Д.т.н. Адрышев А.К., к.т.н. Струнникова Н.А., Даумова Г.К.

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им.

Д.. Серикбаева, Казахстан, г. Усть-Каменогорск

Снижение вредного воздействия хромсодержащих стоков на окружающую среду

Учитывая токсичность хрома, стоки, содержащие соединения хрома (VI) и хрома (III) подлежат обязательной очистке перед их сбросом в поверхностные источники. Основными источниками образования хромсодержащих стоков являются кожевенные предприятия и гальванические участки металлообрабатывающих предприятий. Содержание ионов хрома в стоках кожевенного производства может достигать 3000 и более мг/дм³ , а в стоках гальванических производств до 700 мг/дм³.

Существующий реагентный способ очистки хромсодержащих сточных вод не всегда обеспечивает полноту осаждения гидроксидов, кроме того возникает необходимость складирования больших объемов шламов, а также происходит потеря металлов, который необходимо восстанавливать, что влечет за собой экономические потери.

Целью проведенного исследования была разработка эффективного конкурентоспособного метода очистки хромсодержащих сточных вод. В лабораторном масштабе были проведены исследования по очистке хромсодержащих стоков цеолитами Тайжузгенского и бентонитовыми глинами Таганского месторождений, а также комплексными сорбентами, приготовленными на их основе [ 1].

Исследования проводились на модельных растворах, идентичных по составу АО «Кожмехобьедининия» города Семипалатинска и на реальных сточных водах ОАО Усть-Каменогорский Арматурный завод «ОАО УКАЗ». Обработку хромсодержащих модельных растворов и сточных вод проводили в статическом режиме. Концентрацию ионов хрома в модельных растворах варьировали в интервале 10 ¸ 100 мг/дм³, в стоках ОАО УКАЗ концентрация ионов хрома составляла 250 мг/дм³. Расход сорбента варьировали в интервале Т:Ж=1:5 ¸ 1:20, время контакта растворов с сорбентом составляло 0,5 ¸ 24 часа, образующиеся пульпы отстаивали, затем отделяли твердое от жидкого фильтрацией. Контроль за процессом вели по содержанию хрома в фильтрате, которое определяли фотоколориметрическим методом по реакции с дифенилкарбазидом. По результатам анализа рассчитывали количество хрома, поглощенного 1 г сорбента и степень извлечения хрома из растворов.

По результатам экспериментальных исследований по сорбции ионов хрома на модельных растворах, идентичных по составу АО «Кожмехобьедининия» города Семипалатинска при расходе сорбента в соотношении Т:Ж 1:10 и 1:20 удается извлечь из растворов более 99% ионов хрома, при этом максимальная удельная сорбция составляет 1,33 мг/Сr³⁺/г сорбента при начальной концентрации ионов хрома 100 мг/дм³ и Т:Ж 1:20, однако при этом падает степень извлечения. Поэтому на основании полученных данных в качестве оптимальных условий обработки растворов сорбента можно рекомендовать следующие: при Т:Ж = 1:10 и высоких начальных концентрациях время контакта до 24 часов; при Т:Ж =1:20 и более низких начальных концентрациях время контакта до 6 часов.

Полученные данные были обработаны методами математического планирования трехфакторного эксперимента [2,3], в результате обработки получено уравнение регрессии.

Уравнение регрессии в естественных переменных:

У = 101,56 -0,439u₁ –0,11 u₂ + 0,072 u₃ +0,000785 u₁ u₂+0,0119 u₁ u₃ – 0,00249u₂ u₃ – 0,00019 u₁ u₂ u₃ (1)

На основании математической модели находим оптимальный режим сорбции - оптимальная масса сорбента составляет 10 г или при Т:Ж 10 и время контакта сорбента – 6 часов.

Также полученные данные при проведении эксперимента были обработаны также на компьютере средствами Microsoft Offise, которые позволяют смоделировать сорбционный процесс [4,5].

В нашем случае модель процесс сорбции можно выразить в виде:

С = f ( С_о, m, t), (2)

где, С – концентрация металла на выходе, мг/дм³,

С_о – начальная концентрация металла на входе, мг/дм³,

m – масса сорбент, г

t – время контакта сорбента с раствором, час.

Общий вид уравнения зависимости концентрации ионов хрома от времени сорбции имеет вид:

С=k*t^a (3),

где, t – время контакта сорбена с раствором, мин

Коэффициенты k и t в уравнении (3) зависят от массы сорбента. Для этого находим данную зависимость, как и выше полуэмпирическим методом.

Обрабатывались данные «Кожевенно-мехового объединения», полученные при проведении эксперимента в одностадийной обработке при следующих начальных концентрациях ионов хрома 20 мг/дм³, 40 мг/дм³, 100 мг/дм³.

Таким образом, нами получено уравнение, позволяющее найти остаточную концентрацию ионов хрома, зная массу сорбента и время сорбции хрома, при начальных концентрациях. Уравнения имеют вид:

- при начальной концентрации 20 мг/дм³:

(4)

- при начальной концентрации 40 мг/дм³:

(5)

- при начальной концентрации 100 мг/дм³:

(6)

Полученная зависимость наилучшим образом подчиняется полиномиальному уравнению второй степени и параметры уравнения выражены степенной функцией.

