Очистка сточных вод от синтетических и органических красителей отходом производства дисахаридов
На правах рукописи
ЕЛЬНИКОВ Дмитрий Александрович ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ ОТХОДОМ ПРОИЗВОДСТВА ДИСАХАРИДОВ Специальность 03.02.08 – экология (в химии и нефтехимии)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Пенза – 2013 1
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный техноло гический университет имени В.Г. Шухова" на кафедре "Промышленная экология".
Научный руководитель доктор технических наук, профессор СВЕРГУЗОВА Светлана Васильевна.
Официальные оппоненты: СОБГАЙДА Наталья Анатольевна, доктор технических наук, доцент, Энгельсский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», доцент кафедры «Экология и охрана окружающей среды»;
КОМАРОВА Лариса Федоровна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», заведующая кафедрой «Химическая техника и инженерная экология».
Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Российский химико технологический университет имени Д.И.
Менделеева», г. Москва.
Защита состоится 25 июня 2013 г., в 13 часов, на заседании диссертацион ного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/11, кор пус 1, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенс кая государственная технологическая академия".
Автореферат разослан 22 мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Яхкинд Михаил Ильич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Объемы производства красителей в химической промышленности постоянно возрастают и составляют около 1 млн. т/год. Одни ми из наиболее распространенных являются синтетические и органические кра сители, которые попадают в сточные воды предприятий химической промыш ленности. Опасность подобных сточных вод обусловлена высокой токсичностью красителей, поскольку их ПДК составляют менее 0,001 мг/дм3. Поэтому разра ботка эффективных и экологически безопасных способов очистки сточных вод от синтетических и органических красителей является актуальной задачей.
При очистке сточных вод от синтетических и органических красителей в настоящее время применяют адсорбционные способы, а в качестве сорбентов выбирают активированные угли различных марок. Однако при их производстве расходуются природные ресурсы – древесина различных пород, что является не рациональным с точки зрения природопользования. В этой связи является ак туальным поиск альтернативных сорбционных материалов, ориентированный, в том числе, на использование промышленных отходов.
Ранее, Лупандиной Н.С., Сапроновой Ж.А. и другими, было установлено, что вследствие термической обработки исходного дефеката (ИД), образующего ся в производстве дисахаридов, получается материал с высокими сорбционными характеристиками. Исследования проводились с целью очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (Cu2+ и Ni2+), задача очистки от синтетических и орга нических красителей с использованием термически модифицированного дефе ката (ТМД) ранее не ставилась, поэтому данное исследование является актуаль ным и имеет научное и практическое значение.
Цель работы: разработка адсорбционного способа очистки сточных вод от синтетических и органических красителей на примере "Оранжевый R" и "Ме тиленовый голубой" с использованием отхода производства дисахаридов – тер мически модифицированного дефеката.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следую щие задачи.
1. Выявить оптимальные параметры процесса термической модификации дефеката, обеспечивающие высокую эффективность очистки сточных вод от кра сителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой".
2. Исследовать закономерности очистки сточных вод, окрашенных синте тическими и органическими красителями, с использованием термически моди фицированного дефеката.
3. Определить сорбционные характеристики и термодинамические пара метры изотерм адсорбции, выявить механизм процесса очистки сточных вод от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" термически модифици рованным дефекатом.
4. Разработать технологическую схему процесса очистки окрашенных сточ ных вод от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" и подобрать соответствующее оборудование.
5. Разработать практические рекомендации по утилизации образующегося осадка водоочистки.
6. Дать эколого-экономическое обоснование процесса очистки и рассчи тать предотвращенный экологический ущерб.
Методы исследования: для решения поставленных задач был использован комплекс лабораторных и производственных методов, методы математической ста тистики. Лабораторные методы включали рентгенофазовый и дифференциально термический анализ, УК-спектроскопию, электронную микроскопию, традицион ные химические и физико-химические методы для исследования структуры и свойств отхода производства дисахаридов. Производственные методы: гравимет рический, фотоколориметрический методы анализа, традиционные химические и физико-химические методы для исследования процесса водоочистки.
Научная новизна работы.
1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность ис пользования термически модифицированного дефеката для очистки сточных вод от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой".
2. Установлена взаимосвязь между условиями термообработки дефеката и эффективностью очистки модельных растворов от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой", достигающей 97 %. Выявлена зависимость между ус ловиями обработки и удельной поверхностью, физико-химическими и сорбци онными свойствами модифицированного дефеката.
