CC BY
19УДК 628.34
Кузьмицкая О.О.
магистрант кафедры геоэкологии Санкт-Петербургский горный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
Исаков А.Е.
к. т. н, доцент кафедры геоэкологии Санкт-Петербургский горный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
СПОСОБ ГРАНУЛИРОВАНИЯ БЕЛИТОВОГО ШЛАМА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ НИКЕЛЯ
Аннотация: целью исследования являлось улучшение физико-химических свойств сорбента на основе белитового шлама. В качестве объекта исследования были выбраны отходы ЗАО «БазэлЦемент-Пикалево». Методом влажной грануляции были получены гранулы на основе белитового шлама с добавлением различных связующих - бентонитовой глины, вендской глины и жидкого стекла. Результаты проведенного исследования показали, что эффективными связующими являются бентонитовая глина, вендская глина и жидкое стекло. Эффективность очистки модельного раствора от ионов никеля гранулами с добавлением вендской и бентонитовой глин составила более 99,5 %, с добавлением жидкого стекла - 80,5 %. На основе изучения свойств гранулированного белитового шлама была подтверждена возможность его использования в качестве сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.
Ключевые слова: белитовый шлам, отходы, грануляция, сорбент, очистка сточных
вод.
В алюминиевой промышленности России 1/3 часть глинозема производится путем переработки нефелинов. На предприятии ЗАО
«БазэлЦемент-Пикалево», расположенном в Ленинградской области, ежегодно перерабатывается 1,5-1,6 млн т нефелинового концентрата [1]. Основным отходом, образующимся при комплексной переработке нефелинового сырья, является белитовый (нефелиновый) шлам - твердый остаток после выщелачивания известняково-нефелинового спека. При производстве 1 т глинозема образуется порядка 6,2 т нефелинового шлама, традиционным путем использования которого является получение портландцемента (до 10 т на 1 т глинозема) путем спекания его с известняком. Поскольку переработка всего объема нефелинового шлама на портландцемент экономически нецелесообразна, большая его часть направляется на шламоотвал, площадь которого по данным предприятия к концу 2015 г составила 142 га [2].
Шламовое поле предприятия способно оказывать существенное влияние на экологическую обстановку в области своего расположения. Белитовый шлам содержит в своем составе до 55 % оксида кальция, что обуславливает его высокий уровень рН. Попадая с атмосферными осадками в почвенный слой, щелочь повышает в нем уровень рН и оказывает неблагоприятное воздействие на биоценоз. Из почвы щелочь уносится грунтовыми водами в близлежащие водоемы и может изменять их кислотность. Помимо этого, шламоотвал занимает большую площадь земли, препятствуя рациональному землепользованию, требует дополнительных расходов на эксплуатацию и вносит вклад регулярную оплату за загрязнение прилегающих территорий [3].
Сегодня проблема утилизации белитового шлама остается нерешенной. Предлагаются различные варианты его использования в составе строительных растворов и бетонов, огнеупорных материалов, пигментов, в дорожном строительстве и известковании почв [4]. Перспективным направлением в области утилизации шламов является использование их в качестве сорбентов. Согласно мировому опыту, сорбционная очистка промышленных вод является самым перспективным и экономически выгодным способом глубокой очистки вод, а масштаб применения сорбентов определяется их ценой [5].
Имеются данные о высоких сорбционных способностях белитового шлама. В статье «Исследование возможности применения белитового шлама для очистки сточных вод от ионов никеля» А.Е. Исакова описана серия экспериментов, показывающая высокую эффективность очистки воды белитовым шламом от ионов меди и никеля в статических условиях. Однако в промышленных условиях важны возможности автоматизации и обеспечения непрерывности технологических операций, поэтому сорбционные процессы обычно реализуются в динамических условиях. Влажный белитовый шлам в уплотненном состоянии имеет свойство конденсироваться в цельный влагоустойчивый материал [6], что будет препятствовать прохождению вод в сорбционной колонне. Другая проблема использования нефелинового шлама состоит в трудности транспортировки и перегрузки порошковидных и пылеобразных материалов, поскольку значительное их количество уносится воздушными потоками, загрязняя окружающую территорию.
Проблема уплотнения белитового шлама может быть решена укрупнением его частиц методом влажной грануляции. Для проведения лабораторных исследований был использован белитовый шлам с территории ЗАО «БазэлЦемент-Пикалево». В качестве связующих компонентов шихты были выбраны бентонитовая глина (содержит монтмориллонит), вендская глина (содержит алеврит) и жидкое стекло (силикат натрия). Выбранные глины обладают высокой адсорбционной способностью и низкой стоимостью [7, 8]. Помимо вышеперечисленных материалов были предприняты попытки использования в качестве связующих известняка (патент РФ № 94008742 «Способ гранулирования мелкодисперсных материалов») и 10 %-го раствора сульфата натрия (патент РФ № 2527469 «Способ окомкования кальцийсодержащих шламов и/или порошково-пылевидных материалов»), однако полученные результаты оказались неудовлетворительными и в дальнейших исследованиях не участвовали.
