ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕАГЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ИЗ ЗОЛЫ ОТ СЖИГАНИЯ УГЛЯ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 669.712.2; 661. 862. 32; 628.335

У. Ш. Мусина1

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕАГЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ИЗ ЗОЛЫ ОТ СЖИГАНИЯ УГЛЯ

Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева Республик Казахстан, г Алматы, ул.Сатпаева, 22

Разработана технология получения реагента для очистки сточных вод из золы от сжигания экибастузских углей. Для достижения ПДК катионов тяжелых цветных металлов, шестивалентного хрома, мышьяка, фтор-ионов и сульфат-ионов в промышленных сточных водах предлагается применять реагент, полученный путем спекания золы от сжигания экибастузских углей с известняком.

Ключевые слова: Зола, минеральный состав, физико-химический, реагент, очистка, сточная вода, технология, известняк.

В настоящее время для очистки воды от загрязняющих компонентов различной химической природы показана перспективность использования неорганических природных материалов [1]. Наряду с этим все больший интерес для данной цели приобретают реагенты, полученные из отходов производства [2, 3]. Разрабатываются процессы, в которых очистка реализуется по механизму реагентного взаимодействия. Широко известно, что, например, реагентный известковый метод является основным способом очистки сточных вод от металлов. Для нейтрализации используется комовая негашеная известь, получаемая обжигом природного известняка в из-вестково-обжиговых печах. Средняя известь содержит 50—60 % активного СаО. Лучшие сорта извести могут иметь до 80—85 % активного СаО. Известь, содержащая 20—40 % активного СаО, считается низкосортной и для нейтрализации, особенно сернокислотных сточных вод, малопригодной.

Основной недостаток известкового метода — невозможность достижения ПДК по ряду металлов, особенно находящихся в анионной форме, не происходит глубокая очистка сточных вод от сульфат-ионов, что препятствует организации замкнутого водооборота. Оптимизация процесса очистки сточных вод возможна при использовании сложного коагулянта: для устранения этих недостатков, достижения ПДК катионов тяжелых цветных металлов, а также шестивалентного хрома, мышьяка, фтор-ионов и сульфат-ионов предлагается применять реагент, полученный путем спекания алюминийсодержа-щих материалов с известняком. В качестве алюминийсо-держащего сырья использовали золу от сжигания экибастузских углей.

Неорганическая часть экибастузского угля имеет следующий фазово-минералогический состав, %: кварц ^Ю2) — 28, каолинит (АЦ^ОмКОН^) — 54, кальцит (СаСОз) — 4, магнезит (МдСО3) — 2, гипс (CaSO4.2H2O) — 2, сидерит ^еСО3) — 10 [4].

Химический состав пробы золы от сжигания экибастузских углей приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав пробы золы от сжигания экибастузских углей

Химический состав золы, %

Способ удаления золы О со О < О ш LL О а) LL О 1= О СО О MgO О СО О О се z П.п.п. прочие

Гидроудаление 0 о СЧ 6 7 о 2 0 1Л 3, 8 С\| 0, го" г- С\1 cf 6 о 1, г-сТ со <Э 8 2, 8 о 0,

Крупность золы — 1 мм, насыпной вес — 1,21,3 т/м3; удельная поверхность 0,47-0,50 м2/г; температура начала деформации 1385 °С, начала размягчения 1515 °С, жидкоплавкого состояния 1580 °С.

Фазовый состав золы от сжигания экибастузских углей представлен в таблице 2.

Спонтанная деструкция двухкальциевого силиката при определенных условиях термообработки и охлаждения легла в основу получения нового реагента для очистки сточных вод.

Таблица 2.Фазовый состав лежалой золы от сжигания экибастузских углей

Количественный минералогический состав золы от сжигания экибастузских углей, %

Способ удаления зол Аморфизированные глинистые агрегаты Стекло-фазы Органика* Полевой шпат Кальцит Гидрогранаты, муллит, оксиды железа Корунд

Гидроудаление 45 25 (стекло 10) 5 3 5 5 -

* Органическая часть золы представлена углистым веществом (недожогом).

1 Мусина Умут Шайхисламовна, канд. техн. наук, доцент, каф. докторант Санкт-Петербургского государственного технологического института (тех-

нического университета), e-mail: 07061960@mail.ru

Дата поступления - 18.февраля 2013 года

Расчет шихты производили с целью достижения:

— степени самодеструкции спека 95 %;

— химического состава спека-реагента, %: СаО — 60-65; АЬОз — 8-10; SiO2 — 21-24; Fe2Oз — 3-4; SOз — 0,4-0,5; п.п.п — 1-3;

— минералогического состава реагента, %: у-2СаО • SiO2 — 70,0; СаО • А12О3 — 20,0; СаО • Fe2Oз — 7,0.

