WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

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

Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов отходами производства дисахаридов

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

ЛУПАНДИНА Наталья Сергеевна

Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов отходами производства дисахаридов

03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза-2012

1


Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" на кафедре "Промышленная экология"

Научный руководитель -    доктор технических наук, профессор

Свергузова Светлана Васильевна

Официальные оппоненты:   доктор   технических   наук,   профессор    кафедры

«Биотехнология, физическая и аналитическая химия» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» Плохое Сергей Владимирович; доктор химических наук, профессор, заведующая кафедрой «Экология и охрана окружающей среды» Энгельсского технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина» Ольшанская Любовь Николаевна


Ведущая организация


Региональный центр государственного экологического контроля и мониторинга по Пензенской области Федерального бюджетного учреждения «Государственный научно-исследовательский институт промышленной экологии» (РЦГЭКиМ по Пензенской области ФБУ «ГосНИИЭНП»)


Защита состоится 20 марта 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а /11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия".

Автореферат разослан "10" февраля 2012 г.


Ученый секретарь диссертационного совета


Яхкинд Михаил Ильич


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сточные воды многих химических, нефтехимических, электрохимических и других предприятий содержат соединения тяжелых металлов, которые часто попадают в природные водоемы. Тяжелые металлы являются ядами кумулятивного, аддиативного, канцерогенного и мутагенного действия, поэтому стоки, содержащие тяжелые металлы, должны подвергаться глубокой очистке.

Традиционно очистку сточных вод от тяжелых металлов проводят реа-гентными и сорбционными способами, при этом расходуются дорогостоящие реагенты и материалы, что является нерациональным с точки зрения использования природных ресурсов.

В то же время в ряде промышленных производств образуются крупнотоннажные отходы, физико-химические свойства которых позволяют отнести их к категории перспективных для использования в процессе водоочистки. Поэтому разработка эффективных и экологически безопасных способов очистки сточных вод, содержащих соединения тяжелых металлов, с использованием промышленных отходов является актуальной задачей.

Цель работы. Установление физико-химических особенностей и оптимальных условий процесса очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (на примере Си2+ и Ni2+) твердыми отходами производства дисахаридов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Определить качественный и количественный состав и физико-химические свойства твердого отхода производства дисахаридов - исходного дефеката (ИД) и термически модифицированного дефеката (ТМД).
  2. Выявить оптимальные параметры процесса термической модификации дефеката, обеспечивающие высокую эффективность очистки сточных вод от ионов Си2+ и Ni2+.
  3. Оценить адсорбционно-реагентную способность термически модифицированного дефеката  при различных параметрах технологического процесса.
  4. Установить закономерности очистки сточных вод гальванических производств с использованием отхода производства дисахаридов - термически модифицированного дефеката.
  5. Разработать технологические рекомендации и схему процесса очистки сточных вод гальванических производств от ионов Си2+ и Ni2+.

6. Разработать способ утилизации образующегося осадка.

Научная новизна работы:

  1. Впервые теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность использования отхода производства дисахаридов - дефеката для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, основанная на протекании сорб-ционно-реагентных и коллоидных процессов.
  2. Выявлена взаимосвязь между условиями термообработки дефеката, удельной поверхностью, рН водной среды, физико-химическими, сорбционны-

3


ми и реагентными свойствами модифицированного дефеката, заключающимися в образовании сорбционно-активного углеродного слоя на поверхности частиц дефеката в процессе термообработки, возрастании дисперсности и удельной поверхности дефеката.

  1. Предложен механизм и определены кинетические закономерности снижения концентрации ионов металлов в растворе при очистке стоков термически модифицированным дефекатом, заключающиеся в реагентно-сорбционном и коллоидном взаимодействии и сопровождающийся повышением рН среды и образованием малорастворимых осадков. Рассчитаны термодинамические параметры изотерм адсорбции, которые подтверждают специфическую природу адсорбции ионов металлов на поверхности модифицированного дефеката.
  2. Получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие процессы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Установлена многофакторная зависимость эффективности очистки от длительности термической обработки исходного дефеката, продолжительности контакта со сточными водами, температуры термической обработки исходного дефеката, массы добавки термически модифицированного дефеката.

Научная новизна полученных результатов подтверждена патентом РФ на изобретение № 2416573 "Способ очистки сточных вод". Практическая значимость работы:

  1. Предложена технология очистки сточных вод с использованием термически модифицированного дефеката, сопоставимая с традиционно используемыми реагентными и сорбционными методами. Показано, что степень очистки при использовании термически модифицированного дефеката составляет 95 % для ионов Си2+ и 98 % - для ионов Ni2+.
  2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса очистки сточных вод от ионов Си2+ и Ni2+, а именно температура термической обработки исходного дефеката - 600 °С, время термической обработки - 30 минут, длительность взаимодействия со сточными водами - 25 минут, масса добавки термически модифицированного дефеката - 2 г/л.
  3. Предложены рекомендации по использованию осадков, полученных в результате очистки сточных вод отходом производства дисахаридов, в качестве порообразующей добавки при производстве керамических изделий.

