сясяся. Очистка сточных вод с использованием матричноизолированных нанокомпозиционных флокулянтовкоагулянтов
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Сравнение эффективности АКФК-1 и АКФК-2 по обезжелезиванию воды представлено на рисунке 2 (исходная концентрация железа (III) составляла 5,1 мг/л). Из табличных данных видно, что при степени очистки на 70-80% требуется меньшая доза АКФК-2, чем АКФК-1. Это подтверждает более эффективное использование АКФК-2 по сравнению с АКФК-1. Рисунок 2. Степень экстракции железа (E,%) в зависимости от дозы коагулянта и времени осаждения. Концентрация железа в растворе составляла 2 масс. %. x - время осаждения, мин; y - Доза коагулянта в пересчете на Аl 2 О 3 , мг/л. 1 - АКФК-1; 2 - АКФК-2. Размеры экспериментальных точек соответствуют доверительным интервалам измеряемого параметра. Положительная динамика в преимуществах АКФК-2 наблюдается и при очистке сточных вод от загрязнений нефтепродуктами, при этом АКФК-2 может быть использован, как в предварительно растворенном, так и в порошкообразном состоянии. Таким образом, АКФК-2 полученный по новой технологии в виде порошка, обладает превосходством по ряду показателей перед жидким сернокислотным АКФК-1. Кроме того, хранение и транспортировка АКФК-2 проще и экономически выгоднее. Отсюда следует, что использование его в сфере водоочистки предпочтительнее. Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Как показали эксперименты, полученный таким образом материал может храниться длительное время. При гарантийном сроке хранения 0,5 года не наблюдается заметных изменений свойств материала. Для отдельных образцов наблюдалось сохранение до 90% активности в течение более 2 лет. Получаемый водный раствор АКФК в концентрации 0,1÷2,0% стабилен относительно длительное время. Для эффективной очистки воды требуется реагента в значительно меньших количествах. Важной особенностью является возможность использования порошкообразного АКФК при очистке воды от нефтепродуктов и соединений тяжелых металлов. 2. Развитие технологии получения матрично-изолированных флокулянтов-коагулянтов Дальнейшее развитие работ по отработке промышленной технологии производства АКФК выявило ряд существенных недостатков данного способа. К этим недостаткам можно отнести сложность процесса получения алюмокремниевого флокулянта-коагулянта, его многостадийность, и в связи с этим значительные энергозатраты, а также необходимость использования дорогостоящего оборудования для быстрой сушки растворов. В связи с этим задачей дальнейшей разработки стало создание простого и быстрого способа получения алюмокремниевого флокулянта-коагулянта с заранее заданным соотношением содержания активных компонентов в пересчете на оксид алюминия и оксид кремния, а также в виде кристаллического порошка, обладающего постоянным составом и высокой стабильностью, простотой в использовании для водоочистки. Поставленная задача получения флокулянта-коагулянта как композиционного реагента была решена путем твердофазного смешения исходных компонентов [6]. В качестве исходных компонентов использовали сульфат алюминия, сульфат натрия (безводный) и гидросульфат натрия, либо Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 сульфат алюминия и гидросульфат натрия, либо сульфат алюминия, сульфат натрия (безводный) и концентрированную серную кислоту (96%). Затем на 2- й стадии, к полученной сухой смеси, при перемешивании, добавляют тонкомолотый твердый силикат натрия (“Монасил” - жидкое стекло в сухом виде) с модулем 1,5÷3,0, при следующем соотношении компонентов соответственно, для первого варианта, масс.ч.: 3,4 : 2,1 : 1,4 : 1, либо для второго варианта, масс.ч.: 3,4 : 1,4 : 1, либо для третьего варианта, масс.ч.: 3,4 : 2,9 : 0,6 : 1. При этом получают сухой порошок флокулянта-коагулянта с концентрацией действующих компонентов 57÷75%. Технический результат от вышеперечисленной совокупности признаков достигается тем, что при использовании компонентов АКФК в различных соотношениях получается продукт с заранее заданными параметрами содержания активных компонентов в пересчете на оксид алюминия и оксид кремния, что позволяет получать флокулянт-коагулянт с наиболее эффективным составом для очистки вод с различными типами загрязнений. Положительный эффект достигается тем, что конечный продукт представляет собой кристаллическое вещество, характеризующееся высокой стабильностью (срок хранения продукта не менее 12 месяцев), простотой