3. Определены кинетические закономерности снижения концентрации кра сителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" в воде при очистке окрашен ных сточных вод термически модифицированным дефекатом, рассчитаны сорб ционные характеристики и термодинамические параметры изотерм адсорбции, которые подтверждают специфическую природу адсорбции красителей на по верхности модифицированного дефеката.
4. Установлена зависимость эффективности очистки от длительности тер мической обработки исходного дефеката, продолжительности контакта со сточ ными водами, температуры обработки исходного дефеката, массы добавки тер мически модифицированного дефеката. Получены уравнения регрессии, адек ватно описывающие процесс очистки.
Научная новизна полученных результатов подтверждена патентом РФ на изобретение № 2416573.
Практическая значимость работы.
1. Предложена технология сорбционной очистки сточных вод с использо ванием термически модифицированного дефеката, обеспечивающая эффективность очистки 95 % для органического красителя "Метиленовый голубой" и 97 % – для синтетического красителя "Оранжевый R".
2. Установлены рациональные технологические параметры процесса очи стки сточных вод от органических и синтетических красителей: температура об работки исходного дефеката – 600 C, длительность термической обработки – минут, продолжительность взаимодействия со сточными водами – 10 минут, мас са добавки термически модифицированного дефеката – 2 г на 100 мл, температу ра среды взаимодействия – 30 C.
3. Предложены рекомендации по использованию осадков, полученных в ре зультате очистки сточных вод отходом производства дисахаридов, в качестве поро образующей добавки при производстве керамического изделия – глиняного кир пича и как тонкодисперсного наполнителя в лакокрасочной промышленности.
Внедрение результатов исследований: предлагаемый способ был апро бирован при очистке производственных сточных вод ООО "Немецкая химчист ка", г. Белгород. Испытания показали, что максимальная эффективность очистки составляет на выходе 98,3 %. Разработанный способ принят к реализации на пред приятии в 2015 году после реконструкции технологической линии.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных экспериментальных методик и поверенных измерительных приборов.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных иссле дований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировании выводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установленная взаимосвязь между режимом термообработки исходного дефеката и его составом, а также выявленная зависимость эффективности очист ки сточных вод от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" от раз личных технологических факторов, достигающей 95–97 %.
2. Уравнения регрессии, описывающие процессы очистки сточных вод от красителей. Многофакторная зависимость эффективности очистки от длитель ности термической обработки исходного дефеката, продолжительности контак та со сточными водами, температуры обработки исходного дефеката, массы до бавки термически модифицированного дефеката.
3. Технологическая схема очистки сточных вод с использованием терми чески модифицированного дефеката, позволяющая достигать эффективности очистки 95 % для органического красителя "Метиленовый голубой" и 97 % – для синтетического красителя "Оранжевый R".
4. Рекомендации по использованию осадков водоочистки в производстве глиняного кирпича, а также в качестве карбонатной добавки в лакокрасочной промышленности при изготовлении пигменто-наполнителей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ме ждународных и всероссийских конференциях: "Харьковщина, студенчество, эко логия" (Харьков: ХПИ, 2009);
"Эколого-правовые и экономические аспекты техно генной безопасности регионов" (Харьков, 2009);
"Вода, экология, общество" (Харь ков, 2010);
"Научный потенциал – XXI" (Обнинск, 2010);
"Меня оценят в XXI веке" (Москва, 2010);
"Охрана окружающей среды. Безопасность жизнедеятельности:
проблемы, поиск, решения" (Белгород, 2011);
"Экология: образование, наука, про мышленность и здоровье" (Белгород, 2011);
"Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов" (Белгород, 2012).
Публикации. Основные положения работы изложены в 18 публикациях, в числе которых 5 статей в рецензируемых научных журналах перечня ВАК, 1 па тент РФ на изобретение и 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на страницах, включает 28 таблиц, 69 рисунков и фотографий, 2 приложения на страницах;
список литературы содержит 150 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель иссле дований, направленных на решение задачи очистки сточных вод, окрашенных синтетическими и органическими красителями, изложены научные и практичес кие результаты, положения, выносимые на защиту.
В главе 1 приведен аналитический обзор информации о загрязнении поверх ностных водоемов органическими и синтетическими красителями. Рассмотрены масштабы загрязнения водных объектов красителями как в мире, так и в России.
Отмечена проблема систематического накопления на полигонах отхода про изводства дисахаридов на примере Белгородской области (таблица 1).