Внедрение результатов исследований: Результаты работы нашли применение для совершенствования существующих очистных систем и технологий очистки сточных вод гальванических производств ООО "Завод-Новатор" (г. Белгород) и в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при чтении лекций по дисциплинам: "Промышленная экология", "Техника защиты окружающей среды", в курсовом и дипломном проектировании, что подтверждено актами, приложенными к диссертации.

Достоверность полученных результатов: обеспечивается применением апробированных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов, а также корректной оценкой по-

4


грешности экспериментальных данных и их удовлетворительным совпадением с производственными результатами.

Личный вклад автора: состоит в проведении экспериментальных исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Взаимосвязь между условиями термообработки дефеката, его удельной поверхностью, рН водной среды, физико-химическими, сорбционными и реа-гентными свойствами модифицированного дефеката при очистке сточных вод, заключающимися в образовании сорбционно-активного углеродного слоя на поверхности частиц дефеката в процессе термообработки, возрастании дисперсности и удельной поверхности дефеката.
  2. Механизм и кинетические закономерности снижения концентрации ионов металлов в растворе при очистке стоков термически модифицированным дефекатом, заключающиеся в протекании реагентно-сорбционного и коллоидного взаимодействия и сопровождающиеся повышением рН среды и образованием малорастворимых осадков. Термодинамические параметры изотерм адсорбции, которые подтверждают специфическую природу адсорбции ионов металлов на поверхности модифицированного дефеката.
  3. Регрессионные уравнения, адекватно описывающие процессы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Многофакторная зависимость эффективности очистки от длительности термической обработки исходного дефеката, продолжительности контакта со сточными водами, температуры термической обработки исходного дефеката, массы добавки термически модифицированного дефеката.
  4. Технология очистки сточных вод с использованием термически модифицированного дефеката, позволяющая достигать эффективности очистки, сопоставимой с традиционно используемыми реагентными и сорбционными методами.
  5. Рекомендации по использованию осадков, полученных в результате очистки сточных вод отходом производства дисахаридов в качестве порообразую-щей добавки при производстве керамических изделий.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных и российских конференциях: "Еколопчна безпека: проблеми i шляхи виршення" (Алушта, 2009); "Экология, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей среды и здоровье человека, утилизация отходов" (Харьков, 2009); "Ре-сурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр" (Таллин, 2009); "Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения" (Тула, 2009); "Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов" (Харьков, 2009); "Вода, экология, общество" (Харьков, 2010); "Коммунальное хозяйство городов" (Киев, 2010); "Безпека люди-ни у сучасних умовах" (Харьков, 2009, 2011); "Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления" (Краснодар, 2011).

5


Публикации. Основные положения работы изложены в 15 публикациях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных журналах перечня ВАК, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 151 странице основного текста, включает 28 таблиц, 47 рисунков и фотографий, список литературы содержит 152 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, направленных на решение проблемы очистки сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов, изложены научные и практические результаты, положения, выносимые на защиту.

В главе 1 рассмотрены проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, поступающими в окружающую среду, в том числе со сточными водами предприятий Белгородской области.

Рассмотрены основные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов, оценены преимущества и недостатки существующих способов очистки. Обоснована необходимость разработки альтернативных способов очистки с использованием твердых отходов производств. Проанализированы данные по основным характеристикам ряда адсорбционных материалов, применяемых для очистки стоков от ионов тяжелых металлов. Показаны перспективы использования отхода производства дисахаридов для очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Во 2 главе дана характеристика объектов и методов исследования.

В ходе исследований использовали реактивы марок "х.ч." (химически чистый) и "ч.д.а." (чистый для  анализа).

Описаны методы исследований физико-химических свойств термически модифицированного дефеката, методики оценки очистки эффективности модельных растворов и производственных сточных вод.

Для обоснования механизма протекающих в системах процессов и установления состава образующихся продуктов реакций были использованы взаимодополняющие независимые физические и физико-химические методы исследования: РФА, электронная микроскопия, фотоколориметрия, гранулометрический анализ, оптическая микроскопия, дифференциально-термический анализ, УК-спектрометрия, методы математической статистики и планирование эксперимента.

Объектами исследований были: модельные растворы, состоящие из дистиллированной воды, содержащей ионы Си2+ и Ni2+ в концентрациях 10 и 30 мг/л, сточные воды ООО "Завод-Новатор", отход производства дисахаридов - дефе-кат Дмитротарановского сахарного завода. Химический состав сточных вод ООО "Завод-Новатор" представлен в таблице 1.

