Адсорбционная технология для биохимической очистки сточных вод коксохимического производства

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Адсорбционная технология для биохимической очистки сточных вод коксохимического производства

Специальность 03.00.16 - Экология

Козлов Константин Александрович

ИВАНОВО 2007

Работа выполнена на кафедре химии Воронежской Государственной Лесотехнической Академии.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Бельчинская Лариса Ивановна

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Манохин Вячеслав Яковлевич, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Доктор технических наук, доцент Невский Александр Владимирович, Ивановский государственный химико-технологический университет

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, г. Москва

Защита состоится « 17 » декабря 2007 г. в часов в аудитории на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Д 212.063.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Ивановский государственный химико-технологический университет” по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Гришина Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разработка эффективных способов регулирования процессов активации и модификации природных минеральных сорбентов с целью их дальнейшего применения для повышения степени очистки сточных вод, имеет важное теоретическое и прикладное значение как одно из направлений минимизации выбросов производства.

Качество воды после биохимической очистки не соответствует предельно допустимой величине загрязняющих веществ в сбросах и регулирование такого процесса является сложной задачей из-за большой чувствительности микроорганизмов к изменению состава сточных вод.

Поэтому совершенствование существующего способа биохимической очистки сточных вод коксохимического производства является актуальной задачей.

Эффективность биохимической технологии может существенно повыситься при использовании комплексной очистки, сочетающей биологический и сорбционный процессы.

В качестве сорбента целесообразно использовать индифферентные к микроорганизмам и окружающей среде материалы, к которым относятся алюмосиликатные минералы.

Настоящая работа включает теоретические обоснования, результаты экспериментальных исследований по изучению структурных и адсорбционных характеристик слоистых силикатов, регулированию процессов их активации и модификации и технологические решения по применению полученных форм активированных минералов для очистки сточных вод от органических соединений.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом исследований Воронежской Государственной Лесотехнической Академии, ГРАНТом РФФИ № 04-03-32857 “Физико-химические основы модифицирования природных сорбентов”.

Цель работы - разработка научных основ комбинированной биохимически-адсорбционной очистки сточных вод коксохимического производства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

изучение влияния активации и модификации монтмориллонита и каолинита на структурные и адсорбционные характеристики;

определение термодинамических параметров адсорбции органических соединений на активированном и модифицированном монтмориллоните методом газовой хроматографии;

выбор наиболее эффективного сорбента с учетом специфики технологического процесса очистки сточных вод коксохимического производства;

разработка принципиальной схемы комбинированной биохимически-адсорбционной очистки сточных вод коксохимического производства от фенолов и роданидов и способа адсорбционной доочистки вод после биохимической установки (БХУ);

расчет эколого-экономической эффективности применения комбинированного метода очистки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- изучены структурные и поверхностные изменения монтмориллонита и каолинита в результате активации и модификации методами ИК-спектроскопии и дериватографического анализа;

- установлена зависимость адсорбционных свойств монтмориллонита и каолинита от продолжительности кислотной активации и от вида обменного катиона при солевой модификации;

- апробирована методика изучения сорбционного взаимодействия при различной степени заполнения поверхности в области нелинейной изотермы, основанная на хроматографическом детектировании веществ;

- определены термодинамические характеристики адсорбции бензола, гексана и циклогексана;

- определена зависимость времени ионного обмена от концентрации модифицирующего раствора;

- рассчитаны оптимальные условия химического модифицирования слоистых силикатов;

- получены адсорбционные и структурные характеристики монтмориллонита, активированного 80% ортофосфорной кислотой.

Практическая значимость:

- разработана принципиальная схема комбинированной (биохимически-адсорбционной) очистки сточных вод коксохимического производства с использованием активированного сорбента монтмориллонита, позволяющего повысить степень очистки загрязненной воды в два раза;

- разработан способ адсорбционной доочистки сточной воды после БХУ коксохимического производства позволяющий снизить содержание фенола и роданидов ниже уровня ПДК рыбохозяйственных нормативов;

- разработанная схема комбинированной очистки реализуется с минимальными затратами при модернизации существующего цикла БХО и исключает необходимость дополнительной очистки сточных вод от фенолов и роданидов.