получения и экономичностью транспортировки. Кроме того, при получении продуктов из природного нефелинового сырья образуется достаточно большое количество твердых отходов, представляющих собой нерастворимую часть нефелинового концентрата. В связи с этим у технологии переработки нефелинового сырья существует проблема отмывки образующейся твердой фазы от технологических растворов и ее последующей утилизации. Получаемому по предлагаемому способу продукту присвоено наименование АКФК-3. Эффективность АКФК-3 проверена на таких показателях, как цветность воды, содержание фосфат ионов, содержание Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Cu(II) и др. Сравнение эффективности флокулянтов-коагулянтов АКФК-2 и АКФК-3 на сточной воде городских очистных сооружений по параметру "цветность" представлена на рисунке 3. Из представленных данных видно, что алюмокремниевый флокулянт-коагулянт АКФК-3, полученный по новому способу, по эффективности действия не уступает продукту АКФК-2, полученному из нефелинового сырья. Рисунок 3. Представлена зависимость цветности очищаемой воды от дозы флокулянта- коагулянта (ФК). Было проведено сравнение эффективности коагулянтов АКФК-2 и АКФК-3 на сточной воде городских очистных сооружений по очистке от фосфат-ионов и ионов меди(II). Полученные данные представлены на рисунке 4. А Б Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Рисунок 4. Зависимость степени извлечения фосфат-ионов (А) и ионов меди(II) от дозы флокулянта-коагулянта. Из всех представленных выше данных видно, что АКФК-3, по эффективности действия не уступает продукту, полученному из природного нефелинового сырья. 3. Сравнение свойств разработанных флокулянтов-коагулянтов с существующими аналогами Объектами исследования являлись следующие продукты, выпускавшиеся промышленно: АКФК – алюмокремниевый флокулянт-коагулянт, производимый промышленно, в соответствии с технической документацией, разработанной авторами. ГХА – гидроксохлорид алюминия Al(OH) (3-m) Cl m , m≈0.8, содержание основного вещества – 95%; СА – сульфат алюминия, Al 2 (SO 4 ) 3 ·18H 2 O, содержание основного вещества – 96%. На примере речной воды в период паводка, проведено сравнение эффективности действия флокулянтов-коагулянтов. На рисунках 5 и 6 приведены показатели воды после реагентной обработки. Пересчет доз коагулянтов по сумме активных оксидов в расчете на товарные продукты осуществлялся следующим образом: Необходимая доза флокулянта- коагулянта, необходимая для осуществления эффективной очистки воды составляла 15 мг (Al 2 O 3 +SiO 2 )/л очищаемой воды. При этом соответствующие дозы сравниваемых флокулянтов-коагулянтов составляли: АКФК - 130 г/м 3 воды; ГХА - 32 г/м 3 воды; СА - 100 г/м 3 воды. Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Рисунок 5. Сравнение эффективности действия флокулянтов-коагулянтов на примере паводковой речной воды. Результаты приведены для содержания реагента в количестве 15 мг Al 2 O 3 на 1 л очищаемой воды. Рисунок 6. Сравнение эффективность коагулирующего действия АКФК, сульфата алюминия (СА) и гидроксохлорида алюминия (ГХА). Испытания проводились на сточной воде, отобранной на городских очистных сооружениях. Результаты приведены для содержания реагента в количестве 15 мг Al 2 O 3 на 1 л очищаемой воды. Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 4. Синтез и свойства железосодержащих флокулянтов-коагулянтов Среди известных реагентов для водоподготовки существует отдельный класс железосодержащих коагулянтов. Из солей железа наиболее употребительны сульфаты железа (II) и хлорид железа (III). Соли железа обладают лучшими коагулирующими свойствами в интервале pH 3,5÷6,5 и 8÷11. Обесцвечивание воды лучше протекает при pH 3,5÷5,0. Соли железа предпочтительно применять при очистке мутных жестких вод с высоким значением pH, а также при очистке стоков [1]. Они позволяют устранять запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода, удалять соединения мышьяка, марганца, меди, а также способствуют окислению органических соединений. По сравнению с солями алюминия, соли железа могут применяться при очистке вод с более разнообразным солевым составом и различными значениями pH, они оказывают лучшее действие при низких температурах, характеризуются большой прочностью и гидродинамическими размерами хлопьев. Применение методов синтеза, использованных для получения алюмокремниевых флокулянтов-коагулянтов, в частности, использование подходов