Сорбционная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов

Учреждение образования
«Белорусский государственный технологический университет»
Автор: магистрант кафедры
промышленной экологии
Буко Зинаида Валерьевна
Руководитель: доцент, к.т.н.
Лихачева Анна Владимировна
Минск 2015
Актуальность проекта: одной из актуальных экологических проблем
промышленных предприятий, имеющих в своем технологическом цикле
гальванические процессы, является проблема очистки сточных вод от
ионов тяжелых металлов. Наиболее часто такие воды загрязнены
соединениями цинка, меди, хрома, железа, никеля.
Одним из перспективных методов удаления соединений тяжелых
металлов из сточных вод считается сорбционная очистка.
Использование сорбционных методов при очистке производственных
сточных вод связано с рядом проблем: недостаточная
сорбционная емкость материалов, отсутствие
надежных способов регенерации сорбентов, а также их
высокая стоимость. Решение данных проблем лежит
в поиске новых сорбционных материалов, полученных
из доступного сырья и обладающих высокой
эффективностью очистки, а также имеющих низкую
стоимость.
В
настоящее
время
перспективным
использование отходов производства
является
Новизна проекта : в качестве сорбционного материала
использовали
отход,
образующийся
на
торфоперерабатывающих предприятиях в процессе
извлечения
из
торфа
гуминовых
веществ
–
негидролизуемый остаток торфа (НГО).
Научная значимость работы заключается в изучении
сорбционных свойств НГО по отношению к тяжелым
металлам.
Экономическая ценность работы определяется
использованием отхода торфоперерабатывающих
предприятий, уменьшением водопотребления и
водоотведения сточных вод гальванического
производства, уменьшением затрат на получение
сорбционных материалов.
Социальная ценность работы состоит:
– в улучшении экологического состояния земель,
вследствие
уменьшения объемов не перерабатываемых
отходов негидролизуемого остатка торфа;
– увеличении коэффициента использования сырьевых
ресурсов;
– уменьшение расхода традиционных сырьевых
материалов для производства сорбентов;
– реализация проекта будет способствовать
формированию экологического мышления у
сотрудников, участвующих в его реализации,
при осознании его значимости.
Объектом исследования являлся
негидролизуемый
остаток,
полученный в процессе извлечения
из торфа гуминовых веществ.
-
Условия образования НГО:
обработка 20% раствором гидроксида
натрия;
рН суспензии 12,5;
- кратность обработки
НГО 3 раза;
- отмывка полученного
остатка от
водорастворимых
органических
соединений и перевод
его в Н-форму.
Для изучения сорбционных свойств
готовили 2% (мас.) суспензию НГО




Характеристика НГО
влажность – 90,9%;
зольность – 19,7%;
содержание карбоксильных групп –
0,1 мг-экв/г;
содержание фенольных гидроксилов –
3,89 мг-экв/г.
В работе были определены:
 состав и свойства НГО:
- влажность, зольность;
- содержание функциональных групп (ОН- и СООНгрупп);
- концентрация фульвокислот в фугате;
 сорбционные свойства НГО:
- определение условий проведения процесса сорбции;
- определение статической обменной емкости (СОЕ) НГО
по ионам тяжелых металлов (Fe3+, Cr2О72-, Cu2+, Ni2+);
 влияние предварительной обработки на величину СОЕ;
 использование отработанного сорбента:
- в качестве мелиорантов;
- в качестве пигментов.
Из
представленных
результатов
видно,
что
остаток
характеризуется
низким
содержанием
карбоксильных групп.
1 – исходный образец; 2 – обработанный УЗ; 3 – обработанный ПАВ; 4 – обработанный Н2О2; 5 –
обработанный УЗ и Н2О2; 6 – обработанный УЗ и ПАВ; 7 – обработанный Н2О2 и УЗ; 8 –
обработанный ПАВ и УЗ; 9 – обработанный УЗ, Н2О2 и ПАВ
Общее
содержание
карбоксильных
групп
изменяется в диапазоне
0,05-0,15 мг-экв/г
и фенольных гидроксилов
изменяется в диапазоне
1,09-5,65 мг-экв/г
1 – исходный образец; 2 – обработанный УЗ; 3 – обработанный ПАВ; 4 – обработанный Н2О2; 5 –
обработанный УЗ и Н2О2; 6 – обработанный УЗ и ПАВ; 7 – обработанный Н2О2 и УЗ; 8 –
обработанный ПАВ и УЗ; 9 – обработанный УЗ, Н2О2 и ПАВ
Концентрация фульвокислот в фугате исходного НГО составляла 3,7 г/л, что
свидетельствует о том, что фугат НГО характеризуется высокой степенью
окрашивания.