- определено необходимое количество монтмориллонита и ортофосфорной кислоты для внедрения разработанного способа очистки в производство;

- рассчитана величина предотвращенного экологического ущерба, которая при среднегодовом расходе сточной воды, равном 1 560 тыс. м³, составляет 32,2 млн.руб.;

- возможность реализации предложенного способа комбинированной биохимически-адсорбционной очистки сточных вод подтверждается экспертным заключением технических специалистов металлургического комбината.

На защиту выносятся:

способы активации и модификации глинистых минералов (монтмориллонита и каолинита);

определения адсорбционных, термодинамических и ионообменных характеристик модифицированных и активированных алюмосиликатных сорбентов;

выбор эффективного сорбента с учетом специфики технологического процесса очистки сточных вод коксохимического производства;

расчет эколого-экономической эффективности разработанного адсорбционного технического решения, включенного в комбинированный способ биосорбционной очистки сточных вод от фенола и роданидов.

Личный вклад автора. Вклад автора заключался в определении целей и задач работы, постановке исследований, проведении теоретических и экспериментальных работ, разработки прикладной части и оценки ее эколого-экономической эффективности.

Достоверность проводимых исследований: подтверждается результатами экспериментальных исследований. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на корректном использовании статистических методов обработки результатов, подтверждающихся воспроизводимостью и согласованностью лабораторных, экспериментальных данных и результатов, полученных в ходе проведенных научных исследований.

Методы исследования: хроматография, гравиметрия, дериватография, ИК-спектроскопия и химический.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Х Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии» (Москва-Клязьма, 2006); II Всероссийской научной конференции с международным участием «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья» (Белгород, 2006); III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах (Фагран-2006)» (Воронеж, 2006); ХI Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва-Клязьма, 2007); XI Международная конференция «Физико-химические основы ионообменных процессов (ИОНИТЫ-2007)» (Воронеж, 2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 3 статьях опубликованных в изданиях рекомендованных ВАКом, 6 в сборниках научных трудов и 6 тезисах докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитируемой литературы, включающего 150 источников, приложения. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунка, 38 таблиц и 9 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Литературный обзор

В главе обобщены литературные данные о современном состоянии окружающей среды, об источниках техногенного воздействия и их влияния на экологическую ситуацию Липецкой области.

Рассмотрены существующие способы очистки сточных вод металлургических производств, изложены традиционные и альтернативные способы очистки.

Описана область применения адсорбционных процессов в природозащитных технологиях.

2. Объекты и методики исследования

Объектом исследования является сточная вода содержащая: смолистых и маслянистых примесей - 500 мг/дм³; фенолов - 400 мг/дм³; роданидов - 400 мг/дм³; цианидов - 50 мг/дм³; аммиака летучего - 200 мг/дм³; аммиака общего - 1000 мг/дм³; сероводорода - 100 мг/дм³; ароматических углеводородов - 100 мг/дм³; рН - от 7 до 9; ХПК не более 3000 мг О/дм³.

К объектам исследований относятся алюмосиликатные глины различного минерального состава.

В основном они представлены двумя породообразующими минералами: монтмориллонит и каолинит.

Глинистые минералы, используемые для исследований, выделяли из различных участков месторождения Казинского и Михайловского осадочных пород Липецкой области.

Кислотная обработка - распространенный метод воздействия на структуру материала. Согласно результатам Ю.И. Тарасевича, Н.К. Надирова, Э.А. Арипова, Л.И. Бельчинской, наиболее сильным реагентом при прочих равных условиях является серная кислота.

монтмориллонит и каолинит крупностью < 0,5 мм высушивали при температуре 130 єС в течение двух часов.

Высушенный материал смешивали с серной кислотой концентрацией менее 2,33 моль/л (20% масс.) в соотношении по массе 1:3 и активировали при непрерывном перемешивании и нагреве на водяной бане в течение часа. Полученную пульпу фильтровали с помощью вакуумного насоса через фильтр из синтетического волокна до pH = 4.

Технология катионзамещения заключалась в следующем: осадок после активации, промытый дистиллированной водой до рН = 4, заливают 0,1 М раствором катионита в соотношении 1 : 22 (объем) и ставят на электрическую мешалку (ф = 2ч, Т = 55єС).

После чего его отфильтровывают и промывают до следов НСl (проверяют АgСl до появления слабой мути), а затем помещают в сушильный шкаф на 2 часа при 100 - 150єС. В качестве растворов катионитов использовали следующие растворы солей: NaCl, KCl, CaCl₂, BaCl₂, MgCl₂, NH₄Cl.

