалов / Л. Г. Герасимова, А. И. Николаев // Экология промышленного производства. - 2007. - № 2. - С. 3443.
9. Blahova L. Influence of the slags treatment on the heavy metals binding / L. Blahova, Z. Navratilov, M. Mucha, E. Navratilova, V. Nedela // J. Environ. Sci. Technol. - 2018. -Vol. 15, Is_4. - Р. 697-706.
10. Cha W. Evaluation of steel slag for organic and inorganic removals in soil aquifer treatment / W. Cha, J. Kim, H. Choi // Water Research. - 2006. -Vol. 40, Is. 5. - Р. 1034-1042.
11. Augustus E. N. Metal-organic Frameworks as Novel Adsorbents: A Preview / E. N. Augustus, A. Nimibofa, I. A. Kesiye, W. Donbebe // American J. of Environmental Protection. - 2017. -Vol. 5, Is. 2. - P. 61-67.
12. Wang К. Hybrid porous magnetic bentonite-chitosan beads for selective removal of radioactive cesium in water / К. Wang, Н. Ma, S. Pu, C. Yan, M. Wang, J. Yu, X. Wang, W. Chu, A. Zin-chenko // J. of Hazardous Materials. - 2019. -Vol. 362, N 1. - P. 160-169.
13. Отмахов В. И. Технологическая линия по производству полимерного волокнистого сорбента для очистки водных объектов от нефти и нефтепродуктов / В. И. Отмахов, Д. А. Фи-лоненко, Г. Г. Волокитин // Экология промышленного производства. - 2007. - № 2. -С. 74-77.
14. JCPDS PDF-1 File. International Committee for Diffraction Data, release 1994. PA, USA.
15. Нормы радиационной безопасности Украины (НРБУ-97) и основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизированных излучений. К. 1998. 159 с.
16. Хоботова Э. Б. Оценка возможности использования шлака при производстве ферроникеля для очистки сточных вод / Э. Б. Хоботова, И. В. Грайворонская, В. В. Даценко, В. Н. Ба-умер // Химия и технология воды. - 2011. -Т. 33, № 4. - С. 443-450.
17. Грайворонская И. В. Эколого-химическая оценка сорбционных свойств металлургиче-
ских шлаков / И. В. Грайворонская, Э. Б. Хо-ботова // Экология и промышленность России. - 2012. - № 5. - С. 31-35.
References
1. Stavickaya, S. S., Vikarchuk, V. M., Cyba, N. N., Kartel', N. T., Bakalinskaya, O. N. (2006) Sorbtsionnoe izvlechenie organicheskih zagrya-zniteley razlichnoy molekulyarnoy massyi donnyimi osadkami i glinistyimi sorbentami [Sorption extraction of organic pollutants of various molecular weights by bottom sediments and clay sorbents]. Ehkotekhnologii i resursosbere-zhenie - Ecotechnologies and resource, 6, 58-63 [in Russian].
2. Bannova, E. A., Kitaeva, N. K., Merkov, S. M., Muchkina, M. V., Zaloznaya, E. P., Martynov, P. N. (2013) Izuchenie sposoba polucheniya gidro-fobnogo sorbenta na osnove modifitsirovannogo torfa [The study of the method of obtaining a hydrophobic sorbent based on modified peat]. Sorbcionnye i hromatograficheskie processy -Sorption and chromatographic processes, 13 (1), 60-68 [in Russian].
3. Bhatnagar, A., Jain, А. К. (2005) A comparative adsorption study with different industrial wastes as adsorbents for the removal of cationic dyes from water. J. Coll. Interface Sci, 281 (1), 49-55. DOI org/10.1016/j.jcis.2004.08.076 [in English].
4. Zosin, A. P., Prijmak, T. I., Koshkina, L. B., Masloboev, V. A. (2008) Adsorbentyi na osnove magnezialno-zhelezistyih shlakov tsvetnoy metal-lurgii dlya ochistki tehnologicheskih stokov ot ka-tionov tsvetnyih metallov [Adsorbents based on magnesian-ferrous slags of non-ferrous metallurgy for cleaning process effluent from non-ferrous metal cations]. Vestnik MGTU - Bulletin of Moscow State Technical University, 11 (3), 502-505 [in Russian].