Технология получения реагента показана на рисунке.

известник И-

ДРОБЛЕНИЕ

: г

дробленый известняк

ТГ

Гпыльр^^

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ

II

порошок швестняка

ТГ

ШИХТОВАНИЕ

Ж

СПЕКАНИЕ

зг

тг

Л

V

готовый ПРОДУКТ

3

зе

суспензия

П

ФИЛЬТРАЦИЯ

зе

зе

фильтрат

Идентифицированы три модификации 2СаО^БЮ2: а-, р- и Y-. Образуются два алюмосиликата: СаО-АЬОз^Ю2 и 2CaO•Al2Oз•SiO2. Двухкальциевые и трехкальциевые силикаты и все четыре кальциевые алюмината при затворении водой проявляют ярко выраженные гидравлические свойства, но наиболее сильными цементирующими компонентами являются трехкальциевый силикат и алюминаты. Оксид кальция реагирует с оксидами железа при температурах выше 880 °С, причем образуются одно — и двухкальциевые ферриты (СаО • Fe2O3 и 2СаО • Fe2O3). Смеси, содержащие от 25 до 30 % СаО и от 70 до 75 % Fe2Oз плавятся при 1220 °С. Если часть Fe2Oз восстановлена до FeO, то точка плавления понижается.

Для получения реагента с заданными физико-химическими свойствами провели расчет соотношения компонентов шихты с конечным получением СаО: SiO2 = 2; СаО: АШз= 3; СаО: Fe2Oз = 2,0.

При расчете материального баланса на 1 т золы использовали состав пробы золы от сжигания эки-бастузских углей, представленный в таблице 3.

Выполнены технологические расчеты дозировки извести к шихте, расчет связанной СаО с примесями в составе извести, дозировка извести на связывание примесей золы. Экспериментально определено, что степень декарбонизации СаСО3 составляет 98-99 % при температуре спекания 1200-1300 °С. В расчете приняли, что в п.п.п. входит только СО2 и степень декарбонизации составляет 98 %, тогда выход прокаленного материала (спека) составит значения, представленные в таблице 3.

Таблица 3. Составляющие шихты и продукт спекания

Рисунок. Замкнутая технология получения реагента для очистки сточных вод из золы от сжигания экибастузских углей

Получение спека-реагента включает следующие технологические операции: дробление известняка; измельчение известняка; составление шихты из смеси известняка и золы (молярные отношения: СаО: SiO2 = 2; СаО: АЮз = 3; СаО: Fe2Oз = 2,0); спекание шихты (температура 1150-900 °С). Экологическое состояние технологии характеризуется образованием газовых выбросов в процессе спекания (рисунок). В данном процессе предусмотрена сухая и мокрая очистка выбросов (степень очистки 98 %).

Саморассыпание спека происходит в результате протекания полиморфных превращений (переход а-формы ортосиликата кальция в Y-модификацию), что приводит к увеличению объема материала на 12-15 %.

Известно, что жесткообожженная малоактивная известь не обладает таким сильным сродством к примесям кислотных оксидов или оксида железа, как мяг-кообожженая. Если кремнезем золы соприкасается при высокой температуре с куском извести, то наиболее активные молекулы СаО малообожженой извести реагирует с SiO2 первыми, молекулы СаО жесткообожженной извести реагируют медленнее.

Компо- Зола Известняк Шихта Спек

ненты % кг % кг % кг % кг

СаО 1,7 17,0 50,2 1864,72 39,91 1881,72 61,43 1881,72

БЮ2 62,0 620,0 2,01 74,66 14,73 694,66 22,68 694,66

Fe2Oз 3,5 35,0 1,1 40,86 1,61 75,86 2,48 75,86

А№з 27,00 270,0 - - 5,73 270,0 8,81 270,0

FeO 0,28 2,8 - - 0,06 2,8 0,09 2,8

ТЮ2 0,7 7,0 - - 0,15 7,0 0,23 7,0

МдО 0,2 2,0 - - 0,04 2,0 0,05 2,0

Na2O 0,7+ 0,3= 1,0 10,0 - - 0,22 10,0 0,33 10,0

БОз 1,06 10,6 - - 0,22 10,6 0,35 10,6

П.п.п. 2,48 24,8 44,69 1660,05 35,74 1684,85 1,1 33,7

Прочие 0,08 0,8 2 74,29 1,59 75,09 2,45 75,09

Итого 100 1000 100 3714,58 100 4714,58 100 3063,43

Таким образом, расход золы на 1 кг прокаленного материала составляет 0,33 кг, а известняка — 1,0 кг. Безвозвратные потери приняты — 5 %. Тогда расход золы составит — 0,35 кг, а известняка — 1,05 кг.

