WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Очистка загрязненных вод с помощью новых фильтровально-сорбционных материалов

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

Фогель Алена Александровна

 

 

 

ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ НОВЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНО-СОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

25.00.27 – Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

Барнаул – 2012


Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» на кафедре Химической техники и инженерной экологии, в проблемной научно-исследовательской лаборатории «Технология рекуперации вторичных материалов промышленности» и в университете Саленто (Лечче, Италия)

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор,

Комарова Лариса Федоровна

Официальные оппоненты:

Папина Татьяна Савельевна,

доктор химических наук,

Федеральное государственное бюджетное  учреждение науки Институт водных и           экологических проблем Сибирского        отделения Российской академии наук,     начальник Химико-аналитического центра

Краснова Тамара Андреевна,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»,           зав. кафедрой аналитической химии и      экологии

Ведущая организация           ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный   аграрный университет»

Защита состоится «22» июня 2012 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д. 003.008.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института водных и экологических проблем СО РАН

Автореферат разослан  «__» ______ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат географических наук, доцент          И.Н. Ротанова


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение экономически эффективного и экологически безопасного водопользования, защита водных ресурсов от истощения, загрязнения и деградации – одна из наиболее важных задач современности. Возможности рационального использования водных ресурсов и требования сохранения водной среды для большинства регионов являются лимитирующим фактором социально-экономического развития.

Существенные ограничения для водопользования возникают в связи с природными и антропогенными изменениями химического состава вод. Значительная часть территории Западной Сибири расположена в бассейне реки Обь, основной вклад в загрязнение которой вносят сточные воды промышленных предприятий, содержащие различные высокотоксичные соединения, в том числе нефтепродукты и тяжелые металлы.

В Алтайском крае и г. Барнауле основными источниками поступления данных соединений в водные объекты являются предприятия машиностроения, в т.ч. гальванические производства. В частности, сточные воды, содержащие ионы никеля и меди, образуются на ОАО «Барнаултрансмаш» при нанесении гальванических покрытий. Попадая в водные объекты, загрязненные воды ухудшают их качество, уменьшая или исключая возможности предоставления населению и различным отраслям хозяйства водных, энергетических, биологических, сырьевых и других ресурсов. Обеспечение экономически эффективного и экологически безопасного водопользования возможно путем разработки и внедрения на предприятиях замкнутых водооборотных циклов и ресурсосберегающих процессов, основанных на современных технологиях очистки воды.

Одними из наиболее перспективных методов очистки загрязненных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов являются сорбционные. При этом большая роль отводится сорбционным материалам, которые должны быть доступными, иметь высокую механическую прочность, способность к многократной регенерации, устойчивость к агрессивным средам. Эффективные и доступные сорбенты можно изготавливать и из вторичного сырья, например, из отходов деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, что позволит решить две задачи: очистку воды и одновременно утилизацию отходов. Создание таких материалов является наиболее перспективным направлением совершенствования систем очистки стоков, содержащих тяжелые металлы и нефтепродукты, в целях рационального природопользования и сохранения потребительских свойств водных ресурсов.

Работа выполнена на кафедре Химической техники и инженерной экологии Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова в рамках ведомственной целевой программы «Охрана окружающей среды на территории Алтайского края» на 2010-2012 годы; открытого конкурса Президента РФ на получение стипендий для обучения за рубежом студентов и аспирантов в 2010/2011 учебном году (университет Саленто, Италия); а также по тематике проблемной научно-исследовательской лаборатории АлтГТУ им. И.И. Ползунова «Технология рекуперации вторичных материалов промышленности».

Цель работы: разработка технологии очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов с применением нового сорбционно-ионнобменного материала на основе древесных отходов и бентонитовых глин (Беном-М) в целях защиты водных объектов от загрязнения.

Основные задачи:

  • анализ состояния поверхностных водных объектов Алтайского края, а также оценка характера и степени загрязнений сточных вод, образующихся на территории города Барнаула;
  • разработка технологии получения сорбционного материала на основе бентонитовых глин и древесных отходов для очистки воды от соединений тяжелых металлов и нефтепродуктов;
  • изучение физико-механических свойств и структуры материалов;
  • исследование сорбционной способности исходных и полученных материалов по отношению к ионам тяжелых металлов и нефтепродуктам;
  • изучение возможности и подбор способа регенерации сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовых глин и древесных отходов;
  • математическая обработка экспериментальных данных процесса очистки сорбционным методом;
  • разработка технологических схем очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов в целях сохранения качества водных объектов с использованием новых сорбционных материалов и их технико-экономический анализ.