Таблица 1 – Накопление дефеката в Белгородской области Количество сахарных заводов Мощность одного завода по переработке свеклы, т/год Среднее количество дефеката, образующегося на заводе, т/год Общее количество дефеката по Белгородской области, т/год Дефекат – фильтрационный осадок, образующийся на стадии очистки (са турации) диффузионного сока сахарной свеклы. В основном он состоит из СаСО3, некоторого количества сахаров, адсорбированных органических веществ, неса харов, которые в процессе обработки соков образуют с кальцием нерастворимые соединения или адсорбируются на поверхности СаСО3 (таблица 2).
Таблица 2 – Процентный состав дефеката Ингредиент масс. % Сахар 2, Пектиновые вещества 1, Углекислый кальций 74, Азотистые органические вещества, 5, в том числе азот 0, Безазотистые органические вещества 9, Известь в виде солей разных кислот 2, Прочие минеральные вещества, 3, в том числе фосфорная кислота 1, Рассмотрены перспективы использования дефеката для очистки сточных вод от красителей.
В главе 2 дана характеристика объектов и методов исследования.
Объектами исследований являлись: модельные растворы, содержащие син тетический азокраситель "Оранжевый R" (OR) (тропеолин ООО) – n-[(2-окси-1 нафтол)азо] бензосульфокислоты натриевая соль (С16H11N2NaO4S) и органический основной тиазиновый краситель "Метиленовый голубой" (МГ) (N,N,N',N' – тетра метилтионина хлорид тригидрат C16H18CIN3S) в концентрациях 25 и 50 мг/дм3, от ход производства дисахаридов – дефекат Дмитротарановского сахарного завода.
Предметом исследования является адсорбционный способ очистки сточ ных вод от синтетических и органических красителей с использованием отхода производства дисахаридов – термически модифицированного дефеката.
Приведены методы определения рН водных вытяжек, насыпной и исти ной плотности, водопоглощения, ситового и рентгенофазового анализа, адсорб ционные, дериватографические определения и др.
Термическую модификацию исходного дефеката осуществляли путем его обжига в муфельной печи при заданных температуре и продолжительности тер мического воздействия. Размер частиц получаемого термически модифицирован ного дефеката лежит в пределах от 10 до 40 мкм. Проводили также химическую "отмывку" углеродного слоя с поверхности СаСО3 путем растворения последне го в концентрированной соляной кислоте.
В главе 3 представлены результаты исследования физико-химических свойств дефеката, приведены результаты микроскопических, дериватографиче ских и рентгенофазовых исследований, а также определены электроповерхно стные свойства частиц дефеката. Представлены результаты исследования влия ния различных технологических факторов на эффективность очистки.
Для подтверждения целесообразности терми- Эффективность ческой модификации ис очистки,% ходного дефеката сравни вали показатели эффектив- ности очистки при исполь- зовании термически моди- 0 1 2 3 4 m, г фицированного дефеката, Мел ИД ТД У исходного дефеката, Рисунок 1 – Зависимость эффективности очистки от массы СаСО3 и "отмытого" угле- добавленного сорбента (г/100 мл) рода (рисунок 1).
Из результатов, представленных на рисунке 1, следует, что эффективность очи стки с помощью исходного дефеката и СаСО3 при добавлении максимального коли чества сорбента не превышает 53 % для исходного дефеката и 44 % – для мела, в то время как эффективность очистки термически модифицированным дефекатом на отрезке от 1 до 2 г возрастает до 91 %, а в конечном итоге составляет 97 %. Следова тельно, термическая модификация исходного дефеката целесообразна, так как при этом значительно увеличивается эффективность очистки. Очистка отмытым углеро дом позволяет достичь максимальной эффективности 99 % при добавлении 1 г / мл раствора, поскольку углерод, образующийся на поверхности термически моди фицированного дефеката, играет значительную роль в процессе очистки.
В связи с тем, что состав исходного дефеката может изменяться под дей ствием различных температур, представляло интерес определить наиболее ра циональный температурный режим обжига.
Эффективность очистки, Эффективность очистки, % 70 % 25 мг/л 60 С=25 мг/л С=50 мг/л 50 50 мг/л 40 0 200 400 600 800 0 200 400 600 t, C t, C а б Рисунок 2 – Зависимость эффективности очистки растворов OR (а) и МГ (б) от температуры обжига ИД (2 г/100 мл) Из полученных результатов (рисунок 2) следует, что оптимальной для об жига является температура 600 C.
Для определения наиболее рациональной длительности обжига исходный де фекат подвергался термической обработке в интервале от 5 до 60 мин с шагом 5 мин.
