CC BY
17
УДК 504.45:628.162:628.3
ВИЛУЧЕННЯ Н1ТРАТ1В 13 ОЧИЩЕНИХ КОМУНАЛЬНО-ПОБУТОВИХ СТ1ЧНИХ ВОД
М.Д. Гомеля
Доктор техшчних наук, професор, завщуючий кафедрою Кафедра екологií та технологи рослинних полiмерiв* Контактний тел. (044) 236-60-83 E-mail: m.gomelya@kpi.ua
-□ □-
Визначено ефективн^ть
юнообмтного видтення ттрат1в 1з очи-щених комунально-побутових стотв. Встановлено емтсть атотт1в по ттратах в залежностг eid концентраци розчитв
Ключовi слова: ттрати, високоос-новний атотт, низькоосновний атотт,
комунально-побутовi стоки
□-□
Определена эффективность ионообменного удаления нитратов из очищенных коммунально-бытовых стоков. Установлена емкость анионитов по нитратах в зависимости от концентрации растворов
Ключевые слова: нитраты, высокоосновный анионит, низкоосновный ани-
онит, комунально-бытовые стоки □-□
The effectiveness of ion exchange nitrate discharge from the treated municipal wastewater has been determined. There has been established the capacity of anion-exchange resin for nitrate-ions depending on the concentration of solutions
Keywords: nitrates, high-basic anion-exchange resin, low-basic anion-exchange
resin, municipal and household wastewater -□ □-
1. Вступ
Штрати вщносяться до речовин з вщносно неви-сокою токсичтстю для теплокровних. Вони широко використовуються, як мшеральш добрива в сшьсько-му господарств! Тому пщприемства по виробництву азотних добрив е досить поширеними та потужними. На 1980 рж свиове виробництво штрату амотю сягало
14 млн. т/рж в перерахунку на азот [1].
З шшо! сторони, при попаданш ттрапв разом з фосфатами в природш водойми вщбуваеться порушен-ня процемв розвитку кнуючих бiоценозiв внасл1док штенсифжацп евтрофiкацГi водойм. Даний процес су-проводжуеться масовим в1дмиранням бiоти та змшою параметрiв екосистем. Накопичення штрапв у водних об'ектах призводить до перевищення допустимого рiв-ня 'iх концентрацiй в джерелах питного водопостачан-ня.
Слщ вiдмiтити, що значна кшьюсть нiтратiв скида-еться iз очищеними комунально-побутовими стiчними водами. Концентрацiя шрапв в даних водах колива-еться вщ 30 до 60 мг/дм3. Так, при скидi протягом доби Бортницькою станцiею аерацп (м. Ки'в) приблизно 1500 тис. м3 очищених мiських стокiв в Дн1про попадае близько 60 т штратш при середнш концентраци 40 мг/дм3. Це лише стоки одного мкта. Якщо органiзувати ефек-
О.П. Чеверда
Мапстрант
Кафедра екологií та технологií рослинних полiмерiв* Контактний тел.: +380932613255 E-mail: olga_cheverda@ukr.net
тивне вилучення штрапв Í3 стiчних вод можна pi3KO скоротити скид бюгенних елементiв, що спричинюють евтрофiкацiю, у водойми та вилучати значну кшьюсть корисних продуктiв.
В даному випадку використання баромембранних методiв вилучення штрапв [2] малоефективне, як i електрохiмiчнi методи [2, 3, 4], через енергозатратшсть, високi вимоги до попереднього очищення води та складшсть переробки концентратiв. Малоефектив-ним е i адсорбцiйне вилучення ттрапв [5]. Очевидно, що найбiльш перспективними методами вилучення ттрапв i3 спчних вод, ix концентрування е юнообмшт методи [2, 6], якi характеризуются надiйнiстю, простотою, невибагливiстю до попередньо! обробки води.