Определение химического состава образцов проводилось методом рентгено-спектрального анализа на многоканальном рентгеновском спектрометре СРМ- 25.

Структурные изменения исследовали с помощью инфракрасного спектрального анализа и дериватографического анализа.

Методика проведения исследования адсорбции из растворов, на примере биохимической установки, в лабораторных условиях.

Методика проведения эксперимента основывается на воспроизведении существующей биохимической установки коксохимического производства в лабораторных условиях.

Биореактором служили стеклянные емкости объемом 250 мл. В процессе очистки в качестве биоорганизмов использовались культуры фенол- и роданразрушающих микроорганизмов. Для комбинированной очистки сточной воды производится добавка очищающего агента - активированной ортофосфорной кислотой монтмориллонитовой пульпы.

3. Изучение влияния кислотной активации и солевой модификации на физико-химические свойства монтмориллонита и каолинита

Выбор методов обработки природных слоистых силикатов для получения полусинтетических сорбентов основывается на кристаллохимическом строении минерала. Время активации является одним из факторов, влияющим на ионообменные свойства минералов.

Анализируя кинетическую зависимость полной обменной емкости монтмориллонита можно сделать следующие выводы: оптимальное время обработки минерала 20% серной кислотой - один час, когда полная обменная емкость (ПОЭ) повышается с 0,64 до 0,98 мг-экв/г.

Более продолжительная обработка минерала серной кислотой несколько снижает ПОЭ, за шесть часов на 0,03 мг-экв/г, что может быть обусловлено некоторой нестабильностью Н-формы силикатов.

Данное время обработки минералов (один час) является оптимальным для получения максимальной концентрации ионов водорода на поверхности минералов.

Химический состав исследуемых минералов (табл.1) существенно изменяется в результате кислотной активации. С увеличением времени обработки, наблюдается повышение содержания оксида кремния SiO₂ (на 15-20%) и вытеснение из минерала щелочных и щелочноземельных металлов, железа и алюминия с образованием в структуре ненасыщенных валентных связей.

Содержание оксида алюминия снизилось при шестичасовой обработке монтмориллонита на 17,6 % в результате ионного обмена. Уменьшение содержания оксида железа в образцах МН1 (на 11%), МН6 (на 42%), КН1 (на 46%) и КН6 (на 54%) происходит вследствие его восстановления в процессе химической реакции до трехвалентного.

Значительное изменение претерпевает оксид кальция: его содержание в монтмориллоните уменьшается на 57%, в каолините - КН1 на 89% и КН6 на 92%. Более интенсивное снижение оксида кальция в каолините, чем в монтмориллоните обусловлено тем, что в монтмориллоните кальций находится в межслоевом пространстве, что затрудняет его гидратацию, а в каолините кальций содержится только на поверхности в качестве наноса и легко смывается кислотой.

Таблица 1. Химический состав силикатов, % масс

Компонент	Природный (нативный)	Образцы, активированные 20% Н2SO4
	Монтмориллонит	Каолинит	Монтмориллонит	Каолинит
			МН1	МН6	КН1	КН6
SiO2, %	56,2	49,0	60,2	69,7	55,4	59,4
Al2O3, %	19,3	20,9	19,6	15,9	21,5	22,0
Fe2O3, %	2,21	3,18	1,97	1,29	1,73	1,46
MgO, %	0,49	0,53	0,53	0,57	0,56	0,58
CaO, %	1,4	0,87	0,62	0,60	0,097	0,068
П.п.п. + не анализируемые компоненты, %	20,4	25,52	17,08	11,94	20,71	16,49
МН1-форма-монтмориллонит обработанный серной кислотой в течение 1 часа; МН6-форма- монтмориллонит обработанный серной кислотой в течение 6 часов; КН1-форма-каолинит обработанный серной кислотой в течение 1 часа; КН6-форма-каолинит обработанный серной кислотой в течение 6 часов.

Увеличение содержания оксидов магния в обоих минералах (в каолините незначительно) объясняется влиянием изоморфного замещения алюминия в октаэдрической сетке на магний.

Адсорбционно-структурные характеристики минералов в нативном и катионзамещенном состояниях определяли пикнометрически и эксикаторным методом. На основании практических и расчетных данных все полученные адсорбционно-структурные характеристики сведены в таблице 2.