Объект исследования: сточные воды промышленных предприятий, загрязненные соединениями тяжелых металлов и нефтепродуктами.

Предмет исследования: способ очистки загрязненных вод от нефтепродуктов и соединений тяжелых металлов с применением нового сорбента на основе бентонитовых глин и древесных отходов.

Научная новизна:

  • впервые предложена технология получения нового сорбционного материала на основе модифицированных древесных отходов и бентонитовых глин;
  • исследована сорбционная емкость для полученного материала по нефтепродуктам, ионам меди и никеля в статических и динамических условиях;
  • впервые изучены физико-механические свойства и структура Бенома-М;
  • предложен способ регенерации полученного сорбента раствором гидрокарбоната натрия;
  • разработана технология очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с использованием сорбентов на основе бентонита и древесных отходов, модифицированных растворами соляной и ортофосфорной кислот.

Практическая значимость:

  • полученные сорбционно-ионообменные материалы позволят извлекать из воды ионы тяжелых металлов и нефтепродукты с эффективностью не менее 85 %, что обеспечит снижение антропогенного воздействия на водные объекты и сохранение качества окружающей среды;
  • экспериментальные данные могут быть использованы для расчета основных параметров оборудования технологических схем водоочистки;
  • внедрение полученных сорбентов в практику водоочистки способствует созданию на предприятиях водооборотных циклов, позволяющих обеспечить экономически эффективное и экологически безопасное водопользование.

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом и воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием стандартных и гостированных методик, а также современного измерительного оборудования и методов учета погрешностей измерений.

На защиту выносятся:

  • анализ характера загрязнений поверхностных водных объектов Алтайского края и сточных вод, образующихся на территории города Барнаула;
  • способ получения сорбционно-ионообменного материала на основе модифицированных древесных отходов и бентонитовых глин;
  • результаты исследований физико-химических свойств сорбента;
  • экспериментальные зависимости эффективности очистки воды от ионов меди, никеля и нефтепродуктов с применением бентонитовых глин, древесных опилок и нового сорбционно-ионообменного материала;
  • способ регенерации полученного материала;
  • технологии очистки воды от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов с использованием новых сорбентов.

Реализация результатов работы:

  • материалы диссертационной работы приняты к внедрению на предприятиях: ОАО «Барнаултрансмаш», ООО «НПО Акватех», ООО «Барнаул РТИ»;
  • результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре «Химическая техника и инженерная экология»                ФГБОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова.

Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (г. Барнаул, 2009-2012 гг.), научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу» (г. Барнаул, 2010 г.), Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2010, 2011 г.), Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2010, 2011 гг.), XV Всероссийской НПК с международным участием «Безопасность-2010» (г. Иркутск, 2010 г.), XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Глобальные проблемы и принципы устойчивого развития (г. Новосибирск, 2010 г.), XII Международной НПК «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (г. Кемерово, 2010 г.), Международной НПК «Региональные экологические проблемы» (г. Барнаул, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 6 статей, 5 из них – в журналах, входящих в перечень публикаций ВАК, получено 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 184 наименований, приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 57 рисунков, 51 таблицу.

Автор выражает глубокую признательность за помощь и ценные советы при выполнении настоящей работы к.т.н., доценту кафедры ХТИЭ Сомину В.А. (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и показана необходимость внедрения современных технологий очистки сточных вод, загрязненных ионами тяжелых металлов и нефтепродуктами, с целью защиты водных объектов от истощения, загрязнения и деградации. Рассмотрена перспективность использования сорбционного метода очистки с применением новых материалов.