Метою роботи було вивчення процеав вилучення ттрапв i3 стiчних вод та модельних розчишв, виз-начення емностi анюнтв АВ-17-8 та Dowex Maratón WBA в хлориднш, сульфатнiй та основнш формах по нiтрат-анiонах в залежност в1д концентраци розчину, визначення ефективносп застосування розчинiв хлориду та сульфату амонш, хлориду та карбонату калш, амiаку при регенераци юнтв, визначення основних параметрiв iонообмiнного процесу вилучення штрапв iз комунально-побутових стоюв пiсля бiохiмiчного очи-щення.
Т.О. Ш абл i й
Кандидат технiчних наук, доцент *Нацюнальний технiчний унiверситет Украíни «Ки'вський
полiтехнiчний шститут» пр. Перемоги, 37, корп. №4, м. Кшв, Украíна, 03056 Контактний тел. (044) 236-60-83 E-mail: tania1@voliacable.com
2. Методи та результати дослвджень
В po6oTi було використано очищену спчну воду з Бортницько! станцп аерацп з наступними характеристиками: рН=7,22; щiльний залишок 572 мг/дм3; [Cl-]=70,9 мг/дм3; [SO42-]=47,2 мг/дм3; [PO43-]=1,75 мг/дм3; [NH4+]=2,03 мг/дм3; [N03-]=58,0 мг/дм3; [N02-]=0,86 мг/дм3; [O2]=4,32 мг/дм3; ХСК=46,6 мг/дм3; концентрацiя змуле-них речовин складала 12,9 мг/дм3. Крiм того, були ви-користанi модельнi розчини NaNO3 з концентрацieю по NO3- 200^2400 мг/дм3, розчини хлориду, сульфату амонш, хлориду, карбонату калiю, амiаку з концентра-цiями 1,5^2,5 г-екв/дм3. Як анютти використовували високоосновний анiонiт АВ-17-8 та низькоосновний ат-онiт Dowex Maratón WBA. Об'ем iонiту був 10 або 20 см3, витрата розчину при очищент 10^15 см3/хв., при регене-раци 1^2 см3/хв.
Як видно з рисунку 1, обидва використаш анiонiти забезпечують ефективне вилучення нтгратш iз спчно! води, в якш концентрацiя нiтратiв сягала 58 мг/дм3, а концентращя сульфапв складала 47,2 мг/дм3 при концентрацп хлоридiв 70,9 мг/дм3. За даних умов аш-онiт АВ-17-8 забезпечував стутнь вилучення на рiвнi близько 92 %, а анiонiт Dowex Maratón WBA на рiвнi приблизно 89 %. При цьому сумарна концентрацiя хло-ридiв та сульфапв сягала 2,98 мг-екв/дм3 при концентрацп нтгратш всього 0,94 мг-екв/дм3. Тобто концен-трацiя хлоридiв та сульфапв в еквiвалентнiй кiлькостi бшьш як у 3 рази перевищувала концентрацiю нiтратiв. Очевидно, що даш анiонiти е бiльш селективними по штратах, як по хлоридах та сульфатах. Це пов'язано з високою пдратащею сульфат- та хлорид-анiонiв та бшьшим iонним радiусом нiтрат-анiонiв, в порiвняннi з хлоридами.
V, куб. см
V, куб. дм |-»-1 -И-2 -*-3|
Рис. 2. Вихiднi кривi сорбци HÍTpaTÍB на aHÍOHÍTax АВ-17-8 (1, 2) та Dowex Maratón WBA (3) (Vi=10 см3) в Cl- (1, 3) та SO42- (2) формах при фiльтруваннi розчишв NaNO3 з концентрацieю 200 мг/дм3 (П0Д£-|=1,027 г-екв/дм3; П0Д£2=0,992 г-екв/дм3; П0Д£3=1,014 г-екв/дм3)
Як видно з рисунку 2, при концентрацп HÍTpaTÍB 200 мг/дм3 aHioHiT АВ-17-8 мав повну обмшну дина-Mi4Hy eмнiсть на piBrn 1,027 г-екв/дм3 в Cl- ^opMi та 0,992 г-екв/дм3 в SO42- -фopмi. Це пов'язано з вищою се-лективнiстю ioнiтy по сульфатах, в пopiвняннi з хлоридами. За даних умов повна обмшна динaмiчнa eмнiсть aнioнiтy Dowex Maratón WBA сягала 1,014 г-екв/дм3, що е щлком зaдoвiльним показником.