матричной изоляции активных компонентов, позволило создать аналогичные продукты на основе соединений железа [7]. В качестве недостатков солей железа(III), как коагулянтов, следует отметить повышенное корродирующее действие на технологическое оборудование. При взаимодействии ионов железа с некоторыми органическими соединениями образуются растворимые, сильно окрашенные комплексы. При использовании в качестве коагулянта индивидуальных солей железа(II) необходимо применять известь и хлор для окисления железа до трехвалентного состояния. В противном случае мы наблюдаем сильное замедление хлопьеобразования. Однако если объединить коагулирующее действие солей железа с флоккулирующим действием кремнекислоты, по Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 аналогии с композиционными флокулянтами-коагулянтами типа АКФК, может возникнуть синергетический эффект. Таким образом, можно усилить достоинства коагулянтов на основе солей железа и уменьшить их недостатки. Задачей настоящей работы явилась разработка способа получения железокремниевого флокулянта-коагулянта (далее ЖКФК) с заранее заданным соотношением содержания активных компонентов в пересчете на оксид железа (II) и оксид кремния. Продукт должен иметь вид кристаллического порошка, обладать постоянным составом и высокой стабильностью. Срок его хранения должен быть не менее одного года. Получаемый продукт должен быть экономичен при транспортировке и применении для более простой и эффективной очистки воды от загрязнений. Поставленная задача была решена с помощью методов, указанных в разделе 2, в частности с использованием подходов матричной изоляции активных компонентов. Так получение железокремниевого флокулянта- коагулянта осуществляли путем смешения исходных компонентов. На 1-й стадии, в качестве исходных компонентов использовали сульфат железа (II) ( ), безводный сульфат натрия ( и концентрированную серную кислоту (96%), либо сульфат железа (II) и гидросульфат натрия ( ). Затем, на 2-й стадии, к полученной сухой смеси при непрерывном перемешивании добавляют безводный силикат натрия, с модулем 1,5÷3,0. При этом соотношение компонентов поддерживают на уровне, соответственно: 1,5:2,1:0,6:1 (масс.ч.), либо: 1,5:1,4:1 (масс.ч.). В результате получают сухой порошок флокулянта-коагулянта с концентрацией действующих компонентов 45÷48% [7]. Получение железокремниевого флокулянта-коагулянта ведут смешением исходных компонентов в виде сухих порошков с получением различных соотношений Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 действующих компонентов FeO/SiO 2 в зависимости от предполагаемых объектов использования. Использование полученного флокулянта коагулянта ЖКФК, как и описанные выше способы обработки воды, включают введение железокремниевого флокулянта-коагулянта, барботирование или механическое перемешивание с последующим отделением образующегося осадка. Достигаемый при этом положительный эффект заключается в том, что получаемый продукт представляет собой кристаллическое вещество, обладающее высокой стабильностью (срок хранения продукта не менее 12 месяцев), простотой и экономичностью транспортировки. При этом внесение продукта в очищаемую воду осуществляется в виде порошка или 0,1÷1,0% водного раствора для создания концентрации 0,09÷0,8 г флокулянта- коагулянта на 1 л очищаемой воды. Преимущество данного способа получения материала заключается в том, что при использовании компонентов ЖКФК в различных соотношениях, получается продукт с заранее заданным содержанием оксида железа (II) и оксида кремния. Это позволяет получать композиционный флокулянт- коагулянт с наиболее эффективным составом, предназначенным для очистки вод с различными типами загрязнений. Результаты испытаний иллюстрируется примерами проведенных на модельных и реальных загрязненных водах, которые представлены в таблице 1. Таблица 1. Результаты испытаний флокулянта-коагулянта ЖКФК на модельных и реальных загрязненных водах Удаляемая примесь трация примеси Содержание ЖКФК Время барботажа отстаи вания , очист ки ного водно Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 г/л мг FeO/л воздухом, минут Cu 2+ 5,0 0,1÷0,2 6,3÷12,5 15 20-30 88÷98 1 Cu 2+ 1,43 0,2÷0,4 15 30 84÷88 2 V(V) 1,93 0,1-0,2 6,3÷12,5 15 80÷90 2 Cr 3+ 1,2 4,4÷5,5 15 40 95-99 1 Cr(VI) 0,4 0,07÷0,09 15 30 90÷99 2 Мутность 14,3 10 20 15 30 90 2 Нефтепродукты 50,5 1 5 5 90÷98 3 1 - Искусственный образец 2 - Сточная вода промышленного предприятия 3 - Ливневый