С=25 мг/л С=25 мг/л Эффективность очистки, Эффективность очистки, С=50 мг/л 100 С=50 мг/л 95 90 % % 85 80 0 15 30 45 60 0 15 30 45 t, мин t, мин а б Рисунок 3 – Зависимость эффективности очистки модельных растворов OR (а) и МГ (б) от продолжительности обжига ИД (2 г/100 мл) Оптимальная длительность обжига (рисунок 3) составила 20 мин, так как в этом случае достигается максимальная эффективность очистки модельных ра створов (%). Снижение эффективности очистки после 20 мин температурного воздействия, вероятно, обусловлено выгоранием углеродного слоя.
Продолжительность перемешивания в процессе очистки сточных вод от загрязнителей также имеет важное значение, так как влияет на процесс взаимо действия сорбента с сорбатом и определяет эффективность процесса.
Эффективность очистки, % Эффективнос ть очистки, % 100 95 С=25 мг/л 90 90 50 мг/л С=50 мг/л 25 мг/л 85 0 6 12 18 24 30 0 5 10 15 20 25 30 40 50 t, мин t, мин а б Рисунок 4 – Зависимость эффективности очистки модельных растворов OR (а) и МГ (б) от длительности перемешивания (2 г/100 мл) Из рисунка 4 следует, что интенсивное увеличение эффективности очист ки (до 97 %) наблюдается в течение первых пятнадцати минут перемешивания.
Вероятно, это можно объяснить тем, что в первые минуты взаимодействия кра сителя с термически модифицированным дефекатом на поверхности дефеката имеется большое количество участков поверхности, к которым могут прибли зиться молекулы красителя и адсорбироваться на поверхности сорбента. В даль нейшем свободной поверхности на частицах термически модифицированного дефеката становится все меньше и молекулам красителя сложно приблизиться к поверхности сорбента и удержаться около нее силами сорбционного взаимодей ствия. Поэтому рост эффективности очистки замедляется.
В процессах, протекающих на границе раздела фаз, большую роль играет удельная поверхность взаимодействующих частиц, поскольку в данном случае сами физико-химические взаимодействия могут протекать на поверхности твер дой фазы. Так как удельная поверхность напрямую связана с размерами частиц, была исследована зависимость эффективности очистки от размера частиц ис пользуемых фракций.
50 мг/л 100 100 50 мг/л Эффективность очистки, 25 мг/л Эффективность очистки,% 25 мг/л % 90 0,001 - 0,05 0,05 - 0,08 0,08 - 0,1 0,001 - 0,05 0,05 - 0,08 0,08 - 0, Размер фракции, мм Размер фракций, мм а б Рисунок 5 – Зависимость эффективности очистки от размера фракции ТМД для OR (а) и МГ (б) (50 мл;
1 гр;
10 мин) Из результатов исследований, представленных на рисунке 5, следует, что с повышением дисперсности частиц термически модифицированного дефека та эффективность очистки увеличивается для растворов обоих красителей. Одна ко, учитывая, что средний размер частиц термически модифицированного де феката составляет 20 мкм, можно сделать вывод, что дополнительное его из мельчение не требуется.
Адсорбционные исследования проводились с модельными растворами с исходной концентрацией синтетического красителя "Оранжевый R", г/л: 2,5;
2,0;
1,5;
1,0;
0,5, органического красителя "Метиленовый голубой", г/л: 2,0;
1,5;
1,0;
0,5 (рисунок 6).
Кривая десорбции находится в непосредственной близости от оси ОХ, что свидетельствует о низкой концентрации ионов красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" в растворах, смытых с поверхности термически моди фицированного дефеката.
Это указывает на достаточно сильное взаимодействие ионов красителей с поверхностью термически модифицированного дефеката. Сорбционная емкость Е составляет для красителя "Оранжевый R" 224 10-6 моль/г и для красителя "Ме тиленовый голубой" – 300 10–6 моль/г.
.
а б Рисунок 6 – Изотермы адсорбции и десорбции (дистиллированной водой, Т=20 C ) OR (а) и МГ (б) на поверхности ТМД Для того, чтобы определить, вследствие каких сил осуществляется сорб ционное взаимодействие в растворах красителей с использованием термически модифицированного дефеката, были рассчитаны величины энергии взаимодей ствия. Так как величины энергии взаимодействия лежат в пределах:
5 кДж/моль Н 30 кДж/моль, адсорбция осуществляется за счет сил специфического взаимодействия.
Для дальнейшего исследования механизма процесса очистки был иссле дован суспензионный эффект в водных растворах рассматриваемых красителей с добавкой термически модифицированного дефеката. Суспензионный эффект количественно можно определить как разность между концентрационными ха рактеристиками противоионов в суспензии и в фильтрате (таблица 3).