Полученный спек во время охлаждения рассыпается, внешне напоминая слабый песочный гейзер. Для использования его в качестве реагента не потребуется измельчение.

Исследования реагента проводились на модельных растворах, содержащих примеси катионов металлов (хром, никель), а также фтор, мышьяк, сульфат-ионы (таблица 4).

Таблица 4. Результаты очистки модельных растворов

Примеси, мг/дм3 Реагент Доза, г/дм3 рН очищ воды Остаточная концентрация, мг/дм3 отстаивание 1 час /1 сутки

SO42- Р- As Сг6+ N Са

1. ро„2-] 1858,9 Са (ОН)2 5 11,8 1843,7 - - - - -

Эталон 3 11,9 510,3* 135,8 - - - - -

2. ро„2-] 1270 Реагент 3 11,8 480* - - - - -

3. р-] 25,1 А] 0,5 Эталон 5 12,7 - 1,7 0,01 - - -

Реагент 3 11,9 - 6,2 3,1 0,01 0,01 - - -

4. [О6] 100 Эталон 5 12,7 - - - 6,25 0,03 - -

Реагент 5 12,2 - - - 14,02 1,65 - -

5. М2+ 98,3 Раствор - 3,0 151,5 - - - 98,3 н/о

Эталон 0,2 9,88 130,5 - - - <0,05 60,0

Реагент 1,0 11,2 18,8 - - - <0,05 60,0

Примечание: * Сравнительные результаты очистки воды, показывающие, что при использовании синтезированного реагента на основе золы от сжигания экибастузского угля получены наилучшие значения остаточной концентрации сульфат-ионов при отстаивании 1 час по сравнению с эталоном и составили 480 против 510,3 мг/дм3 (пДк 500 мг/дм3).

Дозировка реагента проводилась в виде свежеприготовленной 5 %-ной пульпы. Процесс очистки проводился без перемешивания и с перемешиванием на магнитных мешалках при комнатной температуре. Модельные растворы готовились на дистиллированной воде с добавлением солей металлов — сульфатов различной концентрации. Для сравнения показаны результаты очистки при использовании эталона — реагента, содержащего в составе высокоосновный алюминат кальция С12А7.

Выводы

1. Разработана экологически чистая замкнутая технология получения смешанного сложного кальцийсодержащего реагента для очистки сточных вод. При увеличении дозировки реагентов до 5-7 г/ дм3 остаточная концентрация загрязняющих веществ достигает ПДК рыбо-хозяйственного значения.

2. Высокий эффект очистки воды (до значений ПДК) по всем исследованным в работе примесям, в том числе по сульфат-ионам, обеспечивается образованием труднорастворимых соединений (фторид кальция, эттрин-гит, гидроксиды металлов), а также процессом сорбции поверхностью свежеобразованных соединений.

Литература

1. Бузаева М. В. Обезвреживание производственных сточных вод очисткой от нефтепродуктов и тяжелых металлов с использованием природных сорбентов и комплексонов: автореф. дис. ... д-ра хим. наук Нижний Новгород. 2011. 44 с.

2. Семенов В. В., Подольская З. В., Бузаева М. В., Климов Е. С. Сорбционная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов с использованием гальва-ношламов // Изв. вузов. Северо — Кавказский регион. Техн. науки. 2009. № 6. С. 99-101.

3. Вялкова Е. И. Исследование природных минералов и отходов производства Тюменской области и Уральского региона с целью очистки воды и грунтов автореф. дис. ... канд. техн. наук. Тюмень. 1999. 20 с.

4. Мусина У. Ш., Сарсенбаев С. О., Абутали-пов З. У. Микросферы золы от сжигания экибастузс-ких углей // Труды первой междунар. науч.-практ. конф. «Современное состояние и проблемы инженерной экологии, биотехнологии и устойчивого развития». Алма-ты. 31 мая 2010. г. Алматы: КНТУ им. К. И. Сатпаева, С. 272-275.