В первой главе представлен анализ качества поверхностных водных объектов Алтайского края и дана характеристика сточных вод, образующихся на территории города Барнаула. Описываются методы очистки воды от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов. Проведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников и патентов в этой области. Рассмотрены традиционно применяемые и современные технологии очистки воды. Обобщены и проанализированы имеющиеся в литературе данные о применении материалов минерального и органического происхождения в практике очистки воды сорбционным методом, изложены современные представления о механизме данного процесса. Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе представлены методики анализа ионов меди и никеля в воде методами фотоколориметрического анализа и спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, а также нефтепродуктов – инфракрасной спектрометрией. Представлен способ получения сорбционного материала из бентонитовых глин и модифицированных древесных опилок. Описываются методики определения физико-механических свойств бентонитовых глин, древесных опилок и материалов на их основе (рентгенофазовый анализ, ИК-спектрометрия, сканирующая электронная микроскопия, порометрия). Излагается методика изучения емкости Бенома-М и входящих в его состав компонентов в статических и динамических условиях.

В третьей главе изложены результаты исследований по очистке воды от ионов меди, никеля и нефтепродуктов сорбционным методом с использованием разработанных материалов.

Полученный ранее сорбционный материал на основе древесных опилок и бентонитовых глин отличает невысокая механическая прочность и постепенное вымывание сорбционного слоя. Была предложена модификация сорбентов с целью улучшения их физико-механических характеристик.

В работе использовались бентонитовые глины Таганского (натриевая и кальциевая) и Хакасского (марок 5.1, 6.1, 6.9) месторождений. Бентониты образуют трудноосаждаемые в воде суспензии и легко вымываются при фильтровании, поэтому предварительно их необходимо нанести в виде тонкого слоя на подготовленный каркас, в качестве которого было предложено использовать отходы деревообработки – древесные опилки трех видов (сосновые, осиновые, березовые). Для увеличения пористости и лучшего закрепления частиц бентонита опилки предварительно подвергались модификации. В качестве модификаторов использовались растворы: 5 %-ый ортофосфорной кислоты, 0,5 н и 1 н соляной кислоты и гидроксида натрия.

Изучены сорбционные свойства бентонитовых глин обоих месторождений, модифицированных и немодифицированых древесных опилок в статических условиях при постоянной температуре 20?С.

Для увеличения и регулирования пористой структуры, изменения химической природы поверхности и увеличения сорбционной емкости бентонитовые глины подвергали различным видам активации. Проведенные на кальциевом Таганском бентоните исследования показали, что для активации лучше использовать раствор карбоната натрия, так как в этом случае сорбционная обменная емкость (СОЕ) увеличивается более значительно (до 65 мг/г и 35 мг/г для ионов меди и никеля соответственно). Для бентонитовых глин Хакасского месторождения различных марок максимальное значение СОЕ наблюдается у бентонита марки 6.9 и составляет 48 мг/г для ионов меди, при его активировании раствором карбоната натрия СОЕ возрастает до 72 мг/г и 63 мг/г для ионов меди и никеля соответственно.

Рисунок 1 – Зависимость сорбционной             емкости (а) модифицированных сосновых опилок от равновесной концентрации (Сравн) ионов меди в     растворе

Сравнительный анализ влияния различных способов обработки опилок на их сорбционные свойства показал, что СОЕ по отношению к ионам меди увеличивается по сравнению с немодифицированными в среднем в 1,5 раза. На рисунке 1 приведены изотермы сорбции ионов меди на модифицированных сосновых опилках. Максимальная степень извлечения ионов меди отмечена для опилок, обработанных раствором щелочи (24 мг/г). Опилки, модифицированные 5 % раствором ортофосфорной и 0,5 н раствором соляной кислот, имеют сопоставимую сорбционную емкость в широком интервале концентраций. Аналогичные результаты были получены при модификации березовых и осиновых опилок.

Получение сорбционного материала, названного Беном-М, осуществлялось смешением в водной среде бентонита с опилками (по видам), после чего смесь подвергалась высушиванию, измельчению и последующей термической обработке.

Для выбора оптимального материала были определены механические свойства полученных сорбентов, которые представлены в таблице 1. Увеличение доли опилок в составе сорбентов приводит к уменьшению их механической прочности и зольности, при этом у материала с кальциевым бентонитом механическая прочность несколько выше, чем у аналогичного с натриевым. При большем содержании опилок увеличивается влажность сорбента и суммарный объем пор. Также были определены механические характеристики материалов при использовании различных модификаторов. Наибольшей механической прочностью обладают материалы на основе березовых опилок и сосновых опилок, модифицированных растворами соляной и ортофосфорной кислот. При этом суммарный объем пор практически не зависит от вида древесины, а изменяется в зависимости от типа используемого модификатора.