5. Tin'gaeva, E. A., Zil'berman, M. V. (2005) Gal-vanoshlamyi - syire dlya polucheniya neor-ganicheskih ionoobmennyih materialov [Galvanic sludge - raw materials for the production of inorganic ion-exchange materials]. Ehkologiya i promyshlennost' Rossii - Ecology and Industry of Russia, (11), 17-18 [in Russian].
6. Lupejko, T. G., Gorbunova, M. O., Bayan, E. M.
(2001) Glubokaya ochistka vodnyih rastvorov ot hroma(III) tehnogennyim karbonatsoderzhaschim othodom [Deep cleaning of aqueous solutions of chromium (III) with technogenic carbonate-containing waste]. Zhurnal prikladnoj himii -Journal of Applied Chemistry, 74 (10), 16481650 [in Russian].
7. Sverguzova, S. V., Vnukov, A. A., Shaj-hieva, K. I. (2014) Modifitsirovannyiy shlam himvodopodgotovki kak reagent dlya ochistki stochnyih vod ot ionov Fe(III) [Modified chemical water treatment sludge as a reagent for wastewater treatment from Fe (III) ions]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta -
Bulletin of Kazan Technological University, 17 (22), 226-228 [in Russian].
8. Gerasimova, L. G., Nikolaev, A. I. (2007) Utili-zatsiya tverdyih othodov proizvodstva s polu-cheniem pigmentov i drugih neorganicheskih ma-terialov [Utilization of solid waste from the production of pigments and other inorganic materials]. Ehkologiya promyshlennogo proizvodstva -Ecology of industrial production, (2), 34-43 [in Russian].
9. Blahova, L., Navratilov, Z., Much,a M., Navratilo-
va, E., Nedela, V. (2018) Influence of the slags treatment on the heavy metals binding. J. Environ. Sci. Technol., 15 (4), 697-706. DOI org/10.1007/s13762-017-1437-5 [in English].
10. Cha, W., Kim, J., Choi, H. (2006) Evaluation of steel slag for organic and inorganic removals in soil aquifer treatment. Water Research., 40 (5), 1034-1042. DOI org/10.1016/j.watres.2005.12.039 [in English].
11. Augustus, E. N., Nimibofa, A., Kesiye, I. A., Donbebe, W. (2017) Metal-organic Frameworks as Novel Adsorbents: A Preview. American J. of Environmental Protection, 5 (2), 61-67. DOI org/: 10.12691/env-5-2-5 [in English].
12. Wang, K., Ma, H., Pu, S., Yan, C., Wang, M., Yu, J., Wang, X., Chu, W., Zinchenko, A. (2019) Hybrid porous magnetic bentonite-chitosan beads for selective removal of radioactive cesium in water. J. of Hazardous Materials, 362 (1), 160-169. DOI org/10.1016/j.jhazmat.2018.08.067 [in English].
13. Otmahov, V. I., Filonenko, D. A., Volokitin, G. G. (2007) Tehnologicheskaya liniya po proizvod-stvu polimernogo voloknistogo sorbenta dlya ochistki vodnyih ob'ektov ot nefti i nefteproduk-tov [Technological line for the production of polymeric fiber sorbent for the purification of water bodies from oil and oil products]. Ehkologiya promyshlennogo proizvodstva - Ecology of industrial production, (2), 74-77 [in Russian].
14. JCPDS PDF-1 File (1994). International Committee for Diffraction Data. PA, USA [in English].
15. (1998) The radiation safety standards of Ukraine (RSSU-97) and the basic sanitary rules for working with radioactive substances and other sources of ionized radiation. K. 159 [in Russian].
16. Hobotova, Eh. B., Grajvoronskaya, I. V., Dacen-ko, V. V., Baumer, V. N. (2011) Otsenka vozmozhnosti ispolzovaniya shlaka pri proizvod-stve ferronikelya dlya ochistki stochnyih vod [Evaluation of the possibility of using slag in the production of ferronickel for wastewater treatment]. Himiya i tekhnologiya vody - Journal of Water Chemistry and Technology, 33 (4), 443450 [in Russian].