сорбент фенол коксохимический алюмосиликатный

Таблица 2. Структурные характеристики адсорбционно-активных материалов

Образцы	d, г/см3	д, г/см3	Р, %	VУ, см3/г	Vs, см3/г	Vмик,103 см3/г	am, ммоль/г	Sуд, м2/кг
ММ	2,22	1,51	30	0,21	0,12	4,95	1,75	135
МН1	2,41	1,56	35	0,23	0,16	4,85	2,18	168
МН6	2,83	1,56	45	0,29	0,19	6,16	2,56	197
МNa	2,69	1,53	43	0,28	0,16	6,26	2,25	173
MK	2,41	1,51	37	0,25	0,15	3,97	1,48	113
MNH4	2,42	1,51	38	0,25	0,14	5,03	2,08	159
MCa	2,68	1,56	42	0,27	0,14	4,08	1,93	148
MMg	2,78	1,53	45	0,29	0,17	6,04	2,50	192
MBa	2,12	1,54	27	0,18	0,14	4,90	1,82	140
K	2,35	1,56	34	0,22	0,08	2,81	1,05	80
KН1	2,68	1,56	42	0,27	0,11	3,39	1,44	111
KН6	2,22	1,51	30	0,21	0,12	4,41	1,48	114
KNa	2,58	1,53	41	0,26	0,11	3,46	1,34	103
KK	2,53	1,56	38	0,25	0,10	2,38	0,94	72
KNH4	2,64	1,52	43	0,28	0,10	3,36	1,27	98
KCa	2,50	1,55	38	0,24	0,09	2,77	1,11	86
KMg	2,62	1,56	40	0,26	0,11	3,88	1,48	114
KBa	2,31	1,55	33	0,21	0,09	2,64	1,14	87
d-истинная плотность; д-кажущаяся плотность; Р-пористость;VУ-суммарный объем пор; Vs -предельный адсорбционный объем; Vмик -объем микропор; am - емкость монослоя по парам воды при 25 єС; Sуд-удельная поверхность, определена по изотерме паров воды при 25 єС по методу БЭТ; ММ - монтмориллонит исходный; МН1 -обработанный серной кислотой в течение 1 часа; МН6 -обработанный серной кислотой в течении 6 часов; МNa, MK, MNH4, MCa, MMg, MBa - монтмориллонит с Na, К, NH4, Са, Mg, Ва-катион замещением;- K - каолинит исходный; KН1, KН6, Kna, KK, KNH4 , Kca, KMg , KBa - обозначения материалов на основе каолинита, аналогичные вышеуказанным

Величина удельной поверхности для монтмориллонита и каолинита увеличивается в соответствии с уменьшением размера обменных катионов. Максимальное увеличение удельной поверхности происходит при кислотной обработке в течение шести часов и после модифицирования MgCl₂. Повышение адсорбционных характеристик монтмориллонита, активированного 20% раствором H₂SO₄ в течение 6 часов, обусловлены тем, что при длительной кислотной обработке происходит максимальное воздействие на структуру минерала с вымыванием поверхностных катионов металлов, увеличением пористости и плотности. Преимущество адсорбционных свойств модифицированной Мg-формы монтмориллонита свидетельствуют о том, что катионы Мg²⁺ имеют размер и валентность для максимально эффективного изоморфного замещения в октаэдрических сетках минерала.

Зависимость адсорбционных свойств от вида обменного катиона при солевой модификации. Основываясь на экспериментальных данных, полученных при определении структурных и адсорбционных характеристик, были построены изотермы адсорбции-десорбции паров воды при 25 ^оС для монтмориллонита и каолинита. Характерной особенностью изотерм сорбции на слоистых силикатах является их необратимость во всей области относительных давлений; десорбционная кривая не совпадает с адсорбционной даже при малых значениях р/р_s. Степень необратимости адсорбционного процесса на каолините значительно меньше из-за особенности структуры породообразующего минерала. Как для монтмориллонита, так и для каолинита характерно, что минералы, обработанные 20% серной кислотой в течение 6 часов и образцы, модифицированные MgCl₂, имеют максимальную величину адсорбции во всем интервале относительных давлений по сравнению с другими образцами.

Исследования термодинамических характеристик адсорбентов газохроматографическим методом. Для исследования влияния способа обработки на вид взаимодействия сорбат-сорбент использован метод газоадсорбционной хроматографии, который базируется на известном методе Глюкауфа. В качестве зондов использован н-гексан, циклогексан и бензол. Выбор адсорбатов обусловлен их способностью к образованию межмолекулярных связей различных видов.