6


Таблица 1 Химический состав сточных вод, поступающих на очистные сооружения ООО "Завод-Новатор"

Определяемый ингредиент

Единица измерения

Концентрация загрязняющих веществ

до очистки

после очистки

Температура

°С

18,0-20,0

20-25

РН

6,2

8,2

Сульф аты

мг/дм3

402,5

71,3

Сухой остаток

мг/дм3

3000

508

Взвешенные вещества

мг/дм3

930

930

Никель (№*")

мг/дм3

23

0,3

Медь (СО

мг/дм3

12

0,1

Исходный дефекат представляет собой рассыпчатую массу коричневого цвета. Основными компонентами химического состава ИД являются: углекислый кальций - 75,1 %, пектиновые вещества - 1,7 %, безазотистые органические вещества - 9,5 %, азотистые органические вещества - 5,9 %, сахар - 2 %, кальциевые соли органических кислот - 2,8 %, минеральные вещества - 3 %. Поскольку в состав дефеката входят органические примеси, то при определенных условиях термообработки можно провести процесс сгорания органических веществ не до конечных продуктов - С02, Н20 и N02, а до стадии обугливания и получения частичек углерода, осевших на поверхности СаС03, при этом образуется термически модифицированный дефекат, обладающий высокими адсорбционными свойствами. Было высказано предположение, что полученный термически модифицированный дефекат также должен проявлять свойства сорбента и его можно будет использовать для очистки сточных вод.

Проведены исследования физических и физико-химических свойств исходного и термически модифицированного дефеката (табл. 2), состав и структура которых указывают на возможность использования их для очистки сточных вод.

Таблица 2 Физико-химические характеристики исходного и модифицированного дефеката

Характеристика

Единица измер ения

Исходный дефекат

Термически модифицированный дефекат

Насыпная плотность

кпм

1240

1320

Истинная плотность

кг/м3

2710

2720

Гигроскопическая влага

%

38,28

1,5

Потери при прокаливании

%

37,2

32,3

В од оп о гл о щени е

%

70

71,2

рН в одной вытяжки

-

8,79

10,3

Содержание СаСОз

%

61

ДО 95

Содержание органических веществ

%

до 20

Содержание СаО

%

отс.

до 5,0

Содержание углерода

%

отс.

0,05

7


Как показали результаты гранулометрического анализа, основная масса частиц исходного дефеката имеет размер от 10 до 30 мкм, а частиц термически модифицированного дефеката 5-15 мкм, т.е. при термообработке повышается дисперсность и удельная поверхность исходных частиц вследствие разрушения исходных агрегатов из-за возникающих механических напряжений при паро- и газообразовании в процессе обжига ИД (табл. 3).

Таблица 3 Изменение S   дефеката с повышением температуры обжига

Температура обжига, °С

bw, М /Г

Не о 6 ожженный

54

560

71

580

72

600

73

620

74

700

76

800

79

900

83

Результаты РФА свидетельствуют о присутствии углерода в составе термического дефеката, который образуется при обугливании органических веществ, содержащихся в ИД. Обнаруженный углерод подобен по структуре активированному углю марки КАД. Для уточнения температурного интервала сгорания углеродного слоя на ТМД проводился термогравиметрический анализ, результаты которого представлены на рис. 1 и показывают, что сгорание углерода происходит в интервале температур от 615 до 700 °С. Поэтому оптимальной температурой обжига, при которой не происходит выгорание углерода, следует считать 600 °С.


214

ДТА

1QQ^Q


70

600     гро    '    1СЮО


¦ ¦¦¦о

.ео

¦iD


Рис. 1. Дериватограмма исходного дефеката: ДТа - дифференциально-термогравиметрическая кривая, показывающая, в каком интервале температур происходит максимальное падение веса; ДТА - кривая дифференциально-термического анализа, показывающая, на каких участках происходит поглощение или выделение теплоты

8


Микроструктурные исследования термически модифицированного дефеката (рис. 2) показали, что частицы обожженного дефеката обладают рыхлой поверхностью с частичной деформацией исходной структуры, что способствует увеличению сорбционной поверхности.



ах 10006x10000

Рис. 2. Микроструктура термически модифицированного при 600 °С

дефеката (а) и углерода, отделенного от его поверхности (б)

Исследования пористой структуры ТМД, проведенные по методу БЭТ, с использованием автоматизированной сорбционной установки TriStar II 3020 позволили определить суммарный объем пор, составляющий 0,41 см3/г, в котором на долю макропор приходится около 96 %.