При предварительной обработке ПАВ (Н2О2 и др.)концентрация фульвокислот в
фугате изменяется в диапазоне 1,21-4,08 г/л. Предварительная обработка суспензии
НГО Н2О2, УЗ и Н2О2, УЗ и ПАВ позволяет значительно снизить степень
окрашивания, и, соответственно, уменьшить вторичное загрязнение очищаемой
воды фульвокислотами вымываемыми из НГО.
Содержание железа и хрома в модельных сточных водах определяли с
помощью фотоколориметрического метода анализа.
Процесс сорбции ионов железа НГО
проводили при рН = 5.
Для установления зависимостей
изменения
СОЕ
НГО
от
концентраций
металла
использовали раствор железа с
концентрацией от 0,4 до 560 мг/дм3.
СОЕ НГО по ионам железа
составляет 0,26.
Процесс сорбции бихромат ионов НГО
проводили при рН = 2. Для установления
зависимостей изменения СОЕ НГО от
концентраций металла использовали
раствор содержащий бихромат ионы с
концентрацией от 0,04 до 5,6 мг/дм3.
НГО характеризуется низкой степенью
извлечения бихромат ионов - 0,36 мкгэкв/г.
Содержание меди и никеля в модельных сточных водах определяли с
помощью титриметрического метода анализа.
Процесс сорбции ионов меди НГО
проводили при рН = 6-6,5.
Для
установления
зависимостей
изменения СОЕ НГО от концентраций
металла использовали раствор меди
(II) с концентрацией от 0,6 до 22,4
мг/дм3. Из полученных результатов
видно, что СОЕ по ионам меди
составляет 0,34 мг-экв/г.
Процесс сорбции ионов никеля НГО
проводили при рН = 6-6,5. Для
установления
зависимостей
изменения
СОЕ
НГО
от
концентраций металла использовали
раствор никеля (II) с концентрацией
от 0,3 до 17 мг/дм3. Из полученных
результатов видно, что СОЕ НГО по
ионам
никеля
составляет
0,89 мг-экв/г.
СОЕ образцов НГО (мг-экв/г), подверженных воздействию
Металл
УЗ
УЗ +
ПАВ
УЗ +
Н2О2
Н2О2 +
УЗ
ПАВ +
УЗ
УЗ +
Н2О2 +
ПАВ
3
4
5
6
7
8
9
0,267
0,269
0,267
0,267
0,269
0,269
0,266
0,267
0,443
0,467
0,481
0,485
0,487
0,487
0,483
0,477
0,481
0,36
0,53
-
0,54
0,36
-
-
0,39
-
0,89
1,09
1,60
1,01
0,46
1,01
1,42
1,19
1,60
Без
обработки
ПАВ
Н2О2
1
2
0,266
Fe3+
Cr2О7
2-
Cu2+
Ni2+
Примечание: *значения СОЕ выражены в мкг-экв/г;
«-» – невозможность определения из-за окисления пероксидом водорода титранта
(тиосульфата натрия)
Решение проблемы регенерации и переработки отработанных сорбентов
Установлено:
1. Регенерация сорбента не целесообразна.
2. Использование отработанного сорбента содержащего железо в качестве
мелиоранта. Отработанный сорбент вносился в почву, на которой в
последующем выращивали кукурузу и пшеницу.
Качество
выращенных
растений
определяли
по
показателям: масса биомассы,
длина растения, зольность,
концентрация
железа
в
растении и в почве.
Вывод: отработанный сорбент,
содержащий железо, нельзя
использовать
в
качестве
мелиоранта так как растения
накопили
большое
количество металла.
3. Продолжается работа по исследованию мелиорантов, полученных с
использованием отработанного сорбента, содержащего медь.
Предварительные результаты свидетельствуют о целесообразности
данного направления.