Якщо при вилyченнi нiтpaтiв з розведених розчишв oбмiннi емнoстi високоосновного та низькоосновного анюнтв були майже однаковими, то при використанш насичених розчитв вони в1д^знялись (рис. 3).
2500 -|
s и
^ 2000 ■ Si
. S 1500 ■ ra а.
* 1000 ■
'ü
га
.
S 500 ■
х
о
V
0 I
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 V, куб. см |-»-1 -И-2|
Рис. 1. Залежнють ступеню вилучення штралв Í3 спч-ноТ води БортницькоТ станци аерацп ([Q]=70,9 мг/дм3; [SO42-]=47,2 мг/дм3; [PO43-]=1,75 мг/дм3; [N03-]=58,0 мг/дм3) при фiльтруваннi через анiонiти АВ-17-8 (1) та Dowex Maratón WBA (2) (Vi=20 см3) в Cl- -формi вщ пропущеного об'ему роз-чину
Визначити обмшну емтсть ioнiтy по штратах в дано-му випадку складно в зв'язку з низькою концентращею нiтpaтiв у вoдi. Це зумовлюе великi об'еми очищено! води та призводить до збшьшення тривалосп дoслiдiв. Тому для визначення емносп aнioнiтiв по нiтpaтaх використали модельш розчини iз вмiстoм нiтpaтiв 200^2400 мг/дм3 (рис. 2, рис. 3).
Рис. 3. Вихiднi кривi сорбци нiтратiв на анiонiтах АВ-17-
8 (1) та Dowex Maratón WBA (2) (Vi=10 см3) в Cl- -формi
при фтьтруванж розчинiв NaNO3 з концентрацiями 2400 мг/дм3 (1) та 2000 мг/дм3 (2) (ПОД£1=2,084 г-екв/дм3;
ПОД£2=1,733 г-екв/дм3)
Так, при сорбци нiтpaтiв з концентрованих розчишв повна обмшна динaмiчнa емнiсть для високоосновного анюшгу сягала 2,048 г-екв/дм3, а для низькоосновного - 1,733 г-екв/дм3. В даних умовах висою обмшш емносп aнioнiтiв oбyмoвленi наде^валентною сopбцiею. Це явище не мае суттевого значення, так як реальною е перпектива використання анюнтв для сорбци штрапв з розведених розчишв. При цьому досягнення значен-
ня робочо'' емност анiонi т i в по нi тратах на рi внi 0,8^0,9 г-екв/дм3 може бути цiлком задовiльним результатом.
Проте, вГдносно ефективне вилучення нiтратiв з води на анюнГгах не забезпечуе повне виршення за-дачi видГлення нiтратiв з води з отриманням корисних продуктов.
Результати по ефективносп регенерацН анюшту АВ-17-8 розчинами хлориду та сульфату амонпо, хлориду та карбонату калпо приведено на рисунку 4. Виб1р саме таких розчишв для регенерацп обумовлений тим, що в процес1 регенерацп утворюються штрат амошю або калпо, яю е мшеральними добривами 1 яким можна легко знайти застосування. Особливо, якгцо врахову-вати, що останшм часом все ширше застосовуються рщю добрива.
Кращi результати отримано при регенерацп низь-коосновного анiонiту (рис. 5). ОсобливГстю такого анiонiту е те, що вГн легко регенеруеться в лужному середовищГ так як при рН >10 його функцюнальш гру-пи переходять в недисоцшовану форму, а тому анiони легко десорбуються.