Таблица 1 – Механические свойства материалов на основе Таганского бентонита с модифицированными ортофосфорной кислотой сосновыми опилками

Параметр

Материал на основе

натриевого бентонита

кальциевого бентонита содовой активации

соотношение бентонит:опилки

1:1

1:2

1:3

1:5

1:1

1:2

1:3

1:5

Насыпная плотность, кг/м3

135

132

107

138

117

113

Прочность материала, %

30,4

21,7

26,5

15,0

41,4

40,9

21,7

16,7

Влажность, %

3,1

4,3

4,9

5,4

2,6

4,3

5,5

5,9

Зольность сорбента, %

56,6

35,3

35,3

30,5

54,9

33,1

29,4

28,9

Суммарный объем пор, г воды/г сорбента

1,9

2,2

3,4

3,5

1,9

2,0

3,3

2,4

В университете Саленто были получены и обработаны ИК-спектры сорбентов, древесных опилок и бентонитовых глин, осуществлен рентгеноспектральный анализ материалов, изучен их состав, морфологические свойства и параметры пористой структуры.

Рисунок 2 – ИК-спектр активированного         бентонита марки 6.9 Хакасского месторождения,   сосновых опилок, модифицированных соляной      кислотой, и материала на их основе

Рентгеноспектральный анализ показал, что для сорбционного материала характерны пики, типичные для древесины и глины, но меньшим количеством и интенсивностью, что связано с изменением структурных физических свойств компонентов материала. Уменьшение интенсивности пиков по сравнению с исходным бентонитом является следствием частичного разрушения кристаллической структуры бентонитовой глины.

Существенный вклад в изменение спектра Бенома-М оказывает тип опилок, а закрепление бентонитовой глины на поверхности материала происходит механически. На рисунке 2 показан ИК-спектр сорбента на основе активированной бентонитовой глины Хакасского месторождения и модифицированных соляной кислотой сосновых опилок, а также спектры бентонита и древесины. В спектре Бенома-М можно отметить пики в области 900-600 см-1, характеризующие Si-O и Al-O деформации, которые подтверждают наличие в составе материала бентонитовых глин. Аналогичные спектры наблюдаются и для других сорбентов.

Поверхность бентонитовых глин, модифицированных древесных опилок и Бенома-М была исследована при помощи сканирующего электронного микроскопа (рисунок 3). Видно, что адсорбенты обладают нерегулярной поверхностью, характеризующейся наличием асимметричных пор и открытой пористой структуры, которые могут обуславливать эффективную адсорбцию ионов металла за счет развитой внутренней поверхности. Можно отметить, что распределение бентонитовых глин по всей поверхности материалов в виде тонкой пленки не является однородным. Проведенный химический анализ материалов, показал, что состав изменяется по поверхности сорбентов. Места с повышенным содержанием бентонита характеризуется высоким содержанием кремния и алюминия. На рисунке 4 показан состав Бенома-М на основе активированного бентонита Хакасского месторождения и сосновых опилок, модифицированных соляной кислотой.

                

а                                                                  б

Рисунок 3 – Поверхность материалов на основе активированного бентонита (увеличение в 500 раз): а) Таганского месторождения и сосны, модифицированной ортофосфорной кислотой; б) Хакасского месторождения и сосны,                        модифицированной соляной кислотой

Рисунок 4 – Спектрограмма Бенома-М на основе активированного бентонита Хакасского месторождения и сосновых опилок, модифицированных соляной     кислотой

Первая серия экспериментов по изучению сорбционной емкости нового материала направлена на определение оптимального соотношения компонентов сорбента. Беном-М приготовлялся на основе опилок, модифицированных раствором ортофосфорной кислоты, с нанесением на них бентонитовой глины Таганского месторождения кальциевой содовой активации и натриевой с соотношением бентонита и опилок от 1:1 до 1:5. СОЕ определялась для модельных растворов сульфатов меди и никеля с концентрацией от 10 до 1000 мг/г.