По результатам газохроматографических исследований рассчитаны и построены изотермы сорбции для 60 систем. На основании полученных результатов рассчитаны изостерическая теплота адсорбции, стандартное изменение энтропии. Зависимость изостерической теплоты адсорбции от количества адсорбата представлена на рис.1.

Рис. 1. Зависимость изостерической теплоты адсорбции от количества адсорбата на ММ, Н6 , Н1 и МMg-формах.

Сравнение значений термодинамических параметров адсорбции и изменения теплоты адсорбции (Q) при заполнении поверхности позволяет качественно оценить превалирующие сорбционные центры, которые формируются на поверхности при химической обработке монтмориллонита.

Таким образом, для исходного ММ в качестве основных центров специфического взаимодействия для соединений, способных к комплексообразованию по донорно-акцепторному механизму, можно рассматривать поверхностные катионы металлов. Кислотная обработка с последующим катионзамещением Н⁺ на Mg²⁺ существенно увеличила сорбционную активность ММ и способствовала усилению роли специфического удерживания бензола на поверхности: емкость монослоя сорбатов на МMg возросла в 1,7-2,1 раза, стандартная энтропия ДS_о уменьшилась с -163 до -175 Дж/(моль·град).

Сопоставление значений теплоты адсорбции зондов на МН1 и их изменения при заполнении поверхности свидетельствует об увеличении при активации количества гидроксильных групп основного характера, что позволяет им взаимодействовать со слабопротонированным водородом алканов и уменьшить долю специфического взаимодействия поверхности с бензолом.

Анализируя зависимости теплоты адсорбции зондов на МН6 форме логично предположить образование при длительной кислотной активации адсорбционного пространства с диаметром входного окна менее 5 Е, доступного для бензола и гексана, но не доступного для более крупных молекул циклогексана.

Таким образом, для доочистки сточных вод предлагается использование Мg-формы монтмориллонита. Исследования показали, что оптимальными условиями модифицирования являются: концентрация раствора - 0,3 моль/л, продолжительность обработки - 1 ч.

Полученный образец, обладающий специфичностью сорбции ароматических углеводородов, был использован в технологии доочистки сточной воды после БХУ от остаточного содержания фенола и роданидов. Суть технологии заключается в следующем: сточные воды после биохимочистки направляются в осветлители отстойники, где в течение нескольких суток происходит процесс отстаивания воды и осаждения крупнодисперсных частиц, в том числе и унесенного ила. При добавлении на данной стадии технологического процесса в отстойники монтмориллонитового модифицированного сорбента (ММg-форма) фенол и роданиды не обнаруживаются.

4. Способы и направления использования активированного и модифицированного монтмориллонита

Модернизация процесса биохимической очистки сточных вод коксохимического производства. Биохимическая очистка сточных вод, безусловно, представляется энергетически более выгодной, чем с использованием иных методов воздействия. Однако остаточное содержание фенолов и роданидов в очищенной сточной воде значительно превышает ПДК (2000-5000 ПДК_р.х.). Для дальнейшего использования сточных вод коксохимического производства требуется дополнительная очистка на городских очистных сооружениях, что влечет за собой дополнительные затраты.

В связи с этим применение для очистки сточной воды комбинированного способа, с использованием адсорбирующей добавки, представляется весьма перспективным. Кислотноактивированный природный сорбент в силу своей специфической способности к удерживанию ароматических углеводородов способствует более глубокой очистке промышленных стоков.

Технологический процесс БХО предусматривает использование концентрированной фосфорной кислоты для питания биокультур активного ила. Поэтому активацию монтмориллонита целесообразно проводить фосфорной кислотой, так как важным аспектом является индифферентность сорбента по отношению к активному илу.

Оценка фосфорной кислоты как активирующего агента для монтмориллонитовой глины. Сравнение эффективности активации монтмориллонита 80% (концентрация кислоты обусловлена технологией процесса БХО) ортофосфорной кислотой проводим с известным способом обработки монтмориллонита 20% серной кислотой в течение 6 часов.

По результатам расчетов полной обменной емкости и равновесной статической активности по парам воды и бензола выявлено, что полная обменная емкость монтмориллонита, активированного фосфорной кислотой, в 2,5 раза превышает соответствующие значения образца активированного серной кислотой, равновесная статическая активность по парам воды на - 20%, по парам бензола на - 60%. Оптимальным временем активации фосфорной кислотой монтмориллонита 4 часа.