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 qn, куб. см
М -*-2 -*-3 -*-4 ■
-10 -1-11 -е-12
Рис. 4. Вплив питомоТ витрати регенерацмних розчинiв (qп, см3/см3) хлориду амоыю ([С1-]=1,9 г-екв/дм3 (1,2)), сульфату амоыю ([SO42-]=1,5 г-екв/дм3 (3,4)), хлориду калю ([С1-]=1,5 г-екв/дм3 (5,6), 2,0 г-екв/дм3 (7,8), 2,5 г-екв/дм3 (9,10)), карбонату калю ([СО32-]=1,5 г-екв/дм3 (11,12)) на вихд ну концентрацю нпрапв (1, 3, 5, 7, 9, 11) та стутнь регенерацп, ^ % (2, 4, 6, 8, 10, 12) анюнпу АВ-17-8 в NO3- - формi.
Однак, як видно з рисунку 4, при використанш розчишв хлоридiв, сульфапв та карбонатiв з концен-тращею анiонiв 1,5 г-екв/дм3 ефективнiсть регенерацп невисока. При питомш витратi регенерацшного розчи-ну 5 об'ем1в на 1 об'ем юшту ступ1нь регенерацп сягав 31^45 %. Кращi результати отримано при використанш хлоридiв, найнижчi результати отримано при використанш сульфат1в. Очевидно, вища ефективнiсть розчину карбонату калш при регенерацп анюшту в порiвняннi iз розчином сульфату амонш обумовлена частковим гiдролiзом карбонату калш i п1длуженням середовища.
Суттево ефектившсть регенерацН зростае при пГд-вищеннi концентрацН регенерацiйних розчинГв. Так, при пгдвищенш концентрацН розчинГв до 2,0 г-екв/дм3 стутнь регенерацп сягав 61^66 % при питомш витратГ регенерацшного розчину 5 об'емГв на 1 об'ем юшту. Недолжом процесу е те, що надлишок хлоридГв у ре-генерацГйному розчинГ в порГвнянш з нГтратами сягав 75^90 %. Це ставить пГд сумшв можливГсть викорис-тання таких розчинГв, як мшеральних добрив.
Рис. 5. Залежшсть концентрацН HÍTpaTÍB (1, 2, 3, 4, 5, 6) та ступеню регенерацН (7, 8, 9, 10, 11, 12) низькоос-новного анюшту Dowex Maratón WBA в NO3- ^opMÍ (Vi=10 см3) вщ питомоТ витрати регенерацiйних розчинiв (qn, см3/см3) хлориду амонiю [Cl-]=1,9 г-екв/дм3 (1,7)), сульфату амошю ([SO42-]=1,5 г-екв/дм3 (2,8)), хлориду калт ([Cl-]=1,5 г-екв/дм3 (3,9)), карбонату кал^ ([СО32-]=1,5 г-екв/дм3 (4,10), 2,0 г-екв/дм3 (5,11)), амiаку ([OH-]=1,5 г-екв/дм3 (6,12)).
Проте, як видно з рисунку 5, анюшг Dowex Maratón WBA добре регенеруеться не лише розчинами карбонату калш та амiаку, але й розчином хлориду амонш. Але це об-умовлено, в першу чергу, високою концентрацею хлориду амонш в регенерацшному розчинi (1,9 г-екв/дм3). При цьо-му при q^5 см3/см3 ступ1нь регенерацН сягав 72,6 %, тодi як при концентрацН хлоридов та сульфат1в в регенерацшному розчит на рiвнi 1,5 г-екв/дм3 при qu=5 см3/см3 ступет регенерацН сягали вщповщно 46 та 26 %. При застосувант карбонату калш, як i очикувалося, ступшь регенерацН ютту сягав 69 % при qп=5см3/см3 при концентрацН реагенту 1,5 г-екв/дм3 i 78 % при концентрацН 2,0 г-екв/дм3.