Таким образом, были определены физико-химические свойства и температурные режимы для обработки исходного дефеката, которые позволяют его использовать в процессе очистки сточных вод от тяжелых металлов.

В главе 3 представлены результаты экспериментов и их обсуждение.

Поскольку в процессе обжига ИД происходит обугливание органических остатков, образование слоя углерода на поверхности СаС03, а также разложение солей органических кислот, входящих в состав ИД и частичная диссоциация СаС03, было исследовано влияние температуры обжига (^обж) ИД на эффективность очистки модельных растворов. Результаты, представленные на рис. 3, показывают, что с ростом температуры обжига дефеката величина рН водной вытяжки увеличивается, что происходит вследствие образования гидроксида кальция в растворе.

Образующийся оксид кальция подщелачивает водный раствор, что способствует повышению эффективности очистки сточных вод за счет образования малорастворимых гидроксидов металлов.

12

11,5

11

I 10,5

10

9,5

9

8,5

8

0,5              1             1,5              2            2,5              3

—*------ -обжиг при 500              —¦—-обжиг при 600

—4—-обжиг при 700                              -- обжиг при 800

Рис. 3. Зависимость рН водной вытяжки от температуры обжига дефеката

9


Для определения сорбционной способности углеродсодержащего соединения, полученного в процессе термической обработки, углерод, отделенный от карбонатной подложки путем обработки соляной кислотой, подвергали ИК-спектометрии.

Анализ ИК-спектра углерода (рис. 4) показал наличие двойных углеродных связей типа =С=С=. В этом случае извлечение металлов может происходить путем хемосорбции по месту разрыва двойных связей.


13*     15*5              ifw        1*0*

5*0i*


с.с


Рис. 4. Спектр ИК-области УТД

Для исследования процесса адсорбционного взаимодействия были построены изотермы адсорбции-десорбции для ионов Си2+ и Ni2+ (рис. 5).


моль/г

, илоль'г

18        36        54        72

(11Ш   LU(*U


90        103       126 Сравн.Ю  ~моль/л


Сравн, 10     моль/л


,2 +

Рис. 5. Изотермы адсорбции-десорбции: а) ионов Ni2+, б) ионов Си на поверхности ТМД (t = 20 °С)

Полученные данные позволяют сделать вывод, что адсорбция ионов металлов носит мономолекулярный характер. Десорбция протекает с низкими скоростями и в незначительной степени, что свидетельствует о природе адсорбции, близкой к химической. Расчеты энергии адсорбции, выполненные графическим ме-

10


то дом, составили для никеля 58,2 кДж/моль, а для меди - 55,7 кДж/моль, что характерно для специфического адсорбционного взаимодействия.

В соответствии с теорией многослойной и полимолекулярной адсорбции БЭТ в поры адсорбента более эффективно и глубоко проникают ионы с меньшими радиусами, чем можно объяснять более высокую эффективность (98 %) очистки для ионов Ni2+ (радиус ионов 78 пм) по сравнению с эффективностью очистки (95 %) для ионов Си2+ (радиус ионов 96 пм).

На рис. 6-9 представлены результаты исследования влияния различных факторов на эффективность очистки модельных растворов от ионов Си2+ и Ni2+: от дисперсности адсорбента-реагента, массы добавки ТМД600, длительности контакта взаимодействующих веществ, температуры реакционной среды, температуры обжига ИД.


о тл:

- Никл ь


t.i<U5               0,3

11и:т1ГЕш1:. l'IOOu.


¦Ml^UUUI'   pdUIKf LKfMV hlMHJCI


Рис. 6. Зависимость эффективности очистки

от раз мер а частиц сорбентов, масса сорбента

1 г/100 мл


Рис. 7. Зависимость эффективности очистки от массы добавляемого ТМДвоо





¦:- ю.у/л


||-   . .     ¦    I    |Ь.",

:   к ¦ ¦;,


¦  -СВ -hi-.l


¦   ilm^iKi iL     .ubi

-0------ - С - W .1


Рис. 8. Зависимость эффективности очистки модельных сточных вод, содержащих ионы никеля (а) и и оны меди (б), от вр емени контакта сор бента с в од ой

По-видимому, при использовании термического дефеката, обожженного при 600 °С, важную роль играет адсорбция, которая зависит от количества углерода на поверхности термически модифицированного дефеката и удельной поверхности частиц. На рис. 9 представлены сравнительные данные по эффективности очистки модельного никельсодержащего раствора различными сорбентами и реагентами.