сток нефтебазы 5. Эффективность применения композиционных коагулянтов АКФК и ЖКФК для очистки нефтесодержащих сточных вод Эксперименты проводили на реальной нефтесодержащей сточной воде, характеристики которой представлены в таблице 2. Сточная вода нефтеперерабатывающего завода (Ярославль) представляла собой мутную желтовато-зеленоватую жидкость с запахом нефтепродуктов. Ливневой сток нефтебазы представлял собой светло-серую жидкость, а сточная вода с автомойки имела темно-серый цвет. Оба этих стока не осветлялись при длительном отстаивании и имели сильный запах нефтепродуктов. Проведены исследования свойств флокулянтов-коагулянтов АКФК и ЖКФК. Для сравнения были взяты стандартные продукты - сульфат Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 алюминия (СА) и сульфат железа (II) (СЖ, железный купорос). Характеристики исследованных коагулянтов представлены в работе [8]. Таблица 2. Характеристики нефтесодержащих сточных вод, использованных в качестве экспериментальных объектов Показатель Общий сток нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) Сточная вода автомойки Ливневой сток нефтебазы pH 7,48 6,92÷7,1 7,48÷7,6 Нефтепродукты 5,5 50,5÷139,54 46,7÷83,0 Мутность, мг/л 47 74,8÷106,9 84,0÷154,0 Цветность, град.* 301 83 47 * цветность измерялась в градусах хром-кобальтовой шкалы. Результаты экспериментов по определению эффективности снижения мутности, цветности и содержания нефтепродуктов в сточной воде НПЗ алюминий содержащими коагулянтами в зависимости от их дозы представлены на рис. 7-А. Как следует из полученных данных АКФК и СА обладают близкой коагулирующей активностью и обеспечивают практически равное снижение мутности и содержания нефтепродуктов при самостоятельном применении, при дозах 10-20 мг/л (по оксиду алюминия). Однако АКФК обеспечивает большее снижение цветности, чем СА во всем интервале испытанных доз реагентов от 5 до 46 мг/л (рис. 7). Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Рисунок 7. Зависимость мутности (1, 2), цветности (3, 4) и содержания нефтепродуктов (6, 6) отстоянной сточной воды НПЗ от дозы реагентов: сульфат алюминия (А) или сульфата железа (II) (Б) (1, 3, 5) и флокулянта-коагулянта (2, 4, 6). А – АКФК; Б – ЖКФК. При использовании железосодержащих коагулянтов, мутность и цветность сточной воды, нефтеперерабатывающего завода снижается в равной степени, как флокулянтом-коагулянтом ЖКФК, так и железным купоросом. Содержание нефтепродуктов в очищенной воде значительно ниже при применении ЖКФК, чем железного купороса (рис. 7 Б). При дозе коагулянтов 5 мг/л остаточное содержание, нефтепродуктов в очищенной воде также ниже при коагуляции ЖКФК, чем при коагуляции железным купоросом. Оптимальная величина pH при применении ЖКФК составляет 8,3÷8,7, как показано на рис. 8. Инженерный вестник Дона, №3 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5045 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007–2018 Рисунок 8. Зависимость мутности и цветности сточной воды НПЗ от pH при дозе ЖКФК 30 мг/л, при продолжительности отстаивания в течение 10 мин. Сравнение коагулирующей способности алюмо- и железосодержащих коагулянтов показало, что для обеспечения одинакового эффекта очистки сточных вод НПЗ, железосодержащие коагулянты требуются в дозах в 2 раза меньших (5 мг/л), чем дозы алюмосодержащих коагулянтов (10 мг/л). Экспериментальные результаты, полученные при оценке эффективности применения композиционных флокулянтов-коагулянтов АКФК, ЖКФК и базовых коагулянтов - сульфатов алюминия и железа(II) для очистки сточной воды автомойки, представлены на рис. 9-A. Как следует из рис. 9 флокулянт- коагулянт АКФК в большей степени снижает мутность сточной воды, чем СА, при одинаковом остаточном содержании нефтепродуктов. При этом коагулянт ЖКФК в большей степени, чем СЖ (рис. 9-Б), снижает мутность и содержание нефтепродуктов. Эксперименты по очистке ливневых сточных вод нефтебазы, также, как и при очистке сточных вод НПЗ и автомойки, показали высокую эффективность применения флокулянтов-коагулянтов. При этом удается обеспечить максимальное снижение содержания нефтепродуктов и взвешенных веществ при дозах коагулянта 5÷10 мг/л (рис. 10-А). По эффективности коагулянт АКФК несколько лучше, чем СА (рис. 10-А). В то же время коагулянт ЖКФК в дозе 5 мг/л обеспечивает значительное меньшее содержание нефтепродуктов в очищенной воде, чем СЖ при одновременном снижении мутности очищенной воды (рис. 10-Б). |