Найефектившшим реагентом для регенерацН низь-коосновного анюшту Dowex Maratón WBA був роз-чин амiаку. При концентрацН амiаку 1,5 г-екв/дм3 ступшь регенерацН при q^5 см3/см3 сягав 90 %, а при q^10 см3/см3 - 97 %.
При цьому слщ вiдмiтити, що надлишок амiаку можна вiдiгнати, а можна нейтралiзувати азотною кислотою. При проведенш електролiзу в1дпрацьованого регенерацшного розчину можна вщдшити надлишок амiаку, а можна отримати розчини амiаку та азотно! кислоти. Тому даний реагент можна розглядати як пер-спективний при регенерацН низькоосновних анюнтв в ттратнш формi.
Недолiком процесу е те, що низькооснов-ний анюшт в основнiй формi не сорбуе штрати нi з модельного розчину штрату натрiю, нi iз спчно! води. Причиною е шдлуження розчину при сорбцН нiтратiв, що рiзко погiршуе здатнiсть низькооснов-
ного анютту до юнного o6MiHy. Проте, при обробщ ioHiTy еквiвалентною кшьюстю соляно! кислоти i при переведент його в Cl- -форму його сорбцшна здатнiсть повнiстю в1дновлюеться.
3. Висновки
Показано, що високоосновний анГонГт АВ-17-8 та низькоосновний анiонiт Dowex Maraton WBA забезпе-чують стутнь вилучення нiтратiв i3 комунально-побу-тових стГчних вод пiсля бiохiмiчного очищення на рiвнi в1дпов1дно 92 та 89 %.
Встановлено, що високоосновний анГошт краще сорбуе нiтрати в хлориднш формi, як в сульфатнш формi. Низькоосновний анiонiт краще сорбуе нГтрати в хлориднiй формi, в основнш формi вiн не сорбуе нГтрати зовсiм.
Вивчено процеси регенераци анiонiтiв розчинами хлоридiв та сульфапв амонiю, хлоридiв та карбонатiв калш та низькоосновного анiонiтy розчином амiакy.
Встановлено, що ефективнiсть регенераци висо-коосовного анiонiтy вища при використанш розчинГв хлоридГв i зростае Гз пГдвищенням концентраци регенерацГйних розчинГв. Ефектившсть регенераци низькоосновного анГонГту вища при використанш ос-новних розчинГв - карбонату калш та амГаку.
ЛГтература
1. Олевский В.М. Технология аммиачной селитры / Олевский В.М., Ферд М.Л. // Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. -1983. - Т. 28, №4. - С. 27-39.
2. Иевлева О.С. Методы удаления нитратов из природных и питьевых вод / О.С. Иевлева, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. - 2006. - 28, №3. - С. 256-273.
3. Polatides C. Elertrochemical removal of nitrate ion from aqueous solution by pulsing potential elertrolysis / C. Polatides, M. Dort-sion, G. Kyriacon // Elektrochim. Acta. - 2005. - 50, №25-26. - P. 5237-5241.
4. Медянцева Д.Г. Элетродиализ нитратных растворов / Д.Г. Медянцева, С.В. Шишкина // Изв. вузов Сев. Кав. регион. естеств. наук. - 2008. - Спец. Выпуск. - С.94-97, 136.
5. OztUrk N. Nitrate removal from aqueus solution by adsorption onto various materials // Nese OztUrk, Ennil T. Bekfas // J. Hazardous Mater. - 2004. - 112, №1-2. - P. 155-162.
6. Mackiewicz J. Usuwanie azotanow z wod podziemnych na selektywnych zywicach anionowymiennych IONAC / Jolanta Mackie-wicz, Andzey Dzibek // Ochr. srod. - 2005. - №4. - С.45-47.