При равновесной концентрации очищаемого раствора до 250 мг/л с увеличением количества бентонита в составе материала СОЕ увеличивается (рисунок 5). Однако свыше данной концентрации максимальная эффективность извлечения меди характерна для Бенома-М с соотношением бентонит: опилки 1:2 (до 45 мг/г). Кроме того, этот материал имеет достаточно высокие прочностные характеристики и значительный суммарный объем пор. СОЕ материалов, изготовленных на основе березовых и осиновых опилок, практически одинакова.

Рисунок 5 – Изотермы сорбции ионов   меди на материале из кальциевого бентонита содовой активации и модифицированных    сосновых опилок

Вторая серия экспериментов по изучению СОЕ материалов направлена на поиск наилучшего типа модификатора древесных опилок. Для исследования сорбционной емкости в статических условиях были взяты материалы на основе активированной бентонитовой глины марки 6.9 Хакасского месторождения с использованием сосновых опилок, модифицированных 1,0 н, 0,5 н и 5 % растворами соляной и ортофосфорной кислот соответственно и раствором гидроксида натрия, концентрацией 5 г/л. Результаты исследований представлены на рисунке 6.

Наибольшей сорбционной емкостью (до 40 мг/л) по отношению к ионам меди обладает материал на основе опилок, модифицированных раствором гидроксида натрия. Однако этот сорбент быстро разрушается в водной среде, что затрудняет его практическое использование. Для материалов с обработкой 0,5 н и 1 н растворами соляной кислоты сорбционная емкость оказалась близкой и достигает значения 36 мг/г. Поэтому целесообразнее использовать в качестве модификатора 0,5 н раствор соляной кислоты.

а                                                                  б

Рисунок 6 – Изотермы сорбции на Беноме-М из активированного бентонита марки 6.9 и модифицированных сосновых опилок: а) ионов меди; б) ионов никеля

По отношению к ионам никеля максимальной СОЕ обладает материал на основе опилок, модифицированных раствором соляной кислоты, его емкость достигает 45 мг/л.

По результатам экспериментов, выявлено, что в качестве основы для сорбента лучше использовать сосновые опилки, а модификатора – 0,5 н раствор соляной кислоты, этот материал обладает более высокими значениями СОЕ и механической прочности. При этом вид бентонита практически не оказывает влияния на степень извлечения ионов тяжелых металлов.

Также изучалась СОЕ Бенома-М по отношению к нефтепродуктам, в качестве которых выбрана фракция бензина АИ-92, кипящая при температуре выше 100 °С, и проводился сравнительный анализ эффективности очистки от них на различных материалах (таблица 2). Эффективность извлечения нефтепродуктов Беномом-М достигает 88,4 %, что сопоставимо с опилками, поэтому в последующих исследованиях было решено использовать древесные опилки. С целью увеличения их гидрофобности производилась обработка путем смешения с измельченным парафином в соотношении 2:1. Смесь нагревалась при постоянном перемешивании до температуры плавления парафина, после чего охлаждалась. Степень извлечения нефтепродуктов на данном сорбенте достигает 91,2 %, что превышает значения для других материалов и сопоставимо с эффективностью при использовании активного угля БАУ (99,4 %).

Таблица 2 – Эффективность (Э) очистки от нефтепродуктов на различных материалах

Исследуемый материал

Исходная концентрация

40 мг/л

100 мг/л

Сравн, мг/л

СОЕ

а, мг/г

Э, %

Сравн, мг/л

СОЕ

а, мг/г

Э, %

Сосновые опилки

8,50

1,26

78,8

15,40

3,38

84,6

Хакасский бентонит

6,32

1,35

84,2

13,20

3,47

86,8

Сорбент на основе Хакасского бентонита и парафина

8,09

1,28

79,8

16,40

3,34

83,6

Беном-М на основе модифицированных осиновых опилок и Хакасского бентонита

12,40

1,10

78,8

15,80

3,37

84,2

Беном-М на основе модифицированных сосновых опилок и Хакасского бентонита

6,30

1,35

84,3

11,60

3,54

88,4

Сорбент на основе сосновых опилок и парафина

3,39

1,44

90,2

8,79

3,65

91,2

БАУ

0,33

1,59

99,2

0,6

3,98

99,4

В динамических условиях для извлечения ионов тяжелых металлов было решено использовать сорбент из бентонитовых глин Таганского месторождения и сосновых опилок, модифицированных ортофосфорной кислотой, а также активированного бентонита марки 6.9 Хакасского месторождения и сосновых опилок, модифицированных соляной кислотой. Они имеют достаточно высокие прочностные характеристики и суммарный объем пор при сопоставимой СОЕ. Использовались модельные растворы сульфатов меди и никеля с концентрацией 50 и 10 мг/л, скорость процесса фильтрования составляла 3-5 м/ч.