11




¦ее-

CD


0.1

ТД

Оксид кальция

КАД


0.2

  1. ИД
  2. Гидроксид кальция

0.3

ПГ1.Г


Рис. 9. Сравнительная эффективность очистки растворов, содержащих ионы никеля, при добавлении различных чистящих реагентов (V = 100 мл, ф= 15мин, t = 20 °С)

Аналогичная зависимость наблюдается и для медьсодержащих растворов. При использовании для очистки термически модифицированного дефеката, обожженного при 900 °С, масса добавки значительно выше. Следовательно, эффективность очистки при добавке одинаковых масс ТМД600 и дефеката, обожженного при 900 °С, у ТМД900 ниже. Из представленных результатов можно сделать вывод, что полученный дефекат, обожженный при 600 °С, обладает высокой степенью очистки, близкой по значению с очисткой при помощи КАД. Вероятно, это объясняется тем, что в дефекате, обожженном при 900 °С, углеродный слой отсутствует, очистка протекает только по реагентному механизму и эффективность очистки снижается:

Ме2+ + 2 ОН" -> Ме(ОН)2 Iгде Ме2+ - ионы Ni2+, Cu2+.

В ходе экспериментов максимальная эффективность очистки при использовании термически модифицированного дефеката, обожженного при 600 °С, наблюдалась при массе добавки 0,2 г/ 100 мл раствора, длительности перемешивания 25 мин и температуре водной среды 20 °С. При использовании термически модифицированного дефеката обожженного при 900 °С, масса увеличивается до 0,65 г /100 мл раствора при одинаковой эффективности очистки.

Для уточнения механизма очистки растворов было исследовано изменение С-потенциала поверхности модифицированного дефеката в растворе, содержащем ионы Ni2+, Cu2+ (рис. 10).

Выявлено, что в кислых средах с рН < 6,8 поверхность частиц исходного дефеката и дефеката, обожженного при температуре 600 °С, имеет положительный t,-потенциал, величина которого снижается с ростом рН и достигает нуля при рН = 6,8. Это можно объяснить увеличением концентрации ионов ОН в растворе и повышением их доли в диффузионном слое вокруг частиц дефеката. При этом происходит полная нейтрализация заряда частиц дефеката и коагуляция частиц.

12


4  5   6   7   8   9 Условные обозначения:

-Ф^ИД -^*— ТД600

Рис. 10. Кинетика изменения величины С-потенциала поверхности частиц дефеката при изменении рН среды


Дальнейшее повышение рН среды более 6,8 способствует возникновению отрицательного L, -потенциала на поверхности частиц дефеката, обусловленному накоплением концентрации ОН ионов в растворе. Это должно оказывать благоприятное воздействие на процесс очистки стоков от положительно заряженных катионов тяжелых металлов.

С целью определения оптимальных параметров процесса очистки сточных вод был проведен многофакторный эксперимент. Для математического описания процесса был реализован план второго порядка.

В качестве независимых переменных были выбраны: расход ТМД (т, г/л -х), продолжительность термообработки ИД (г, мин - х), время взаимодействия (Г, мин - х3) и температура термической обработки, (t, °С - х4), Y- эффективность очистки.

0,21 х2 + 1,72 х3 + 10,24 х4 - 1,83 х2 0,64 хх + 0,52 х х - 0,51 х2х3 - 1,84 х2 + 2,90 х3 + 10,06 х4 - 0,43 х2

Получены уравнения регрессии, адекватно описывающее процесс очистки сточных вод от каждого из ионов (рис. 11):

1,73 х22

1,53 х32 +

0,43х2х4 + 0,38 х3х4, 1,35 х2

Ym= 82'59 + 2'86 xi + 7,18 х42- 0,09x^2 -

3,46 х2 +

V) = 75'54 + 2'62 *i

0,12 х2х4 + 0,90 х3х4.

+ 9,11 х42 - 0,31 jCjjc2 + 0,06 jCjjc3 + 1,51 jCjjc4 + 0,98 х2х3

Результаты анализа уравнений регрессии показывают, что эффективность очистки 99 % достигается при следующих параметрах: т = 2 г/л; i= 30 мин; Г=25мин;*1 = 600оС.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что очистка модельных растворов одновременно может протекать по адсорбционному, коа-гуляционному и реагентному механизмам:

а) адсорбционный механизм:


& о ©

0

е

©

| гад |


NT СиОН"

1ч он"



13


Си ОН                     NiOH


б) реагентный механизм:

Ме2+ + 20Н- -» Ме(ОН)2 I2 Ме2+ + 20Н- + А2-^ (МеОН)2А где Ме2+ - ионы Ni2+, Cu2+, А2" - анионы.

в) коагуляция. Вследствие процессов гидролиза ионов металлов, протека

ющих при повышении рН среды, в растворе происходит образование частиц

типа МеОН+; [Ме(Н20)4]2+; [Ме(Н20)6]2+, что способствует повышению эффек

тивности очистки растворов.