При подготовке к эксперименту шлам и глиняные компоненты были измельчены с использованием шаровой мельницы до крупности менее 0,4 мм. Для определения оптимального количества добавки глины (вендской либо бентонитовой) было приготовлено несколько шихт с различным процентным содержанием глиняного компонента (37.5, 28.5, 17, 15, 12.5, 10, 7.5 %). Гранулирование шихты осуществлялось на тарельчатом грануляторе. Шихта подавалась на тарель в количестве 30-40 г и в процессе вращения тарели увлажнялась дистиллированной водой при помощи пульверизатора. Гранулирование шихты осуществлялось за 30-40 минут. Влажность полученных гранул составила 5,5-6 %. Далее гранулы загружались в сушильный шкаф на 1 час при температуре 105 ° С. Влажность гранул после сушки составила 0,65-0,75 %. Высушенные гранулы обжигались в муфельной печи 1 час при различных температурах (550, 650, 700, 750 ° С) после чего остужались в эксикаторе до комнатной температуры.
Для приготовления гранул с использованием жидкого стекла на вращающуюся тарель загружался белитовый шлам и увлажнялся жидким стеклом при помощи пульверизатора. Масса жидкого стекла составила 7 % от массы полученных гранул. Гранулированный шлам оставлялся для высушивания при нормальных условиях в течение 24 часов.
Основным критерием оценки качества гранул была выбрана их прочность. В связи с этим были определены оптимальные условия гранулирования. Также оценивалась крупность гранул и их внешний вид. Оптимальное содержание глины в шихте, обеспечивающее наибольшую прочность, составило 17 %. С точки зрения добавленного компонента наиболее твердыми и мелкими оказались гранулы с добавлением жидкого стекла. Гранулы с добавлением бентонитовой глины были наиболее хрупкими и обладали неровной поверхностью. Прочность гранул с добавлением глины заметно повышалась при обжиге, также менялся их цвет (с серого на коричневый). Оптимальной температурой обжига были
выбраны 650 ° С, так как при более высоких температурах большее увеличение прочности не наблюдалось.
Для оценки сорбционных способностей гранул с различными типами связующего был проведен эксперимент в статических условиях. Стаканы с модельными растворами иона никеля (концентрация раствора 10 мг/дм3, объем 100 мл) и гранулами различного состава (5 г) устанавливались на магнитную мешалку на 1 час. Далее растворы отстаивались в течение 10 минут и фильтровались через бумажные фильтры. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Концентрация растворов никеля после сорбции в зависимости от состава гранулированного шлама
Тип связующего Концентрация раствора никеля после сорбции, мг/дм3 Эффективность очистки,%
Бентонитовая глина <0,01 >99,9
Вендская глина <0,005 >99,95
Жидкое стекло 1,95 80,5
В результаты проведенной работы был получен высокоэффективный гранулированный сорбент на основе белитового шлама. Установлено, что наиболее подходящими добавками для гранулирования белитового шлама, не ухудшающими его сорбирующие свойства, являются бентонитовая и вендская глины. Определены оптимальные порядок и условия получения гранул. Разработанный сорбент расширяет область применимости белитового шлама и позволяет решить вопрос его утилизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Алексеев А.И. Комплексная переработка апатит-нефелиновых руд на основе создания замкнутых технологических систем / А.И. Алексеев // Записки Горного института. 2015. Т. 215. - С. 75-82.
Проект нормативов предельно-допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для ООО «БазэлЦемент-Пикалево // Санкт-Петербург. 2015. Т. 1. - 183 с.
Смирнова Т.А. Решение проблем градообразующих предприятий как перспектива развития моногородов / Т.А. Смирнова // Вестник КемГУ. 2018. № 3. - С. 162-167. Григорец А.И., Исаков А.Е. Утилизация белитового шлама в различных отраслях промышленности / А.И. Григорец, А.Е. Исаков // Современное общество: глобальные и региональные процессы: материалы III международной научной конференции 14-15 марта 2018 г. 2018 г. 112 с.
Платонова Д.С. Закономерности сорбции ионов тяжелых металлов и органических веществ модифицированным органоминеральным сорбентом на основе сапропеля: дис. канд. хим. наук: 03.02.08 / Платонова Дарья Сергеевна. - Омск, 2019. 142 с.
Методические рекомендации по применению нефелинового шлама Ачинского глиноземного комбината при устройстве оснований автомобильных дорог в районах Западной и Восточной Сибири / Москва: Минтрансстрой. 1981.
Патент РФ 2527469 Способ окомкования кальцийсодержащих шламов и/или порошково-пылевидных материалов / Сирина Т.П. и др.; заявл. 31.07.2012; опубл. 27.08.2014. Физико-химические свойства сорбентов на основе бентонитовых глин, модифицированных полигидроксокатионами железа (III) и алюминия методом «соосаждения» / Н.В. Никитина, Д.Н. Комов, И.А. Казаринов, Н.В. Никитина // Сорбционные и хроматографические процессы. 2016. № 2. С. 191-199.