Таблица 3 – Результаты исследования суспензионного эффекта Добавка Значение рН Суспензионный Краситель ТМД, г / эффект ( рН) суспензии фильтрата мл р-ра OR 2 10,52–10,70 10,01–10,20 0, OR 3 10,80–10,99 10,35–10,59 0, МГ 2 10,90–11,15 10,44–10,63 0, МГ 3 11,42–11,60 10,95–11,15 0, Поскольку ранее был определен -потенциал поверхности частиц терми чески модифицированного дефеката и было установлено, что при рН6,8 он имеет отрицательное значение, то, очевидно, в качестве агрегата мицеллы в нашем слу чае выступают частицы самого сорбента, потенциалопределяющими ионами – ионы Н+, противоионами диффузионного слоя – ионы ОН- (рисунок 7).
При фильтрации противоионы уходят вместе с фильтратом. Таким обра зом, концентрация ионов Н+ в фильтрате увеличивается и его рН снижается.
Для исследования влияния раз личных факторов на механизм очис тки применялся трехуровневый че тырехфакторный эксперимент. В ка честве изменяющихся факторов ис пользовались величины: масса до бавки (m), температура обжига (t), продолжительность обжига (Т обж) и длительность перемешивания ( перем ). Интервалы варьирования Рисунок 7 – Мицелла частицы дефеката R – анион красителя OR выбирались, исходя из результатов предварительных экспериментов.
В качестве отклика использовалась эффективность очистки. Уровни варьи рования переменных в натуральных координатах представлены также в таблице 4.
Таблица 4 – Интервалы варьирования переменных Условные № Уровни Наименование обознач. нижний верхний нулевой x1 m Масса добавки ТМД, г 1 3 x2 t Температура обжига, °С 450 750 Продолжительность об Тобж x3 5 15 жига, мин Длительность перемеши- перем x4 2 20 вания, мин В ходе комплексного исследования влияния технологических факторов на эффективность очистки были получены уравнения регрессии, адекватно описы вающие процесс очистки для каждого из красителей:
Y(OR)=60,57+10,61x1+22,51x2+3,5x3+2,77х4–1,86х12+0,54х22+2,34х3 2– –0,55х42+5,44х1х2 +0,31х1х3–0,94х1х4+1,44х2х3+0,44х2х4–0,19х3х4;
Y(МГ)=45,43+7,95x1+16,87x2+2,63x3+2,08х4–2,48х12+0,41х2 2+1,76х3 2– –0,91х42+4,08х1х2+0,23х1х3–0,7х1х4+1,08х2х3+0,33х2х4–0,14х3х4.
Адекватность полученных уравнений определяли, используя критерий Стью дента. В каждом сечении были определены области возможных значений, соответ ствующие доверительной вероятности 0,95, при объеме выборки, равном 4, в каж дом сечении массы добавки термически модифицированного дефеката. Поверхно сти отклика при фиксированных координатах представлены на рисунке 8.
а б Рисунок 8 – Поверхности отклика в координатах: Y – x1 – x2 при фиксированных параметрах: а – для красителя OR, б – для красителя МГ Результаты анализа уравнений регрессии показали, что максимальное зна чение эффективности очистки Y(OR) = 94 % и Y(МГ) = 90 % достигается при сле дующих входных параметрах: m = 3 г/л;
t = 600 °C;
Tобж = 15 мин;
перем = 8 мин.
В главе 4 с целью подтверждения целесообразности предлагаемого спо соба очистки сточных вод, содержащих красящие вещества, была исследована возможность использования отхода производства дисахаридов для очистки сточ ных вод в условиях предприятия ООО "Немецкая химчистка". Для эксперимента использовались смешанные сточные воды, содержащие различные красители.
Кроме красителей, сточные воды содержали также сульфаты, фосфаты, СПАВ, взвешенные вещества, которые попадают в сточные воды в результате использо вания различных чистящих и моющих средств в производственном процессе.
Снижение концентрации красителей определяли по уменьшению оптиче ской плотности (Д) при длине волны = 480 нм очищенных вод по сравнению с оптической плотностью исходных сточных вод до очистки (таблица 5).
