Удаление Ni2+, Cu2+ и CrO42- алюминийсодержащим техногенным отходом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭКОЛОГИЯ

Порожнюк Л. А., канд. техн. наук, доц., Чемериченко Е. Н., студент Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

УДАЛЕНИЕ №2+, и CrO42-АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩИМ ТЕХНОГЕННЫМ ОТХОДОМ*

lporozhnyuk@yandex.ru

Показана перспективность применения природных минералов, оксидов металлов, отходов производства в качестве сорбентов для очистки водных растворов от ионов меди, никеля и хромат-ионов.

Ключевые слова: алюминийсодержащий отход, ионы металлов, сорбция, изотермы сорбции и десорбции, сорбционная емкость насыщенного монослоя, удельная активная поверхность.

В практике очистки сточных вод все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (оксиды металлов, глинистые породы, цеолиты, отходы ряда производств).

Автором [1] рассмотрена возможность сорбционного удаления ионов меди, кобальта, никеля, марганца, железа и хрома оксидами этих металлов при различных значениях рН.

В обзоре [2] детально проанализированы закономерности сорбции различного рода анионов (простых и комплексных, неорганических и органических) на поверхности оксигидроксидов железа, титана, алюминия, хрома, циркония и марганца.

Природные цеолиты, в частности, клиноп-тилолит и монтмориллонит извлекают из промышленных сточных вод, образующихся при химической и электрохимической обработке металлов, 90% и более таких катионов как Pb2+, Ва2+, бг2+, Са2+, Си2+, гп2+, Со2+.

В статье [3] показана возможность использования природных минералов, представляющих собой алюмосиликатные системы, для сорбци-онной очистки сточных вод.

Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой сорбционной емкостью, избирательностью, ионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью (иногда как местного материала).

В свою очередь, отходы, образующиеся в результате очистки сточных вод, могут, полностью или частично, заменить традиционные сырьевые компоненты в технологии производства строительных материалов [4].

Авторами [5] показано, что сточные воды предприятий города Белгорода ООО «Завод Новатор», ООО «Ритм», ОАО «Энергомаш» содержат ионы металлов в концентрациях, мг/л: Си2+ (1,8-3,8), №2+ (4,6-7,8), Сг3+ (2,1-1,2), гп2+ (1,6-1,9).

Нами рассмотрен процесс извлечения катионов меди, никеля и хромат-иона (с содержанием от 15 до 1000 мг/л) из модельных растворов отходом производства монокристаллов корунда (ОПМК).

Анализ фазового состава осуществляли методом РФА, по результатам которого отход ОПМК представляет собой частично аморфизи-рованный шлам, содержащий оксигидроксиды алюминия в различных модификациях (рис. 1).

Концентрацию ионов никеля, меди и хромат-ионов определяли по общепринятым методикам [6]. Модельные растворы готовили из концентрированных растворов солей №С12-6Н20, СиС12, К2Сг207 марки «ч.». Оптическую плотность растворов определяли на КФК-2МП. Погрешность не превышала 5%. Кислотность среды растворов контролировали потен-циометрическим методом на рН метре рН-150М с точностью до рН ± 0,05.

Сорбцию вели в статических условиях: к 100 мл очищаемого раствора заданной концентрации Сисх. (мг-л-1) добавляли навеску сорбента, перемешивали в течение времени т (мин). Далее растворы фильтровали. Значение рН и концентрацию ионов металлов в растворе контролировали до и после контакта с сорбентом.

О возможном механизме протекания сорб-ционных процессов судили по изотермам сорбции-десорбции (рис. 2).

Условные обозначения: □ - А1(ОН)3аЬЬ5«е (*) - А1(ОН)} В ауеп^гуп Д - АВД,

4 - АЬОз а-Согипбиш. з\и О - А1;Оз'6-ф - А1;Оз'К-А1ипипа

• - А1(ОН)з

{} - А1;0(0Н); а-ВоеЬтие

а

Ш

О

о

А*

00 ® £

О*

Г

Рис. 1. Результаты рентгено-фазового анализа ОПМК

I м II

' 'ран

О 100 200 300 400 500 600 700 800„, ,.

