Использование металлургических шлаков в cорбционных технологиях очистки вод для обеспечения экологической безопасности

Современная экологическая ситуация характеризуется высокой антропогенной нагрузкой на природные ресурсы. Актуальны комплексное использование и повышение степени утилизации промышленных отходов, которые могут служить заменителями технических материалов и продуктов [1]. К перспективным, ресурсно-ценным отходам относятся металлургические шлаки.

Актуальность работы заключается в улучшении экологической ситуации промышленных регионов за счет вторичного использования промышленных отходов. Экологическая безопасность обеспечивается предотвращением сброса сточных вод, внедрением систем оборотного водопотребления, частичной ликвидацией отвалов металлургических шлаков при их использовании в качестве сорбционного материала и последующей утилизацией отработанных шлаковых сорбентов в дорожной отрасли.
Объект исследования – адсорбция шлаками Побужского ферроникелевого комбината (ПФНК), Никопольского завода ферросплавов (НЗФ) и «АрселорМиттал Кривой Рог» органических загрязнителей питьевых и сточных вод для обеспечения экологической безопасности.
Целью работы являлась минимизация накопления промышленных отходов и сточных вод путем экологически безопасного использования металлургических шлаков как техногенного сырья в технологиях сорбционной очистки питьевых и сточных вод.
Задачи исследования: определение элементного химического, минералогического  и радионуклидного составов шлаков и изменения морфологии поверхности частиц в различных условиях; выявление корреляции между условиями активации шлаков и изменением природы поверхностных функциональных групп; изучение кинетических характеристик процесса адсорбции органических загрязнителей и количественное описание процесса, исследование процессов десорбции сорбатов из шлаков; разработка схем замкнутого водопотребления при использовании сорбционной очистки шлаковыми адсорбентами.
 Исследования проведены с использованием экспериментальных методов: рентгенофазового, петрографического, гамма-спектрометрического, электронно-зондового микроанализа, спектрофотометрического, капиллярного электрофореза, ИК-спектрофотометрии, хроматографического, флуориметрического, общего углерода и расчетных методов.
Рентгенофазовым анализом в составе шлака ПФНК обнаружен минерал диопсид [2]. Слоистая структура диопсида может предрасполагать к проявлению им сорбционных свойств. Образец, обработанный водой в течение месяца, помимо диопсида содержит кварц, маргарит, альбит, иллит. В составе шлака НЗФ помимо минерала диопсида был обнаружен минерал – титанит. Основными минералами шлака «АрселорМиттал» являются ранкинит, окерманит и геленит.
Для подтверждения механизма сорбции за счет поверхностного поглощения сорбатов аморфной фазой рассчитано ее содержание в шлаке. Показано, что шлак наполовину состоит из диопсида в аморфном состоянии, что повышает сорбционную активность его поверхности.
С помощью растровой электронной микроскопии доказано присутствие стеклофазы и редких пор на поверхности шлаков ПФНК и НЗФ [2]. Поверхность шлака «АрселорМиттал» более разрыхленная. Согласно состоянию поверхностного слоя все шлаки являются хорошими адсорбентами, обладающими многочисленными микроскопическими выступами и углублениями.
Одним из факторов опасности является радиоактивность материала, так как шлаки концентрируют в себе естественные радионуклиды. Гамма-спектрометрическим методом определены удельные активности радионуклидов (Ci) и эффективные удельные активности (Сэф.) шлаков, не превышающие 370 Бк/кг, что соответствует I классу радиационной опасности [3]. Таким образом, шлаки могут использоваться в качестве технических материалов: строительных материалов и сорбентов.
В качестве сорбатов исследованы органические соединения: метиленовый синий (МС), метилвиолет (МВ), Конго Красный (КК), фенол, п-нитрофенол, анилин, п-нитроанилин и поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Изучены различные виды химической активации шлака, из которых наиболее эффективна кислотная. Наивысшая величина адсорбции и эффективность извлечения сорбата из раствора достигаются при предварительной обработке шлака в 0,5 М растворе серной кислоты при температуре 20 °С [4]. При кислотной активации шлака достигается максимальное травление и разрыхление его поверхности. Методом ИК-спектрофотометрии показано, что химическая активация изменяет природу и количество функциональных групп шлака. Исходный шлак характеризуется полосами поглощения силоксановой (Si–O–Si), силанольной (Si–OН) групп и молекул воды. При спекании шлака протекает термическое дегидроксилирование. Кислотная активация вызывает регидроксилирование с повышением интенсивности пика поглощения силанольных групп. Диссоциация силанольных групп определяет отрицательный заряд поверхности шлаковых частиц [4]. Методом макроэлектрофореза взвесей шлаков определены электрокинетические потенциалы  их частиц: 11,7-22,2 мВ.
Практическое использование шлаковых сорбентов разрешается при отсутствии вымывания из них собственных компонентов и поглощенных сорбатов. Подщелачивание воды после выдержки шлака в течение 1 месяца объясняется гидролизом силикат-ионов. Превышения норм по катионам и анионам не наблюдается, кроме катиона Ва2+, после выдержки шлака НЗФ. Следовательно, данный шлак нельзя рекомендовать в качестве сорбента для очистки питьевых вод, но возможно его использование для обработки сточных вод. Доказано отсутствие десорбции поглощенных сорбатов с поверхности шлаков [4].