Таблица 5 – Результаты очистки сточных вод с помощью ТМД в условиях лаборатории предприятия ООО "Немецкая химчистка" Оптическая Оптическая Добавка ТМД, Эффективность плотность до плотность после г/л очистки, % очистки, Д очистки, Д 10 1,26 0,26 96, 20 1,26 0,06 98, 30 1,26 0,03 98, Как видно из таблицы 5, эффективность очистки от красителей лежит в пределах от 96,2 до 98,5 %. Также наблюдалась высокая степень очистки сточ ных вод от сульфатов и фосфатов. Это объясняется их взаимодействием с ио нами Са2+, которые присутствуют в термически модифицированном дефекате вследствие разложения кальциевых солей органических кислот, находящихся в обожженном дефекате. При этом протекают реакции по схемам:
3- 2+ 2PO4 +3Са Са3(PO4) SO42-+Са2++2H2O CaSO4 2H2O Механизм очистки от взвешенных веществ, по-видимому, можно объяснить электростатическим взаимодействием между поверхностью термически моди фицированного дефеката и взвешенными частицами, несущими разноименные электрические заряды. Оседая на поверхности, взвешенные частицы под дей ствием силы тяжести вместе с термически модифицированным дефекатом увле каются на дно отстойника и выводятся из раствора.
Таким образом, проведенные в производственных условиях исследования показали высокую эффективность очистки окрашенных сточных вод термиче ски модифицированным дефекатом.
Предполагаемый механизм очистки обуславливается присутствием в мо лекуле "Оранжевый R" частично положительного заряда (Na+) и частично от рицательного заряда (SO32-). По этим участкам молекулы возможно взаимодей ствие с фрагментами поверхности термически модифицированного дефеката, имеющими статический заряд. Как было установлено ранее при определении величины -потенциала, в кислой среде (до 6,8 рН) -потенциал поверхности термически модифицированного дефеката имеет положительный заряд, а в щелочной – отрицательный.
Следует обратить внимание, что молекула "Оранжевый R" содержит боль шое количество атомов водорода, которые могут участвовать в образовании во дородных связей. Вероятно, такие связи возникают между атомами водорода, входящими в состав молекулы "Оранжевый R", и отрицательно заряженной по верхностью термически модифицированного дефеката (рисунок 9). Механизм адсорбции красителя "Метиленовый голубой" на поверхности термически моди фицированного дефеката можно объяснить аналогично.
Рисунок 9 – Предполагаемый механизм очистки [Na+ - R-Н] – молекула красителя OR На основании проведенных исследований разработана технологическая схема процесса очистки сточных вод для предприятий, в сточных водах которых присутствуют синтетические и органические красители, при помощи термичес ки модифицированного дефеката (рисунок 10).
Термически модифициро ванный дефекат из бункера 1 при помощи ленточного конвейера попадает в смеситель 4, где сме шивается со сточными водами, по дающимися из усреднителя 2.
Время контактирования сточных вод с поверхностью термически модифицированного дефеката со ставляет 10 мин, после чего при помощи насоса 5 вода подается в вертикальный отстойник 6, где происходит отделение очищенной воды от осадка седиментацией.
Осадок водоочистки из вертикаль Рисунок 10 – Принципиальная технологическая схема для очистки сточных вод с помощью ТМД: ного отстойника направляется в 1 – бункер для ТМД, 2 – усреднитель сточных вод, шламонакопитель 7 и затем – на 3 – ленточный конвейер, 4 – смеситель, 5 – насос, утилизацию (использование в ка 6 – вертикальный отстойник, 7 – шламонакопитель честве добавки при производстве керамических изделий).
При очистке окрашенных растворов от красителя "Оранжевый R" и "Ме тиленовый голубой" термически модифицированным дефекатом образуется оса док, в сухом виде содержащий, масс. %: СаСО3 – 80,5;
С – 0,5;
краситель "Оран жевый R" и "Метиленовый голубой" – 18,0;
инертные примеси – 1 %. Осадок водоочистки представляет собой вторичный отход.
С целью рационального использования осадка предложено применять его в качестве порообразующей добавки к глиняным смесям при производстве ке рамического кирпича.
В экспериментах использовали глину Аркадьевского месторождения Бел городской области. Минеральный состав глины (рисунок 11) представлен мон тмориллонитом (d=4,506;
2,600), присутствует незначительное количество као линита (d=2,137;
2,246;
3,576);
наблюдается большое количество кварца (d=1,674;
1,822;
1,908;
1,983;
3,357;
4,270), кальцита (d=2,053;
2,230;
2,462;
3,249;
3,875), присутствует пик слабой интенсивности, соответствующий по ве-личине меж плоскостного расстояния иллиту (d=5,025).
Кварц монтмориллонит иллиттт кальцит каолинит Рисунок 11 – Рентгенограмма глины Аркадьевского месторождения В состав аркадьевской глины входят глинистые минералы (81 %), песок (10,6 %) и СаСО3 (8,4 %).