В результате термической обработки при температуре 600С была
исследована возможность извлечения тяжелых металлов из отработанного
сорбента. Полученные материалы использовали в качестве пигментов.
Были получены образцы масляных красок следующих цветов:
 остаток содержащий ионы железа – красного цвета
 остаток содержащий ионы хрома – коричневого и желтого (при
вторичной термической обработке) цвета
 остаток содержащий ионы меди – коричневого и черного цвета
 остаток содержащий ионы никеля –коричневого цвета
Технологическая схема очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов
НГО из приемного бункера 1 через массовый дозатор поступает в смеситель 3, оборудованный мешалкой, куда
добавляется вода в количестве необходимом для получения 2% суспензии. Из смесителя 3 суспензия
поступает в смеситель-отстойник 4, куда из емкости 5 подается пероксид водорода (ПАВ и др.) для обработки
негидролизуемого остатка торфа. В смесителе-отстойнике 4 с помощью мешалки происходит смешивание
суспензии НГО с Н2О2 или ПАВ и обеспечивается их контакт в течение 3-х мин. При необходимости здесь
происходит корректировка рН раствора и выдерживание его в течение 24 ч при комнатной температуре. После
этого обработанный НГО направляется в смеситель-отстойник 7, куда из сборника 6 подается сточная вода. В
смесителе-отстойнике 7 суспензия НГО и сточная вода периодически перемешиваются в течение 2-3 мин и
выдерживаются 24 часа для протекания процесса сорбции НГО при комнатной температуре. Перед подачей
водной суспензии из смесителя на центрифугу 8 она еще раз перемешивается в течение 1-2 мин. Суспензия
насосом перекачивается в центрифугу 8, в которой происходит разделение смеси на жидкую фазу (фугат –
очищенная вода) и полужидкую (остаток). Остаток подается в сборник 9.
Сорбент для очистки сточных вод от ионов
тяжелых металлов.
 Очищенная
вода,
соответствующая
требованиям, предъявляемым к повторно
используемым
водам
в
гальваническом
производстве.
 Пигменты. РФА показал, что состав пигментов,
полученных
в
лабораторных
условиях,
приближен к составу пигментов, используемых
в промышленности. Пигменты на данный
момент
в
Республике
Беларусь
не
производятся из-за отсутствия сырьевой базы.
 Мелиоранты
улучшающие
структуру
и
качество почвы, а также обогащающие почву
таким важным для растений микроэлементом
как медь.

НГО как сорбент тяжелых металлов может быть использован для
очистки промывных сточных вод на гальванических производствах.
Всего в Республике Беларусь 140 гальванических производств.
Основными конкурентами по производству сорбентов на основе торфа
являются:
 Предприятие «Завод Новых Продуктов», которое располагается в
России, производит сорбенты «СоНеТ», представляющие собой
высокоэффективный экологически чистый продукт, изготовленный на
основе природного сырья ‒ торфа.
 Российская фирма «Вотчина» производит сорбенты марки «ТОК» ‒ это
сорбент на основе торфов мха и трепело-органических компонентов.
 Ганцевичское торфопредприятие, РУТП ‒ производство торфяных
сорбентов
Но все, указанные предприятия, производят сорбенты на основе торфа, а
не отходов, образующихся при их переработке. С этих позиций данный
проект, на данный момент, конкурентов не имеет.
Показатель
Значение показателя при
использовании в качестве сорбента
НГО
Эффективность очистки
промывных сточных
вод гальванического производства, %
98,5
Прогнозируемое
сорбента, т/год
96,3
количество
использования
Капитальные вложения, млн. руб.
338,71
Экономическая эффективность затрат, руб./руб.
0,35
Внутренняя норма доходности, %
26,5
Чистый дисконтированный доход, млн. руб.
460,48
Индекс прибыльности
1,4
Срок окупаемости, лет
простой
2,9
динамический
5
Буко Зинаида Валерьевна:
- тел. +375333453247
- e-mail: [email protected], [email protected]
- почтовый адрес: Республика Беларусь, г. Глубокое, ул.
Московская, 39
- рабочий
адрес:
Республика
Беларусь,
г.
Минск,
Свердлова, 13а, кафедра промышленной экологии БГТУ
ул.
Благодарим Вас за
проявленный интерес к
нашему проекту и
желаем Вам успехов и
благополучия!