Изотермы сорбции фенола из воды, построенные методом конечного объема, представлены на рисунке 2.

Рис.2 Изотермы адсорбции фенола из воды

Адсорбционная емкость активированного монтмориллонита имеет сравнимые значения только в области равновесной концентрации фенола менее 0,2 г/л. Увеличение концентрации фенола в растворе способствует превышению в 5-8 раз емкости образца активированного фосфорной кислотой в сравнении с этой величиной для образца после обработки серной кислотой. Механизм адсорбции фенола на образцах монтмориллонита различен. При обработке образца серной кислотой изотерма имеет Ленгмюровскую форму. Насыщение поверхности образца, обработанного фосфорной кислотой, происходит практически линейно при отсутствии насыщения в исследуемом диапазоне концентраций.

Таким образом, обработка монтмориллонита 80% фосфорной кислотой повышает его адсорбционные свойства и позволяет использовать для комбинированной очистки сточных вод.

Лабораторное исследование комбинирования биохимической очистки с применением кислотно-монтмориллонитовой пульпы. Для комбинирования биохимической и адсорбционной очисток предлагается на стадии очистки от фенолов и роданидов в аэротенки второй ступени вводить дозированное количество монтмориллонитовой пульпы (МП). Апробация предложенного метода проводилась в лабораторных условиях на установке, представленной в виде схемы на рис. 3.

Рис.3 Лабораторная установка комбинированной очистки сточных вод: 1-емкость с исходной водой; 2-аэротенк; 3-емкость-дозатор монтмориллонитовой пульпы; 4-тканевый фильтр; 5-емкость для сбора очищенной воды; 6-компрессор.

Проводили исследование влияния объема вводимой МП на степень очистки сточных вод от фенола и роданидов. В аэротенки добавляли различные объемы МП в количестве 4, 8, 12 мл на дм³ сточной воды. МП представляет собой смесь монтмориллонита и фосфорной кислоты в соотношении 1:3.

Концентрация фенола в результате использования активированного монтмориллонита снижается 106 мг/л, а роданида - на 107 мг/л. Степень очистки сточной воды в лабораторных условиях от фенолов биохимическим методом составила - 14%, комбинированным до 29%; от роданидов биохимическим методом - 12,5%, комбинированным до 28%. Добавление сорбента снижает цветность и запах сточной воды, повышает коагуляцию.

Расчет необходимого количества монтмориллонита и ортофосфорной кислоты для внедрения комбинированного способа очистки сточных вод в производство. Расчет проводился с учетом суммарного объема сточных вод, находящихся в системе БХУ. При расходе сточной воды 250 м³/ч и объеме рабочей системы БХУ равной 6 014 м³, время очистки составляет ~ 24 часа, требуемый расход монтмориллонита 11 кг. Среднегодовое количество используемого монтмориллонита - 11 кг*365 дней = 4,02 т в год.

На активацию 11 кг монтмориллонита необходимо затратить 33 кг (20,6 л) ортофосфорной кислоты, из которых 0,6 л переходят в нерастворимые соли металлов.

В процессе биохимической очистки воды на коксохимическом производстве дозирование ортофосфорной кислоты при нормальных условиях работы осуществляется в количестве 12 л в смену (в соответствии с технологическим регламентом). При 8 часовом графике работы (три смены в сутки) расход ортофосфорной кислоты составит - 36 л. При введении МП в аэротенки с ней поступает 20,6 - 0,6 = 20 л H₃PO₄ и дополнительно для обеспечения нормального питания микроорганизмов необходимо добавлять 16 л H₃PO₄. Исходя из расчетов годовой расход ортофосфорной кислоты увеличится на 0,6 * 365 = 219 л при среднегодовом расходе 36 * 365 = 13 140 л.

5. Оценка эколого-экономической эффективности применения способа комбинированной очистки сточных вод

Рассчитан предотвращенный экологический ущерб (ЭУ) от загрязнения окружающей природной среды при осуществлении природоохранных мероприятий и программ, описанных в данной работе. ЭУ рассчитан по методике, утвержденной государственным комитетом РФ по охране окружающей среды и составляет 32,2 млн.руб. в год.

Показатели экономической эффективности внедрения разработанной технологии на предприятии коксохимического производства представлены в таблице 3.