С увеличением содержания осадка водоочистки до 15 %, прочность изде лий снижается (рисунок 12). Снижается также плотность изделий (рисунок 13), что можно объяснить возрастанием общего объема пор в готовых образцах за счет выделяющихся при спекании газообразных продуктов. Рационально оправданным количеством осадка, добавленного к глине, следует считать добавку 15 масс. %.
Прочнос ть на сжатие, мПа Удельная плотность, кг/м 16 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Количество осадка водоочистки,% Количество осадка водоочистки, масс. % Рисунок 12 – Зависимость прочности образцов Рисунок 13 – Зависимость удельной плот от количества добавленного осадка ности от количества добавленного осадка Полученные образцы соответствуют ГОСТу 530-2007, что свидетельству ет о возможности применения данных изделий в строительстве и отделке.
Было установлено также, что осадок водоочистки можно использовать в качестве пигмента-наполнителя в производстве лакокрасочных материалов. Ис пытания, проведенные в ООО "КВИЛ" (г. Белгород) показали, что получаемые на основе осадка краски не уступают по качеству образцам, изготавливаемым на традиционных пигментных наполнителях.
На рисунке 14 представлена предлагаемая схема производства керамиче ских изделий с использованием осадка водоочистки.
Рисунок 14 – Предлагаемая схема производства керамических изделий с использованием осадка водоочистки: 1 – приготовление смеси из глины и осадка водоочистки, 2 – вальцевание, 3 – смешивание, 4 – формование, 5 – сушка, 6 – обжиг 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 техни ческой целесообразности внедрения предложенных мероприятий по очистке сточ ной воды в ООО "Немецкая химчистка", г. Белгород. При этом сумма капиталь ных вложений при внедрении нового метода составит 908600 руб., предотвра щенный ущерб от загрязнения водного бассейна составляет 1361986,7 руб./год, предотвращённый экологический ущерб от загрязнения окружающей среды твёр дыми отходами (осадок водоочистки) составляет 228640 руб./год.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Установлена принципиальная возможность использования отхода про изводства дисахаридов для очистки модельных растворов от красителей "Оран жевый R" и "Метиленовый голубой". Показано, что при обжиге исходного дефе ката в течение 20 мин при температуре 600 C образуется термически модифи цированный дефекат с максимальными сорбционными свойствами. Это обуслов лено тем, что при термической модификации исходного дефеката происходит об разование углеродистых частиц, осаждающихся на поверхности СаСО3, что зна чительно увеличивает его сорбционные характеристики.
2. Выявлено, что эффективность очистки от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" зависит от массы добавляемого сорбента, температуры и продолжительности термического воздействия, а также от времени взаимодей ствия красителей с термически модифицированным дефекатом.
3. Установлено, что механизм очистки окрашенных сточных вод заключа ется в ионном и водородном взаимодействии молекул красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" с поверхностью термически модифицированного дефеката и имеет специфическую природу взаимодействия.
4. Предложена принципиальная схема очистки, обеспечивающая эффек тивную очистку сточных вод от синтетических и органических красителей и по зволяющая увеличить степень очистки сточных вод.
5. Даны практические рекомендации по использованию осадка водоочи стки в качестве порообразующей добавки в составе глиняных смесей при про изводстве кирпича. Доказана возможность использования осадка в производст ве лакокрасочных изделий как тонкодисперсного наполнителя.
6. Предлагаемый способ очистки апробирован в условиях производствен ной лаборатории, подтверждена высокая эффективность очистки сточных вод от красителей и сопутствующих загрязнителей. Дано эколого-экономическое обо снование процесса очистки и рассчитан предотвращенный экологический ущерб, равный 228640 руб./год, при внедрении метода. Экономический эффект, с уче том сопутствующих загрязнителей составит 1361986,7 руб./год.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах из перечня ВАК:
1. Ельников, Д.А. Использование производственных отходов для очистки сточных вод [Текст] / Н.С. Лупандина, Н.Ю. Кирюшина, Ж.А. Свергузова, Д.А.
Ельников // Экология и промышленность России. – 2010. – № 5 – С. 38–41.
2. Ельников, Д.А. Влияние температурной обработки дефеката на эффек тивность очистки модельных растворов от красителей [Текст] / Д.А. Ельников, Ж.А. Свергузова, С.В. Свергузова // Вестник Белгородского государственного тех нологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 2. – С. 144–147.
3. Ельников, Д.А. О возможности использования отхода сахарной промыш ленности для очистки сточных вод [Текст] / Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников, С.В. Свергузова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 128–133.