На рисунке 7 приведены зависимости эффективности очистки от ионов меди на материале с Таганским бентонитом и сосновыми опилками, модифицированными ортофосфорной кислотой от удельного объема пропущенного раствора. Наибольшая степень извлечения 70 % оказалась при использовании сорбента с активированным кальциевым бентонитом (Сн=10 мг/л), с натриевым бентонитом для аналогичной начальной концентрации – порядка 50 %. При Сн=50 мг/л наибольшая эффективность составляет 55 % для Бенома-М с активированным кальциевым бентонитом, и 50 % – с натриевым.

Рисунок 7 – Зависимость эффективности            извлечения (Э) ионов меди от удельного объема (Q) раствора на материалах из Таганского бентонита и сосновых опилок, модифицированных ортофосфорной кислотой

Аналогичные исследования с Хакасским бентонитом показали эффективность извлечения ионов меди и никеля 95 % и 98 % соответственно. Однако в данном случае происходит некоторое уменьшение удельного объема пропущенного раствора.

Рисунок 8 – Зависимость времени             достижения полной динамической емкости от количества регенераций Бенома-М по ионам меди

С целью восстановления сорбционных свойств Бенома-М была проведена его регенерация раствором гидрокарбоната натрия концентрацией 100 мг/л. Для свежеприготовленных и регенерированных сорбентов определялось время защитного действия фильтра и время достижения полной динамической емкости для всех металлов при Сн=10 мг/л. Время защитного действия фильтра (до достижения эффекта очистки, равного 50 %), до регенерации для материала с опилками, предварительно модифицированными ортофосфорной кислотой составляет 2,3 ч, что несколько превышает аналогичное значение (1,8 ч) для Бенома-М с Хакасским бентонитом и опилками, обработанными соляной кислотой. После регенераций время снижается.

Наибольшая продолжительность фильтроцикла наблюдается у материала с Таганским бентонитом и модифицированными ортофосфорной кислотой опилками (9,5 ч). Для обоих сорбентов после проведения первой регенерации отмечено резкое снижение времени фильтроцикла, после второй время практически не изменяется (рисунок 8). Время защитного действия фильтра для ионов никеля ниже аналогичного значения для ионов меди, при этом количество регенераций не влияет на его изменение.

Проведено математическое описание сорбции ионов меди на разработанных материалах по уранениям Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина-Радушкевича. Анализ параметров уравнений показал, что для описания лучше использовать уравнение Фрейдлиха.

В четвертой главе на основе проведенных исследований была предложена принципиальная технологическая схема очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с использованием разработанных сорбционных материалов. Реализация рассмотренной технологии позволит организовать на производстве замкнутый водооборотный цикл, повысить надежность водопользования и снизить нагрузку на водные объекты.

Технологическая схема очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (рисунок 9) включает: сорбционно-ионообменные фильтры, узлы предварительной очистки и доочистки стоков, а также приготовления сорбента и регенерационного раствора. В качестве загрузки используется Беном-М на основе активированного бентонита и сосновых опилок, модифицированных соляной или ортофосфорной кислотами.

1 – усреднитель; 2 – насос; 3 – механический фильтр; 4 – отстойник промывных вод; 5 – напорный резервуар; 6 – ионообменный фильтр; 7 – сборник отработанного сорбента; 8 – расходный бак кислоты; 9 – емкость для модификации опилок; 10 – дозатор;11 – ленточная сушилка; 12 – грохот; 13 – емкость приготовления сорбента; 14 – емкость активации бентонита; 15 – емкость сбора фильтрата; 16 – растворный бак соды; 17 – расходный бак соды; 18 – емкость сбора очищенной воды; 19 – емкость отработанного регенерационного раствора

Рисунок 9 – Принципиальная технологическая схема очистки воды от              соединений тяжелых металлов с использованием нового сорбента

В таблице 3 представлены основные технико-экономические показатели от реализации технологической схемы очистки промывных вод гальванического производства от ионов меди с расходом 52 м3/сут.