Рассчитанные коэффициенты корреляции, соответствующие вышеназванным концентрациям равны 0,97, 0,96 и 0,98 и подтверждают, что полученные уравнения регрессии с большой степенью достоверности отвечают, полученным экспериментальным данным и полностью описывают данный физико-химический процесс.

По полученным уравнениям, описывающие процесс сорбции для различных начальных концентраций выводим следующее уравнение общего вида:

(7),

Полученное окончательное уравнение имеет вид:

(8),

Наиболее оптимальным временем контакта сорбента с водой 6 часов, при этом степень очистки от ионов хрома достигает 99% и более.

Также была изучена сорбция ионов хрома в стоках гальванического цеха АО «Арматурный завод». Сточные воды, содержащие ионы хрома в статическом режиме обрабатывались на комплексном сорбенте, цеолите и бентонитовой глине 14 горизонта в определенных соотношениях.

Учитывая, что при обработке стоков со значительным содержанием ионов хрома в одну стадию при высокой степени извлечения остаточная концентрация хрома может быть высокой, обработку данных стоков проводили в две стадии, время контакта раствора с сорбентом до 24 часов.

При концентрации 250 мг/дм³ на первой стадии сорбции во всех трех случаях достигается степень очистки 90,3%, 92,8%, 97,6% соответственно для цеолита, комплексного сорбента и бентонитовой глины. Максимальная степень извлечения достигается при сорбции на бентонитовой глине за 2 часа обработки, С увеличением времени обработки степень несколько снижается, очевидно в результате процесса десорбции. Наименьшая остаточная концентрации ионов Сr³⁺ составляет 5,9 мг/дм³.

При помощи цеолита из стоков гальванического производства удается извлечь в две стадии 96% хрома, комплексным сорбентом 98%, а бентонитовой глиной 99%.

При исходном содержании 400 мг/дм³ степень извлечения ионов Cr³⁺ в первой стадии достигает максимального значения 95,1 % соотношением Т:Ж=1:10, а на второй стадии – 86,1, суммарная степень извлечения – 99,3%. Наибольшие показатели сорбции достигается при соотношении Т:Ж=1:5, где суммарная степень извлечения составляет 99,6%.

При содержании 600 мг/дм³ показатели суммарного степени составляют при соотношениях 1:10 – 97,1% и 1:5 – 99,8%.

Оптимальность сорбционной очистки определяется по бентонитовой глине зависимостью от внутренних параметров и внешних факторов совместно, которые дают высокие показатели эффективности сорбции.

Уравнение регрессии в естественных переменных по хромсодержащим сточным водам «Арматурного завода» получены по плану двухфакторного эксперимента и имеет вид:

У = 112,41- 1,29u₁ +0,3 u₂ + 0,03u₁* u₂ (9)

Моделирование сорбционного процесса в двух стадийной обработке рассчитаны при начальных концентрациях ионов хрома 250 мг/дм³ и 600 мг/дм³.

Для начальной концентрации 250 мг/дм³ получено следующее уравнение остаточной концентрации:

С = (-0,2405m+8,4157)*t^{(-0,0073m-0,4737)} (10)

Для концентрации 600 мг/дм³ получено следующее уравнение остаточной концентрации:

С=(-3,1951m+67,996)*t^{(-0,0317m-0,0967)} (11)

Коэффициенты корреляции равны 0,96 ит 0,91.

В общем виде уравнение запишется следующим образом:

C=((-0,0084Co+1,8699)m+0,1702Co-34,142)* t^{((-7E-05Co+0,0101)m-0,0002Co+0,0147)} (12)

Из уравнения 12 можно сделать вывод, что показатель эффективности очистки зависит в большем зависит от массы сорбента, также здесь учитывается стадийность обработки.

По полученным экспериментальных данным можно сделать выводы о том, что сорбция ионов металлов протекает с заметной скоростью в зависимости от увеличения массы сорбента и времени контакта, лучшей сорбирующей способностью обладают комплексные сорбенты и бентонитовые глины, расход сорбента составляет 100 г сорбента на 1 дм³ обрабатываемой сточной воды и увеличить степень извлечения ионов металлов в статическом режиме из стоков до 99 и более процентов можно в результате двухступенчатой очистки.

Таким образом для очистки хромсодержащих стоков можно рекомендовать в качестве сорбционного материала бентонитовую глину Таганского месторождения Восточно-Казахстанской области. Для более полного удаления ионов Cr³⁺ из стоков и в целях сокращения расхода сорбента целесообразно проводить многоступенчатую, противоточную схему процесса с последующей сернокислотной регенерацией сорбента и его повторным использованием в процессе сорбционной очистки.

Литература:

1. А.К. Адрышев, Н.А. Струнникова, Г.К. Даумова, Е.М. Сапаргалиев Перспективы использования природных алюмосиликатов Восточного Казахстана / Москва, Горный журнал, 2003, №6, 86-88 с

2. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. –М. : Высшая школа, 1978. – 319 с

3.Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. – М. , Атомиздат, 1978- 232 с

4. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Ехсеl 7.0. – Санкт-Петербург, 1997 г.

5. Чернявский В.С., Чернявский М.В. Моделирование систем: Учебное пособие / ВКГТУ. – Усть-Каменогорск: 2001 г. – 142 с.