4. Ельников, Д.А. Аспекты водообеспечения и существующие реалии [Текст] / Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников, Н.С. Лупандина // Вестник Белгород ского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 3. – С. 161–166.
5. Ельников, Д.А. Очистка сточных вод от красителей "Оранжевый R" и "Метиленовый голубой" отходом сахарного производства [Текст] / Ж.А. Свер гузова, Д.А. Ельников, С.В. Свергузова // Безопасность жизнедеятельности: На учно-теоретический журнал. – 2012. – № 3. – С. 34–37.
Патенты:
6. Патент № 2416573 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод C1 от 23.11.2009 / С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельни ков, 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.
Монографии:
7. Ельников, Д.А. Очистка сточных вод от красителей [Текст]: Моногра фия / Ж.А. Сапронова, Д.А. Ельников. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухо ва, 2012. – 123 с.
Публикации в других изданиях:
8. Ельников, Д.А. Очистка сточных вод от красителей [Текст] / Д.А. Ель ников, С.В. Свергузова, Ж.А. Свергузова // Харьковщина, студенчество, эколо гия: Сборник докладов. – Харьков: Изд-во Национального технического универ ситета ХПИ, 2009. – С. 149–152.
9. Ельников, Д.А. Очистка модельных растворов от красителей термиче ски модифицированным дефекатом [Текст] / Д.А. Ельников, С.В. Свергузова, Ж.А.
Свергузова // Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопас ности регионов: Материалы IV Международной научно-практической конферен ции студентов и молодых ученых. – Харьков: ХНАДУ, 2009. – С. 204–206.
10. Ельников, Д.А. Очистка растворов красителей отходом сахарной про мышленности / Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников // Вода, экология, общество:
Материалы III Международной научно-практической конференции. – Харьков:
ХНАГХ, 2010. – С. 101–104.
11. Ельников, Д.А. Очистка растворов красителя "Оранжевый R" отходом са харной промышленности / Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников // Коммунальное хо зяйство городов: Научно-технический сборник. – Киев: Изд-во "Техника", 2010. – С. 201–206.
12. Ельников, Д.А. Очистка растворов красителя "Оранжевый R" отходом сахарной промышленности / Д.А. Ельников // Научный потенциал – XXI: Сбор ник статей. – М., 2010. – С. 148–149.
13. Ельников, Д.А. Использование отхода сахарной промышленности в очи стке окрашенных сточных вод / Меня оценят в XXI веке: Сборник статей. – М., 2010. – С. 163–164.
14. Ельников, Д.А. Очистка растворов красителей "Оранжевый R" и "Ме тиленовый голубой" отходом сахарной промышленности / Д.А. Ельников, С.В.
Свергузова // Охрана окружающей среды. Безопасность жизнедеятельности: про блемы, поиск, решения: Сборник докладов конференции. – Белгород: БГТУ им.
В.Г. Шухова, 2011. – С.109–111.
15. Ельников, Д.А. Извлечение из растворов красителя "Метиленовый го лубой" / Д.А. Ельников, Ж.А. Сапронова // Экология: образование, наука, про мышленность и здоровье: Материалы IV Международной научно-практической конференции. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. – С. 86–88.
16. Ельников, Д.А. Адсорбция красителей на поверхности модифицирован ного дефеката / Ж.А. Сапронова, Д.А. Ельников // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: Материалы IV Международной научно-практичес кой конференции. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. – С. 92–94.
17. Ельников, Д.А. Проблема недоочищенных стоков как важный аспект жилищно-коммунального хозяйства / Д.А. Ельников // Энергосбережение и эко логия в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: Сборник докладов конференции. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. – С. 292–294.
18. Ельников, Д.А. Комплексное влияние различных технологических фак торов на эффективность очистки окрашенных растворов / Д.А. Ельников, Ж.А.
Сапронова // Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: Сборник докладов конференции. – Белгород: БГТУ им.
В.Г. Шухова, 2012. – С. 294–296.
ЕЛЬНИКОВ Дмитрий Александрович ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ ОТХОДОМ ПРОИЗВОДСТВА ДИСАХАРИДОВ Специальность 03.02.08 – экология (в химии и нефтехимии) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук К ом п ью т ерн ая верст к а Д.Б. Ф ат еева, Н.Н. Зо си м овой / С дан о в п рои зводст во 21.05.13. Ф орм ат 60х Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr.
Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,18. Заказ № 2299. Тираж 100.
Пензенская государственная технологическая академия.
440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1а/11.