Апр 12 2002

Применение отходов угледобывающей промышленности для глубокой очистки сточных вод от тяжелых металлов

Опубликовано в 15:41 в категории Сбор и утилизация отходов

Применение отходов угледобывающей промышленности для глубокой очистки сточных вод от тяжелых металлов

А.Ф. Коновалов, С.Г. Кременева, О.Г. Кременев, О.В. Загорулько

Донецкий научный центр НАН Украины и Миннауки Украины

Черезвычайная ситуация, которая сложилась в Украине в связи со значительным сокращением ресурсов и усиливающимся загрязнением пресной воды, требует разработки и внедрения методов очистки сточных вод от вредных примесей тяжелых металлов. В противном случае народному хозяйству Украины потребуется объем воды в 4 -5 раз превышающий ее пресные ресурсы.

Применяющиеся в настоящее время в широких масштабах традиционные биологические методы очистки промышленных сточных вод не обеспечивают полноты очистки и не удовлетворяют современным мировым требованиям к качеству, так как в стоках имеются биологически неокисляемые или трудно окисляемые токсичные соединения, транзитом проходящие через биологические очистные сооружения (БОС) и сбрасываемые в природные водоемы.

Применение химических реагентов для этих целей требует большого их расхода и приводит к вторичному загрязнению воды – повышению ее солесодержания.

Сорбционные методы с традиционным использованием активированных углей (применяемые в таких высокоразвитых странах, как США, Франция, Япония, Германия) не позволяют удалять из воды ряд веществ. Кроме того, применение активированных углей в нашей стране ограничено их достаточно высокой стоимостью. Использование синтетических ионообменников для извлечения токсичных веществ требует для регенерации значительное количество реагентов, что выдвигает проблему обезвреживания и переработки элюатов от регенерации ионообменных фильтров.

В настоящее время количество фильтрующих и сорбирующих материалов достигает нескольких десятков наименований.

Необходимость изыскания новых фильтрующих материалов диктуется прежде всего стремлением использовать более доступные и дешевые материалы Донецкого региона.

В качестве объектов исследования были выбраны низкосортные угли с высокими значениями величин удельной поверхности и отработанная шахтная порода, обладающая адсорбционными свойствами.

Надо отметить, что проблемы переработки, использования и утилизации отработанной шахтной породы весьма актуальны, как в Украине, так и в Донбассе в частности. Запасы извлеченной из недр земли породы, заскладированной на терриконах занимают десятки тысяч плодородных земель.

В качестве низкосортных нетопливных углей были выбраны бурые угли Западного Донбасса (Новомосковское месторождение) и Днепровского бассейна (Александрийское месторождение).

Известно, что окислением обычных активных углей при 400 – 450°С в атмосфере воздуха получают так называемые \’\'окисленные угли\’\', обладающие свойствами катионообменников. Учитывая эти факты были изучены возможности использования низкосортных углей и продуктов их термоокислительной деструкции в нижеприведенных условиях. Активация образцов угля фракции 0,20-0,25 мм проводилась в интервале температур 20-500° С при скорости нагревания 100° С в минуту в потоке инертного газа. В качестве активирующих агентов использовались наиболее дешевые и доступные – кислород воздуха и вода.

Проведенные исследования показали, что бурый Новомосковский уголь поддается активации слабо. В то же время Александрийский бурый уголь активируется довольно успешно: в интервале температур 450-500°С величина статической обменной емкости (по железу) возрастает в два раза.

Сорбционные емкости по катионам тяжелых металлов, полученные в результате эксперимента (в мг-экв/г) следующие:

Новомосковский бурый природный уголь: Feобщ – 1,78; Ni2+ - 0,89; Mn 2+ - 1,40; Zn 2+ - 1,00; Pb 2+ - 1,68;

Александрийский бурый природный уголь: Feобщ – 1,10; Ni 2+ - 0,75; Mn2+ - 0,90; Zn 2+ -0,90; Pb 2+ - 0,96;

Продукт активации Александровского бурого угля (5000С, кислород): Feобщ – 1,68; Ni 2+ - 0,80; Mn 2+ - 1,25; Zn 2+ - 1,50;

Pb 2+ - 1,56.

Известный окисленный уголь ОУ-А: Feоьщ – 1,79; Ni 2+ - 0,83;

Mn 2+ - 1,50; Zn 2+ - 0,60; Pb 2+ - 0,46.

Наряду с низкосортными углями были исследованы образцы шахтных пород Донецко-Макеевского региона в качестве адсорбентов для очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Важным свойством сорбентов при применении их в адсорбционной технологии является способность пропитываться и оседать в воде. При адсорбционной очистке больших объемов сточных вод кинетические характеристики являются определяющими. Данные по исследованию скорости свободного осаждения образцов шахтных пород показали, что процесс пропитки и осаждения заканчивается через 1,0 – 1,5 мин. Таким образом, отпадает необходимость во вспомогательном оборудовании для смачивания сорбента.

Исследование оптимальных величин концентрации ионов водорода (pH) показало, что оптимальным режимом сорбции на шахтной породе для катионов железа является область значений pH от 3 до 5, а для катионов цинка, свинца, никеля, марганца – pH от 8,0 до 8,5.

Сорбцию проводили в статических условиях при комнатной температуре. Массовое соотношение адсорбент-вода 1:100.

Анализ водных растворов на содержание примесей тяжелых металлов проводили атомно-адсорбционным методом.

Образцы породы предварительно измельчали на щековой дробилке, рассеивали на восемь фракций. Результаты исследований показали, что наилучшие сорбционные свойства имеют образцы породы с размером фракций 0,5 – 1,6 мм.

Адсорбция тяжелых металлов целесообразна в низкоконцентрированных растворах и обусловлена как физической сорбцией, так и хемосорбцией. Лимитирующей стадией процесса сорбции является стадия подвода сорбирующего вещества к сорбенту (внешний перенос) и перемещения его молекул внутри зерна сорбента (внутренняя диффузия).

Обычно в аппаратах сорбционной очистки воды внешняя диффузия снимается. Стадией лимитирующей кинетику является перенос вещества в транспортных порах. Скорость сорбции убывает с ростом размеров зерна сорбента и уменьшением объемов транспортных пор.

Для обеспечения постоянства концентраций ионов тяжелых металлов в растворе, исследования по кинетике сорбции проводили в статических условиях при комнатной температуре, интенсивном перемешивании и массовом соотношении адсорбент – вода 1:100.

Изучение кинетики сорбции показало, что состояние равновесия наступает через 5 минут.

Исследованные образцы шахтных пород Макеевско-Донецкого региона в оптимальных условиях эксперимента поглощают до 85 % тяжелых металлов из сточной воды.

Таким образом, полученные результаты показывают, что:

– природные бурые угли, окисленные в условиях залегания Западного Донбасса и Александрийского месторождения Днепровского бассейна являются эффективными сорбентами тяжелых металлов, не уступающими известным активным углям;

– шахтная порода также является полифункциональным и дешевым сорбентом для глубокой очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Предложенные материалы являются весьма перспективными, доступными, дешевыми и достаточно эффективными сорбентами для практического применения при разработках технологий очистки промышленных сточных вод.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.