Таблица 3 – Основные показатели эффективности использования инвестиций при реализации сорбционной схемы очистки воды от ионов меди

Наименование

Единица измерения

Показатели

Себестоимость 1 м3 очищенных стоков

руб.

360,0

Инвестиции в проект

тыс. руб.

2158,4

Рентабельность инвестиций

%

34,8

Экономия природных ресурсов (воды)

руб./год

266000,0

Экономия от проведения природоохранных мероприятий

руб./год

2150151,7

Срок окупаемости инвестиций

год

4,4

Годовой эколого-экономический  эффект

руб./год

1558256,9

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Проведен анализ состояния поверхностных водных объектов Алтайского края и сточных вод, образующихся на территории города Барнаула. Основными загрязнителями поверхностных вод, на протяжении последних лет остаются нефтепродукты, железо, соединения меди, фенолы.
  2. Разработана технология получения нового сорбционного материала на основе бентонитовых глин и модифицированных древесных опилок (Беном-М).
  3. Исследованы физико-механические свойства и структура Бенома-М, на основании которых рекомендовано соотношение бентонита и опилок 1:2, а в качестве модификатора растворы 0,5 н соляной и 5 % ортофосфорной кислот.
  4. Определены статические, динамические и кинетические характеристики процесса сорбции металлов и нефтепродуктов на предложенных сорбентах. Изучен процесс регенерации материала раствором гидрокарбоната натрия.
  5. Для очистки воды от ионов меди рекомендовано использовать активированные карбонатом натрия бентониты, а также модифицированные сосновые опилки, от ионов никеля – активированный бентонит марки 6.9 Хакасского месторождения и обработанные соляной кислотой сосновые опилки, максимальная эффективность очистки составляет 95 % для ионов меди, время достижения полной динамической емкости сорбента 9,5 часа, для ионов никеля 98 % и 4,5 часа соответственно.
  6. Для очистки воды от нефтепродуктов предлагается материал на основе немодифицированных сосновых опилок и парафина, при этом максимальная эффективность очистки воды достигает 90 %.
  7. С целью защиты водных объектов от загрязнения разработана технологическая схема очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, сорбционным методом, проведено ее технико-экономическое обоснование. Экономия от реализации технологии очистки сточных вод от соединений меди с использованием Бенома-М составит более 2 млн. руб./год. Внедрение предлагаемой схемы позволит создать замкнутый водооборот, предотвратить вторичное загрязнение водоемов и сократить расходы по очистке воды.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) работы в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Фогель, А.А. Технология очистки сточных вод процессов нанесения гальванических покрытий с использованием сорбента на основе бентонита и древесных опилок / А.А. Фогель, В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова // Известия ВУЗов. – 2010. – Т. 53. № 12. – С. 116–119

2. Фогель, А.А Применение сорбента на основе отходов деревообрабатывающих производств для очистки гальванических стоков / А.А. Фогель, В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова, Д.Г. Шимонаева // Ползуновский вестник. – 2010. – №3, – С. 290-293

3. Фогель, А.А. Изучение сорбционных свойств материалов на основе отходов производства древесины и минерального сырья / А.А. Фогель, В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова // Химия в интересах устойчивого развития, 2011. – №19. – С. 461-465

4. Фогель, А.А. Исследования по модификации древесных опилок для получения новых сорбционных материалов / В.А. Сомин, В.М. Осокин, Л.Ф. Комарова, А.А. Фогель // Ползуновский вестник. – 2011 – №4 – С. 169-172

5. Фогель, А.А. Исследование свойств и структуры сорбента на основе древесных опилок и бентонитовых глин / А.А. Фогель, В.А. Сомин Л.Ф. Комарова, Роберта Дел Соле // Ползуновский вестник. – 2011 – №4 – С. 183-186

б) статьи в других изданиях

1. Фогель, А.А. Разработка технологии очистки воды от ионов меди с использованием природных материалов / А.А. Фогель, В.А. Сомин, О.В. Сухорукова, Л.Ф. Комарова // Сб. материалов XIII Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий», (МЭСК-2008). – Новосибирск, 2008. – С. 107-108.