Расчетно-графическим методом определено изменение порядка процесса сорбции со второго (начальный период) на первый. Чем больше отношение «сорбат : шлак», тем раньше во времени происходит смена порядка реакции. Отсутствие ступенчатого характера изотерм адсорбции говорит о наличии сорбционных центров с одинаковой активностью. Выпуклая форма изотерм свидетельствует о протекании сорбции по одному механизму с образованием мономолекулярного слоя сорбата. В интервале низких концентраций сорбата адсорбция шлаковыми частицами описывается уравнениями Фрейндлиха. Адсорбцию по всей концентрационной области МС можно описать уравнениями Ленгмюра. Константы равновесия адсорбции Кпрямо коррелируют со сродством сорбата к адсорбенту. Согласно их величинам рассчитаны изобарно-изотермические потенциалы адсорбции [4].
Эффективность адсорбции шлаком изучена в зависимости от параметров процесса. Целесообразно соотношение «МС : шлак» = 1 мг/г, при котором в начальный интервал емкость и эффективность очистки нарастают с большой скоростью. Для КК сорбционные характеристики активированного кислотой диопсида выше, чем активированного щелочью. Для сорбции МВ характерны высокие показатели сорбции на шлаке, активированном щелочью, в начальный период, однако, спустя 7 суток сорбат десорбируется. Таким образом, природа сорбатов определяет выбор оптимального вида химической активации шлаков [4].
Кислотность растворов влияет на эффективность адсорбции МС: из очень кислых и щелочных растворов адсорбция менее интенсивная, чем из нейтральных сред. В интервале рН 4,8-10,4 достигается практически полное извлечение МС из растворов. В кислой среде на поверхности шлака образуется гелеобразный слой кремниевой кислоты с высокими сорбционными свойствами. В очень кислых растворах уменьшается диссоциация силанольных групп и отрицательный заряд поверхности шлака, поэтому менее поглощаются органические катионы. При рН>10 подавляется гидролиз силикатов, и разрушается гелеобразный силикатный слой [4].
Изучена адсорбция низкомолекулярных ароматических соединений – распространенных загрязнителей сточных вод. Одной из причин адсорбции плоских ароматических молекул на гидроксилированной поверхности кремнеземов являются водородные связи π-электронов бензольного кольца с поверхностными силанольными группами.
Разработан способ перекрестно-ступенчатой адсорбционной очистки сточных вод с обеспечением замкнутости цикла оборотного водопотребления. Шлак поступает в блок подготовки и активации адсорбента, затем – в адсорберы блока адсорбционной очистки сточных вод. Оставшаяся суспензия шлака поступает в отстойники. Очищенные воды сливаются вместе и поступают в исходный технологический процесс. Цикл оборотного водопотребления замкнулся. Для очистки сточных вод от ПАВ на уровне высоких концентраций разработана рациональная противоточно-ступенчатая адсорбционная схема очистки сточных вод от органических загрязнений с обеспечением замкнутости цикла оборотного водопотребления. При встречном передвижении очищаемой воды и шлакового сорбента в каскаде из трех адсорберов с отстойниками доза адсорбента полностью насыщается ПАВ. Свежая порция шлака поступает только в конечный адсорбер. Преимуществами данного способа является высокая экономико-экологическая эффективность, возможность очистки сточных вод от ПАВ на уровне высоких начальных концентраций, уменьшение расхода сорбента по сравнению с перекрестно-ступенчатой схемой очистки при одинаковом количестве ступеней.
Выводы: определены условия сорбции минералами в составе металлургических шлаков органических соединений, оптимизирован режим кислотной активации шлаков; доказана физическая природа мономолекулярной сорбции изученных органических соединений; разработаны способы перекрестно- и противоточно-ступенчатой адсорбционной очистки сточных вод от органических загрязнений с обеспечением замкнутости циклов водопотребления.
Список літератури
1. Болдырев А.С. Технический прогресс в промышленности строительных материалов / А.С. Болдырев, В.И. Добужинский, Я.А. Рекитар. – М.: Стройиздат, 1980. – 399 с.
2. Даценко В.В. Изучение химического и минералогического составов шлаков производства ферросплавов / В.В. Даценко, И.В. Грайворонская, Э.Б. Хоботова, В.Н. Баумер // Наукові праці ДонНТУ. Сер. Хімія і хімічна технологія. – 2010. – Вип. 14. – С. 132-142.
3. Хоботова Э.Б. Ферроникелевые шлаки как сорбенты при очистке сточных вод / Э.Б. Хоботова, И.В. Грайворонская // Людина та довкілля. Проблеми неоекології. – 2011. – № 1-2. – С. 125-130.
4. Хоботова Э.Б. Обеспечение экологической безопасности при использовании металлургических шлаков в качестве сорбентов в технологиях очистки вод / Э.Б. Хоботова, И.В. Грайворонская. Монография. – Х.: ХНАДУ, 2013. – 204 с.

Использование металлургических шлаков в cорбционных технологиях очистки вод для обеспечения экологической безопасности [Електронний ресурс]  / [Хоботова Э.Б., Грайворонская И.В.] // Режим доступу: http://eco.com.ua/content/yspolzovanye-metallurgycheskyh-shlakov-v-corbcyonnyh-tehnologyyah-ochystky-vod-dlya

Topics: 
Оцінка: 
0
No votes yet