700 •»  «о   ..

optlm


optim-


Масса, г


Рис. 11. Поверхности отклика в координатах: у-х\-Х2 при фиксированных параметрах: а) для ионов Ni    , 6) для ионов Си

Подтверждением реагентного механизма очистки являются результаты энерго дисперсионного и рентгенофазового анализов (рис. 12), в ходе которых в осадках водоочистки были обнаружены соединения Ni2+ и Си2+.

Таким образом, на основании проведенных исследований были определены оптимальные параметры проведения процесса для достижения максимальной эффективности очистки. Полученные результаты подтверждают предполагаемый механизм очистки.

14

В главе 4 представлены данные по очистке реальных стоков ООО "Завод-Новатор", с применением термически модифицированного дефеката (табл. 4). При применении существующих на данном предприятии методов очистки эффективность очистки по медьсодержащим сточным водам не превышает 82 %, по никельсодержащим водам - 85 %.

Таблица 4 Данные испытаний лаборатории очистных сооружений

ООО "Завод-Новатор"

Ингредиент

Начальная концентрация, мг/л

Конечная концентр ащ и, мг/ л

Степень очистки, %

Ионы никеля (Ni2+)

0,3

0,001

99,7

Ионы меди (Qi    )

ОД

0,003

97

ХПК

324,2

96,4

70,3

Сульфаты

427,0

5,68

98,7

Жиры

1,6

0,40

75

Взвешенные вещества

9623

362,7

623

Не ф т епр одукты

11,6

3 92

662

СПАВ

1,5

039

74

Поскольку термически модифицированный дефекат является многофункциональной системой, то в результате его применения для очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов происходит удаление и ряда других загрязняющих веществ (синтетические поверхностно активные вещества, нефтепродукты, взвешенные вещества и др.), эффективность очистки которых составляет от 62,2 до 99,7 %.

15


На основании проведенных исследований предложены следующие технологические рекомендации, применение которых позволит получить адсорбент-реагент, обеспечивающий высокое качество при очистке стоков от ионов тяжелых металлов: температура термической обработки исходного дефеката - 600 °С, время термической обработки исходного дефеката - 30 мин, масса добавки термически модифицированного дефеката - 2 г/л, длительность взаимодействия со сточными водами - 25 мин. Предложена технологическая схема разработанного процесса (рис. 13) с основными сведениями о ее аппаратурном оформлении.


Сточные волы

11а утилизации


2                 1       ПСлОДНЫЙ

О'НЛПСННЛЯ иплп

ТД        г-                /дефекат


Рис. 13. Принципиальная схема установки для очистки сточных вод с помощью ТМД:

1 - сушилка; 2 - обжиговая печь; 3 - бункер для ТМД; 4 - усреднитель сточных вод;

5 - ленточный конвейер; 6 - смеситель; 7 - насос, 8 - вертикальный отстойник;

9 - шламонакопитель; 10 - вакуум-пресс

Исходный дефекат просушивается в сушилке 7, после чего подвергается термической обработке в печи 2 и направляется в приемный бункер 3. Далее термически модифицированный дефекат при помощи ленточного конвейера 5 подается в смеситель 6. Образующиеся кислотные стоки из усреднителя 4 также подаются в смеситель. Сточные воды с температурой 20 ± 3,0 °С перемешиваются в смесителе в течение 25 мин с термически модифицированным дефека-том, после чего полученная суспензия направляется в вертикальный отстойник 8, где происходит отделение очищенной воды от осадка седиментацией. Очищенная сточная вода поступает на поля фильтрации, а осадок водоочистки на-

16


правляется в шламонакопитель 9. Из шламонакопителя осадок попадает на вакуум-пресс 10, а затем на утилизацию.

С целью переработки осадка и предотвращения изъятия сельскохозяйственных земель из посевного оборота под полигон для хранения отходов исследовалась возможность использования осадка водоочистки в качестве порообра-зующей добавки в сырьевую смесь для производства керамических изделий.

Анализ влияния на прочностные характеристики керамических изделий добавки осадка к сырьевой смеси показал, что полученные образцы обладают сравнительно высокой прочностью при сжатии, имеют достаточно низкую удельную плотность (рис. 14), что соответствует характеристикам керамических изделий, используемых для внутренней отделки.


О     5     10   15   20    25   30   35   40    45   50

Количество шпалгаюдоочгсжн,


??


5         10        15        20        25        30

Кошнесшо о сада юдэсчктат; %


а                                                                        б

Рис. 14. Зависимость предела прочности при сжатии (а) и удельной плотности (б)

керамических изделий от количества добавляемого осадка

Одной из важнейших характеристик керамических изделий является их водопоглощение. Зависимость водопоглощения образцов от массовой доли осадка водоочистки в сырьевой смеси исследовали путем взвешивания сухого образца и образца после нахождения в жидкости в течение 24 часов. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.