2. Фогель, А.А. Перспективы очистки стоков гальванических производств в целях сохранения качества окружающей среды / О.В. Сухорукова, А.А. Фогель, В.А. Сомин // Сборник докладов 5-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» – Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2008. – С. 21-22.

3. Фогель, А.А. Получение высокоэффективных композиционных материалов методом тонкой модификации базальтовых волокон и отходов деревообрабатывающих производств для очистки воды от ионов металлов / А.А. Фогель, А.В. Панасенко, О.В. Сухорукова, Е.В. Кондратюк, Л.Ф. Комарова // Материалы XV Международной научно – практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» Сборник трудов в 3 томах. – Т.2 – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – С. 97-99

4. Фогель, А.А. Разработка технологии очистки воды от ионов меди и хрома с использованием новых сорбционно-ионообменных материалов / А.А. Фогель, В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова // Сборник докладов 6-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Природоохранные технологии» / АлтГТУ им.И.И.Ползунова. – Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009 с. 57-59

5. Фогель, А.А. Получение нового сорбционного материала и создание на его основе технологии очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / А.А. Фогель // Ползуновский альманах. – Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009. – №2. – С. 88-89

6. Фогель, А.А. Исследования по модификации сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовых глин и древесных опилок / Д.Г. Шимонаева, А.А. Фогель, В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова // Молодежь-Барнаулу. Материалы XI научно-практической конференции молодых ученых (17-20 ноября 2009) в 2 т. Т.1. / отв. ред. Б.А. Черниченко. – Барнаул, 2010. – С. 513-515

7. Фогель, А.А. Новый сорбент на основе древесных опилок и бентонитовых глин для очистки сточных вод от ионов меди / В.М. Осокин, Д.Г. Шимонаева, А.А. Фогель, В.А. Сомин // Материалы докладов XV Всерос. студенческой научно-практической конференции с международным участием «Безопасность-2010». – Иркутск: Изд-во ИркГТУ, 2010. – С. 238-240

8. Фогель, А.А. Новые сорбционные материалы для очистки гальванических стоков от меди / Д.Г. Шимонаева, А.А. Фогель, М.А. Полетаева, В.А. Сомин // Материалы XI всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке». Т.II. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – С. 194-196

9. Фогель, А.А. Перспективы применения сорбента на основе отходов деревообрабатывающих производств для очистки гальванических стоков / Д.Г. Шимонаева, А.А. Фогель, В.А. Сомин // Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Глобальные проблемы и принципы устойчивого развития / Новосиб. гос. ун-т. – Новосибирск: Изд-во НГУ, 2010. – С. 99-100

10. Фогель, А.А. Получение новых сорбентов на основе древесных отходов для очистки сточных вод гальванических производств / А.А. Фогель, В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова // Сборник докладов 7-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь". Секция «Природоохранные технологии» / АлтГТУ им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. – С. 27-29

11. Фогель, А.А. Выявление возможности создания новых сорбционных материалов на основе природного сырья / В.М. Осокин, А.А. Фогель, В.А. Сомин // Сборник материалов XV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий», (МЭСК-2010). – Новосибирск, 2010. – С. 201-202

12. Фогель, А.А. Получение новых сорбционных материалов на основе древесных отходов и минерального сырья для очистки сточных вод от ионов металлов / А.А. Фогель, В.А. Сомин Л.Ф. Комарова А.С. Озерская // Труды XII международной НПК «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» / КемТИПП, СибГИУ, НГАСУ, ООО КВК «Экспо-Сибирь». – Кемерово, 2010 – С. 75-76

13. Фогель, А.А Очистка воды от ионов меди с использованием сорбента на основе древесных отходов / А.А. Фогель, Н.П. Радченко, В.М. Осокин, В.А. Сомин // Научно-образовательный журнал АлтГТУ «Горизонты Образования». – Барнаул, 2011. – Вып. 13 – С. 30-32

 

Подписано в печать 18.01.2012. Формат

Печать – цифровая. Усл.п.л. 0,93.

Тираж 100 экз. Заказ 2012 - 25

Отпечатано в типографии АлтГТУ,

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность

ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.