Рис. 2. Изотермы сорбции (1) и десорбции (2) ионов никеля

Анализ изотерм сорбции и десорбции ионов никеля позволяет предположить ее химический характер. Первое плато на графике соответствует образованию мономолекулярного слоя сорбата на поверхности сорбента. Второе плато возникает при полимолекулярной сорбции вследствие заполнения молекулами адсорбата некоторого адсорбционного объема. Б-образный характер изотерм указывает также на наличие в сорбентах микро- и макропор и принадлежность ОПМК к переходно-пористому сорбенту.

1

Орав.

О 200 400 600 800 1000 11,г/л

Рис. 3. Изотермы сорбции (1) и десорбции (2) ионов меди

Сорбция ионов меди, согласно изотермам, протекает аналогично сорбции ионов никеля и основана на образовании химических связей (рис. 3).

ГуЫгг_

О 200 400 600 800 1000

Рис. 4. Изотермы сорбции (1) и десорбции (2) по хромат иону: Сорбция хромат-ионов протекает, согласно рис. 4, по иному механизму. Наряду с возможным образованием химических связей присутствуют физические обратимые процессы и степень десорбции достигает 65%.

Важными характеристиками сорбентов являются величина сорбционной емкости насыщенного монослоя (Ат, мг/г) и удельная активная поверхность (Буд, м2/г), которые связаны между собой соотношением:

д = So ' Ат -Ыа, где Б0 - площадь, занимаемая одним ионом, нм; Ат - сорбционная емкость монослоя, мг/г;ЫА -число Авагадро, равное 6,0238 • 1023.

Исходные данные и результаты расчета величин удельной активности поверхности ОПМК приведены в табл. 1. Величину сорбционной емкости монослоя (Ат, мг/г) для каждого иона определяли графически.

Таблица 1.

Расчетные величины удельной активности

поверхности ОПМК

Ион Ионный радиус, г, нм Сорбционная емкость монослоя, Ат, мг/г о акт йуд , м2/г

Сг(У1) 0,026 0,3 0,383

№2+ 0,069 1,5 13,5

Си2+ 0,071 1,2 11,44

Прослеживается положительная корреляция между величинами удельной активной поверхности ОПМК и эффективностью удаления ионов из состава модельных растворов. Так, для хромат-ионов степень извлечения составила 35%, для ионов меди и никеля 75% и 94% соответственно. По результатам исследований данная эффективность без корректирования рН достигается в интервале концентраций (в пересчете на ион) 15-50 мг/л, с модулем очистки (отношение объема очищаемого раствора к навеске сорбента) 100 мл/г и продолжительностью процесса - один час.

Таким образом, исследования и расчеты показали, что предлагаемый метод удаления ме-

таллов из водных растворов достаточно эффективен для защиты водных объектов от загрязнения и экономичен, так как предполагает использование отхода производства.

*Работа опубликована при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г.г. (№ 2011-ПР-146).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Куцый В.Г. Удаление Си2+, Со2+, №2+, Мп2+, Бе3+ и Сг6+ из водных растворов оксидами металлов // Экотехнология и ресурсосбережение. 2004. №2. С.46-49.

2. Печенюк С.И. Сорбция анионов на окси-гидроксигруппах металлов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2008. Т.8. Вып. 3. С.380-429.

3. Модификация поверхности глинистых минералов с высоким содержанием монтмориллонита в электромагнитном поле высокой частоты / А.В. Прохина, Н.А. Шаповалов, М.М. Ла-тыпова // Современные наукоемкие технологии. 2011. № 1. С.135-136.

4. Лупандина Н. С. Утилизация осадков водоочистки в производстве керамических изделий // Вестник БГТУ 2012. № 1. С.153-157.

5. Использование производственных отходов для очистки сточных вод. / Н. С. Лупандина, Н.Ю. Кирюшина, Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников // Экология и промышленность России. 2010. №5. С.38-41.

6. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. Энциклопедический справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. -М., Издательство «Протектор», 2000. 848 с., ил.