17. Grajvoronskaya, I. V., Hobotova, Eh. B. (2012) Ekologo-himicheskaya otsenka sorbtsionnyih svoystv metallurgicheskih shlakov [Ecological and chemical assessment of the sorption properties of metallurgical slags]. Ehkologiya i
promyshlennost' Rossii - Ecology and Industry of
Russia, (5), 31-35 [in Russian].
Хоботова Елша Борис1вна, д.х.н., проф., Харюв-ський нацюнальний автомобшьно-дорожнш унь верситет, м. Харюв, вул. Ярослава Мудрого, 25, тел. (057)7073652, [email protected] Грайворонська 1нна Валерпвна, к.т.н., доц., Харювський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, м. Харюв, вул. Ярослава Мудрого, 25,
тел. (057)7073652, [email protected]
Sorption properties of metallurgical slags Hobotova E., Hrajvoronskaya I., KhNAHU
Abstract. Problem. The modern effective way of sewage treatment is sorption technology. The advantages of the sorption process are: high efficiency, the ability to clean multicomponent sewage, ensuring the stability of the absorption capacity of the sorbent and the possibility of its regeneration, ensuring the technology cycle. The economic efficiency of the sorption purification of industrial waste water from pollutants of inorganic and organic origin increases when natural compounds, cheap materials, byproducts and waste products are used as sorbents. An urgent problem of integrated use and complete utilization of industrial waste is solved simultaneously. Goal. In order to substantiate the fundamental possibility of use as a sorbent of metallurgical slag for the FeNi alloy production of the Pobuzhsky Fer-ronickel Plant (PFP), mineral, elemental, and radionuclide composition of slag was conducted. Methodology. The methods of the study were X-ray diffraction, gamma-spectrometry, spectrophotometric analysis and electron-probe microanalysis. Results. The absence of toxic elements in metallurgical slag of PFP, the presence of calcium and magnesium alumi-nosilicates (mineral diopside), the presence of amorphous substances, compliance with the requirements of radiation safety standards (Class I of radiation hazard), and stability in the liquid phase are shown. The sorption activity of slag in relation to organic compounds on the basis of methylene blue dye (MB) was studied. The optimal conditions for the activation of slag are determined: the active agent is a solution of 0.5 M H2SO4; temperature 20 oC. The amount of adsorption of slag in 10 days reaches a maximum of 0.194 mg/g, which corresponds to 96.9 % purification of the solution from the MB. Originality. The fundamental possibility of using PFP slag as a sorbent in relation to organic compounds due to the large surface area and the presence of an amorphous phase is determined. The practical absence of desorption of organic sorbate has been proved. Practical value. Slag of PFP can be used as an adsorbent in technological processes. The advantages of its practical use are solving environmental problems of industrial regions while reducing the volumes of slag dumps and saving water resources.
Key words: sorption, metallurgical slag, chemical composition, amorphous phase, adsorption value, activation, purification efficiency.
Сорбционные свойства металлургических шлаков
Хоботова Э.Б., Грайворонская И.В., ХНАДУ
Аннотация. С целью обоснования принципиальной возможности использования в качестве сорбента металлургического шлака производства сплава FeNi Побужского ферроникелевого комбината, проведены исследования минерального, элементного и радионуклидного состава шлака. Показано отсутствие токсичных элементов, наличие в составе алюмосиликатов кальция и магния (минерал диопсид), присутствие аморфного состояния веществ, соответствие требованиям норм радиационной безопасности (I класс радиационной опасности), стабильность в жид-
кой фазе. Изучена сорбционная активность шлака по отношению к органическим соединениям на примере красителя метиленового синего (МС). Определены оптимальные условия активации шлака: активирующий агент - раствор 0,5 М H2SO4, температура 20 °С. Величина адсорбции шлака за 10 суток достигает максимального значения 0,194 мг/г, что соответствует 96,9 % очистки раствора от МС при отсутствии его десорбции. Шлак проявляет сорбционную активность по отношению к органическим соединениям за счет большой площади поверхности и присутствия аморфной фазы и может применяться как адсорбент в технологических процессах.
Ключевые слова: сорбция, металлургический шлак, химический состав, аморфная фаза, величина адсорбции, активация, эффективность очистки.