Таблица 5 Водопоглощение образцов керамических изделий с различными добавками осадка водоочистки

Количество добавляемого осадка водоочистки, %

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Водопоглощение, %

11,2

11,6

11,7

12,4

12,9

13,1

13,6

13,8

14,1

14,3

14,7

Как видно из полученных результатов, при увеличении массовой доли добавляемого осадка водоочистки водопоглощение образцов повышается, что можно объяснить увеличением порообразования. Эти результаты хорошо согласуются с данными по снижению удельной плотности образцов. Увеличение порообразования наблюдается также на микрофотографиях (рис. 15).

17


Рис. 15. Микрофотографии полученных образцов: а) контрольный образец, б) образец, содержащий 15 % осадка водоочистки

При сравнении видно, что при добавлении небольших количеств осадков сточных вод (fa 15 %) происходит образование незначительного количества пустот в глинистой породе, а при увеличении концентрации осадка сточных вод до 20 % наблюдается увеличение стекломассы на поверхности частиц глинистого тела, что отрицательно сказывается на процессе образования сферических пор, а следовательно, и на качестве полученной керамики.

Анализируя полученные экспериментальные данные, можно сделать вывод о том, что с увеличением содержания осадка после очистки сточных вод, содержащего ионы Ni2+ и Си2+, прочность изделий до 15 % добавки незначительно увеличивается, затем падает, уменьшается удельная плотность, а водо-поглощение остаётся в среднем постоянным. Оптимальной является добавка в количестве 15 % от массы сырья.

В главе 5 приведен эколого-экономический анализ предлагаемой схемы использования отходов сахарного производства в водоочистке и утилизации осадка водоочистки, на основании которого сделаны выводы об экономической и технической целесообразности внедрения предложенных мероприятий по очистке сточной воды на ООО "Завод-Новатор", г. Белгород. При этом сумма капитальных вложений при внедрении нового метода составит 790 600 руб., предотвращенный ущерб от загрязнения водного бассейна составляет 2 282 173 руб./год, предотвращённый экологический ущерб от загрязнения окружающей среды твёрдыми отходами (осадок сточных вод) составляет 228 640 руб./г.

Основные выводы

1. Определены качественные и количественные физико-химические свойства исходного и термически модифицированного дефеката. Доказана возможность использования модифицированного дефеката, основывающаяся на протекании процессов образования углеродного слоя на поверхности частиц ТМД и оксида кальция при разложении карбоновых солей органических кислот в процессе термической обработки ИД. Выявлено, что углерод, образующийся в процессе обжига ИД, по структуре подобен активированному углю марки КАД и содержит двойные ненасыщенные связи. Дисперсность частиц ИД после термообработки увеличивается в 2 раза, сорбционная емкость по ионам никеля увеличивается на 88 %, по ионам меди - на 82 %.

18


  1. Выявлены оптимальные параметры процесса термической обработки, позволяющие достигать максимальной эффективности очистки. Максимальная эффективность очистки достигается при температуре термической обработки исходного дефеката - 600 °С, времени термической обработки исходного дефеката - 30 мин, масса добавки термически модифицированного дефеката - 2 г/л, длительность взаимодействия со сточными водами - 25 мин.
  2. Получены новые научные данные о взаимосвязи кинетических, сорб-ционных и структурных превращений, сопровождающих процесс очистки сточных вод от ионов №2+и Си2+ ТМД, заключающейся в протекании процессов адсорбции на поверхности углерода и карбоната кальция, гидролиза ионов №2+и Си2+ и коагуляции взвешенных частиц, а также образовании малорастворимых соединений ТМ при повышении рН среды в процессе очистки. Достигаемая при этом эффективность очистки составляет для медьсодержащих растворов -95 %, для никельсодержащих растворов - 98 %.
  3. Исследованы и экспериментально доказаны реагентно-сорбционный, коагуляционный и реагентный механизмы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, подтверждаемые данными рентгенофазового и энергодисперсионного анализов осадка водоочистки. Установлено, что удаление ионов тяжелых металлов происходит в результате адсорбции и соосаждения их гид-роксидов и малорастворимых основных солей. Полнота процесса зависит от рН сточных вод, адсорбционной активности модифицированного дефеката и физико-химических свойств самих металлов.
  4. Разработаны технологическая схема установки для очистки сточных вод и технологические рекомендации. Получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процессы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Оптимальными технологическими условиями процесса, позволяющими достигать 99 % очистки от ионов тяжелых металлов, являются: температура термообработки - 600 °С, время взаимодействия - 25 минут, время термической обработки ИД - 30 минут, масса добавки - 2 г/л.
  5. Разработаны технологические рекомендации по утилизации осадка водоочистки в качестве упрочняющей добавки в сырьевую смесь для производства керамических изделий. Установлено, что при добавке осадков водоочистки в количестве до 15 % от массы глиняной смеси качество керамических изделий соответствует требованиям, предъявляемым к изделиям для внутренней и декоративной отделки.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

Публикации в журналах из перечня ВАК

  1. Лупандина, Н.С. 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.
  2. Лупандина, Н.С. Утилизация осадков водоочистки в производстве керамических изделий / Н.С. Лупандина, Ж.А. Свергузова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - 2012. - № 1 - С. 153 - 157.

19


3. Свергузова, Ж.А. Повышение качества воды водных объектов как фак

тор повышения экологической безопасности / Ж.А. Свергузова, Н.С. Лупанди

на // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - 2012. - № 1 - С. 136 - 139.

Патенты

4. Патент № 2416573 Российская Федерация. Способ очистки сточных

вод С1 от 23.11.2009 / СВ. Свергузова, Г.И. Тарасова, Ж.А. Свергузова, Д.А.

Ельников, Н.С. Лупандина, Ю.Н. Малахатка; заявитель и патентообладатель ГОУ

ВПО "Белгородский государственный технологический университет". -

№ 2009143278/05; заявл. 23.11.2009; опубл. 20.04.2011, Бюл. № 11.

Публикации в других изданиях

  1. Лупандина, Н.С. Использование термически модифицированного де-феката для очистки сточных вод / Н.С. Лупандина, СВ. Свергузова // Еколопчна безпека: проблеми i шляхи виршення : Зб1рник наукових статей V М1жнародна науково-практична конференщя. - Алушта, 2009. - Т. П. - С. 43 - 45.
  2. Лупандина, Н.С. Загрязнение водных объектов соединениями тяжелых металлов и возможные пути очистки стоков / Н.С. Лупандина, СВ. Свергузова // Экология, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей среды и здоровье человека, утилизация отходов : Сборник научных статей XVII Международной научно-практической конференции. - Харьков, 2009. - С. 204 - 206.
  3. Лупандина, Н.С. Использование термически модифицированного де-феката для очистки сточных вод / Н.С. Лупандина, СВ. Свергузова // Ресурсо-воспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр : Материалы VIII Международной конференции. - Таллинн, 2009. - С. 360 - 361.
  4. Лупандина, Н.С. Использование отхода сахарной промышленности для очистки сточных вод / Н.С. Лупандина, Ж.А. Свергузова // Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения : Доклады всероссийской научно-технической конференции. - Тула, 2009. - С. 28 - 29.
  5. Лупандина, Н.С. Очистка растворов тяжелых металлов отходами сахарной промышленности / Н.С. Лупандина // Безпека людини у сучасних умовах : Матер1али статей М1жнародно1 науково-методичшл конференцн. -Харььав, 2009. -С. 48-50.
  1. Лупандина, Н.С. Альтернативный способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / Н.С. Лупандина // Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов : Материалы IV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Харьков, 2009. -С. 17-20.
  2. Лупандина, Н.С. Исследования по очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов / Н.С. Лупандина // Вода, экология, общество : Материалы III Международной научно-практической конференции. - Харьков, 2010. -С. 109-111.
  3. Лупандина, Н.С. Проведение исследований по очистке сточных вод от тяжелых металлов /Н.С. Лупандина // Коммунальное хозяйство городов : Научно-технический сборник. - Киев, 2010. - С. 142 - 146.

20


  1. Лупандина, Н.С. Использование сатурационного осадка производства сахара для очистки растворов от ионов меди / Н.С. Лупандина, Ж.А. Свергузова // Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления : Сборник научных статей по материалам II Международной научно-практической конференции. - Краснодар, 2011. - С. 303 - 304.
  2. Свергузова, Ж.А. Теплоизоляционный материал из шлама водоочистки / Ж.А. Свергузова, Н.С. Лупандина // Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления : Сборник научных статей по материалам II Международной научно-практической конференции. - Краснодар, 2011.-С.341.
  3. Лупандина, Н.С. Удаление ионов никеля и меди из водных сред / Н.С. Лупандина, Ж.А. Свергузова // Безпека людини у сучасних умовах : Матер1али статей М1жнародно1 науково-методичшл конференци. - Харьюв, 2011. - С. 86 - 88.

21


ЛУПАНДИНА Наталья Сергеевна

Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов отходами производства дисахаридов

03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Л.Ю. Горюнова Компьютерная верстка  Д.Б. Фатеева,  Е.В. Рязановой

Сдано в производство 09.02.12. Формат 60x84 У Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,29. Заказ № 2116. Тираж 100.

Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1V11.

22

 
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.