Таблица 3. Показатели экономической эффективности

1	Чистый дисконтированный доход ЧДД, тыс. руб.	4296,1
2	Внутренняя норма доходности ВНД, %	58 %
3	Индекс доходности ИД	4,05
4	Ставка дисконтирования, %	15 %
5	Срок окупаемости лет	2
6	Дисконтированный срок окупаемости лет	2

Показатели коммерческой эффективности свидетельствуют об экономической целесообразности реализации данного проекта.

выводы

1. Проведена кислотная активация и солевая модификация монтмориллонита и каолинита, изучены химические составы, адсорбционно-структурные и ионообменные характеристики.

2. Установлена продолжительность обработки монтмориллонита серной кислотой в течении 1 часа, обеспечивающая максимальное увеличение полной обменной емкости минерала, и в течение 6 часов для более глубокого воздействия на структуру и увеличения удельной поверхности и пористости минерала.

3. Проанализировано влияние солевой модификации на формирование поверхности минералов и изменение адсорбционных свойств. Максимальное увеличение удельной поверхности и адсорбционной емкости происходит при кислотной обработке в течение шести часов и после модифицирования раствором MgCl₂.

4. Проведены хроматографические исследования термодинамических параметров адсорбции бензола, гексана и циклогексана на монтмориллоните и его модифицированных формах. Установлено, что для исходного монтмориллонита в качестве основных центров специфического взаимодействия можно рассматривать поверхностные катионы металлов. Кислотная обработка с последующим катионзамещением Н⁺ на Mg²⁺ существенно увеличила сорбционную активность монтмориллонита и способствовала усилению роли специфического удерживания бензола на поверхности сорбента: емкость монослоя сорбатов на МMg возросла в 1,7-2,1 раза, стандартная энтропия ДS_о уменьшилась с -163 до -175 Дж/(моль·град).

5. Для разработки принципиальной схемы комбинированной очистки сточных вод коксохимического производства проведена активация монтмориллонита 80% раствором ортофосфорной кислоты, которая значительно повышает адсорбционные и ионообменные характеристики минерала.

6. Показано, что при использовании кислотноактивированного (раствором Н₃РО₄) монтмориллонита в качестве сорбционной добавки в аэротенки биохимической очистки сточной воды в количестве 0,4 % (от объема очищаемой воды) происходит повышение степени очистки в два раза по фенолу, и при добавлении 0,8 % - в 2,5 раза по роданидам.

7. Разработано технологическое решение по очистке и доочистке сточных вод коксохимического производства от фенолов и роданидов с использованием адсорбционной технологии.

8. Определено необходимое количество монтмориллонита и ортофосфорной кислоты для внедрения разработанного способа очистки в производство (4 т в год монтмориллонита и дополнительно сверх существующего расхода 208 л 80% Н₃РО₄).

9. Рассчитан предотвращенный экологический ущерб, который составил 32,2 млн.руб., экономический эффект от внедрения разработанной технологии равен 2,4 млн.руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Бельчинская Л. И. Комбинированная очистка сточных вод коксохимического производства с использованием слоистых силикатов. / Л.И. Бельчинская, К.А. Козлов, А.В. Бондаренко // Экология и промышленность России. 2007 г. №3 - С. 15-18.

2. Бельчинская, Л.И. Изучение структурных и адсорбционных характеристик при активации и модификации природных силикатов / Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов, А. В. Бондаренко, Г.А. Петухова, М.Л. Губкина // Сорбционные и хроматогр. процессы. - 2007. - Т. 7. - Вып.4. - С. 571-576.

3. Бельчинская Л. И. Определение оптимальных параметров модификации монтмориллонита по кинетическим зависимостям ионного обмена/ Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов, А. В. Бондаренко, Г.А. Петухова // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2007. - Т. 7. - Вып.6. - С. 895-901.

4. Фролова Т.Н. Регулирование ионообменной емкости слоистых силикатов методом катионзамещения / Фролова Т.Н., Козлов К.А., Бондаренко А.В. //Повышение эффективности металлургического производства : Тезисы докладов XIII областной научно-технической конференции, Липецк 2004. - С. 39.

5. Козлов К.А. Моделирование ионного обмена в многокомпонентных системах / Козлов К.А., Бондаренко А.В. // Экология ЦЧО РФ. - 2004. - №1(12). - С. 79-82.

6. Бельчинская Л.И. