Сорбционные материалы с использованием роторных шлаков и применение их для очистки воды

АННОТАЦИЯ

В данный работе показана возможность использования роторного шлака (отхода) аккумуляторного завода г. Джизака в качестве сорбционного материала после проведения ферритазации исходного вещества.

ABSTRACT

In the article the possibility of using rotar slag (waste) of Jizzakh battery plant as a sorption material after ferritization of the basic substance is shown.

Ключевые слова: феррит, очистка, ионы тяжелых металлов, сорбция, водопоглощение, эффективность очистки, сорбционная емкость, ферритазация, термогравиметрия, модельные растворы.

Keywords: ferrit; purification; heavy-metal ions; sorption;  water absorption; purification efficiency; sorption capacity; ferritization; thermogravimetry; standardized test solution.

Введение. С промышленных объектов государств СНГ и в том числе в нашей республики в окружающую среду попадает в определенном количестве загрязняющие вещества, наиболее распространенными из которых является ионы некоторых металлов, а также нефть и нефтепродукты, которые являются опасными токсическими веществами для окружающей среды [1-2].

Поэтому уменьшение загрязнения окружающей среды зависит от степени усовершенствования и модернизации сушествующих технологических процессов и ускорение внедрения разработанных новых современных научных достижений по очистке сточных вод промышленных отходов, считается актуальной задачей.

В этом отношении из наиболее приемлемым и самым эффективным способом очистки сточных промышленных вод является сорбционный метод. Сорбционный метод обладает рядом преимуществ, таких как - очистка водных объектов до требуемой концентрации загрязнений (ПДК) и возможность десорбции с повторным использованием сорбционного материала в промышленной технологии [3].

В качестве сорбционных материалов используют отходы различных производств, с помощью которых получают дешевые сорбенты с уникальными свойствами для применения в процессах водоподготовки и очистки сточных вод.

С применением сорбционных методов очистки сточных вод от различных примесей одновременно решается острая экологическая проблема утилизации отходов. Поэтому исследования в области создания магнитных сорбционных материалов для промышленности являются приоритетным направлением, так как такие сорбенты предполагают технологичность их использования, в частности, возможность нанесения на загрязненную примесями поверхность воды или в ее объем с последующим извлечением с помощью метода магнитной сепарации. В данной работе изучена возможность получения сорбционных материалов на основе отходов выделяющиеся в виде шлаков аккумуляторного завода г.Джизака Республики Узбекистан, для очистки сточных промышленных вод от различных примесей.

Объекты и методы исследования. Для опытов приготовлены модельные растворы, содержащие различные концентрации ионов некоторых тяжелых металлов, нефтепродукты и другие примеси. Полученные результаты на модельных растворах опробованы на сточных водах предприятия г.Джизака, содержащие Cu(II), Fe(II), Fe(III) и нефтепродукты. С использованием роторных шлаков аккумуляторного завода (г.Джизак) приготовлены сорбционные мате-риалы: порошкообразный ферритизированный композиционный сорбционный материал, на основе роторных шлаков, с довабкой парафина и госсиполовой смолы.

Для установления значения водопоглощения, полученные образцы сорбционных материалов взвешивались и помещались в испытательный сосуд объемом 1 дм³, заполненный на половину водой. Для создания волнения в водо содержащемся емкости его устанавливали на перемешивающее устройство марки ЛАБ-ПУ-02. В этом случае скорость перемешивания составляла 120 циклов в минуту при амплитуде колебания воды 3-4 см. Через 15 минут образцы извлекались, взвешивались и на основе полученных данных рассчитывалось степень водопоглащения (ВП, г/г) по формуле приведенном в [4]:

ВП=                                                                                 (1)

где:

М_с-начальная масса сухого сорбента, гр;

М_сорб.-масса сорбента с поглощенной водой, гр.

Эффективность процесса очистки (Э, %) водных модельных систем сточных вод с приготовленными сорбентами рассчитывалось по формуле (2):

                                                                    (2)

где:

С_Н-начальная концентрация, мг/дм³

С_р-равновесная концентрация, мг/дм³

Сорбционная емкость разработанных сорбционных материалов (СМ, мг/г; г/г) определялась по формуле (3):

                                                                    (3)

где:

С_н,С_р-начальная и равновесная концентрация, мг/дм³

V_p-pa-объем раствора, см³ или дм³;

М_сорб.-масса сорбента, гр.

Результаты и их обсуждение. Образование и накопление роторных шлаков в определенной степени представляют собой важнейшую экологическую проблему г.Джизака, так как этот промышленный отход является токсичным побочным продуктом. С помощью элементного анализа, найдено, что роторный шлак порошкообразный твердый осадок с влажностью 5-8 % и его токсичность обусловлены наличием в составе ионов некоторых тяжелых металлов в следующем содержание (%): Fe-30.0; Si-5.0; Al-0.3; Na-15.0; Pb-2.5; Cu-0.04. Их концентрация в роторном шлаке может изменяться в зависимости от исходного состава технологического процесса на аккумуляторном заводе.

Потенциальную угрозу при хранении эти отходы роторного шлака представляют из-за возможности высвобождения ионов некоторых тяжелых металлов и их дальнейшей попадание в почву, грунтовые воды и по всей окружающей среде в целом. По причине отсутствия специально оборудованных полигонов для складирования роторного шлака, аккумуляторный завод вынужден хранить эти отходы на своей территории, занимая действующие площади, которых с каждым годом становится все больше. Утилизация на сегодняшний день составляет около 2-3% при общем объеме их образования в 2-8 млн. тонн в год по масштабам Республики Узбекистан.

Поэтому использование роторного шлака как вторичного материального ресурса, значительно снизит нагрузку на окружающую среду и позволит получить новый продукт в виде композиционного сорбента. Примененный роторного шлака аккумуляторного завода, образующийся из ванн травления, активации и подготовки стержней (удаление с поверхности железных деталей тончайшего слоя окислов при протравливании верхнего слоя материала-металла стержня) представляет собой порошкообразную массу черного цвета (рис.1.)

Рисунок 1. Роторный шлак

Рентгенофазным методом анализа (РФА) определялся качественный состав исходного роторного шлака на процентного содержания присутствующих в этом шлаке элементов. Анализ этих данных показали, что в наибольшем процентном соотношении содержится ионы Fe (II)-30,0%; Na-15,0%; Si-5,0%; Pb(II)-2,0%, также в шкале в незначительном качестве присутствуют: Cu, Ni, Sb, Mo, Zn, Ag, Cr, Ti, V, Mn, Ba, P, Al. Наличие ионов Fe в роторном шлаке позволяет получить магнетит и ферриты, что обусловливает появление магнитных свойств у роторного шлака.

Процесс ферритизации роторного шлака протекает в щелочной среде при температуре 75-90⁰С в двух стадиях и при этом получается порошкообразный сорбционный материал с магнитными свойствами [5].

На первом этапе при добавлении к суспензии роторного шлака образуются смешанные гидроксиды Fe (II). В результате последующего окисления воздухом, происходит образование ферритов -Ne_nFe_3-nO₄. Для ферритизации роторного шлака Джизакского аккумуляторного завода определены следующие основные параметры: рН=9-11; t=70-85⁰C; к=m(Fe⁺²)/m(роторный шлак)=0,35-критерий ферритизации (доза ионов Fe⁺², которая необходима для обезвреживания определенной массы твердой фазы роторного шлака); τ_опыта = 40-120 мин.; реакционная смесь перемешивается в турбулентном режиме. Получаемые вещества нерастворимы в воде и очень мало растворяется в концентрированной HCI. Эти свойства обуславливает их возможное попадание в окружающую среду и вызовет значительный ущерб в отличие от исходного роторного шлака.

Проведен термогравиметрический анализ (ТГА) роторного шлака. Результа-ты представлены в табл.1.

Таблица 1.

Термогравиметрический анализисходного роторного шлака  

Состав	Основная стадия термолиза	Потери массы в % при температурах, 0с
		100	250	300	400	500	600	700	800	900	1000
Роторный шлак		8	28	33	40	43	49	52	53	55	58

На основании проведенных исследований установлено, что максимальная потеря массы роторного шлака происходит при t=900-1000⁰С и составляет 49-58%. На начальном этапе нагревания до t=250⁰С наблюдается эндотермический эффект, что соответствует области выделения кристаллизационной воды. При температуре выше 700⁰С, образуется стабильная фаза исходного материала и это согласуется с литературными данными приведенными в [1].

С ростом температуры происходит увеличение активности реакционной смеси в процессах твердофазного взаимодействия, а также интенсифицируется массоперенос и инициируются процессы, которые имеют диффузионный характер.

Сорбционные свойства ферритизированных роторных шлаков Джизакско-го аккумуляторного завода исследованы на модельных водных растворах, содержащих ионы металлов Fe (II), Fe(III), Cu(II), Pb(II), Na, которые часто встречаются в сточных водах промышленных объектах региона. В таблице-2 приведены результаты опытов по определению эффективности очистки водных модельных растворов от ионов некоторых тяжелых металлов.

На основе приведенных данных в табл.2 выявлена, что степень очистки сточных вод от ионов некоторых тяжелых металлов с применением ферритизи-рованных роторных шлаков составляет 91-98,0%.

Таблица 2.

Эффективность очистки водных модельных растворов от ионов некоторых тяжелых металлов

*-значение ПДК для вод хозяйственно-питьевого назначения.

Заключение. Таким образом, на основе проведённых исследований можно заключить, что на основе промышленных отходов таких как роторных шлаков Джизакского аккумуляторного завода, возможно получить сорбционный материал и эффективность сорбционной очистки ионов некоторых тяжелых металлов водных модельных растворах составляет 91-98%.

Список литературы:
1. Белинков С.Е. Водоподготовка, -М: «Акватерим», 2007., -231стр
2. Бухарова Е.А. Сорбционные материалы на основе отходов поли этилентерефталита и соединений графита для очистки сточных вод: дисс… канд. Техн. Наук: 05,17,06, Саратов, 2015. -161стр.
3. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производства.,-М., Глобус,1998, -302стр.
4. Климов Е.С., Бузаева М.В. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод. Ульяновск, Ул.ГТУ, 2011. -201стр
5. Климов Е.С., Семенов В.В., Завальцева О.А. и др. Применение ферритизированных гальванических шламов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, Современные наукоемкие технологии. 2004.-№2.-стр. 65-66.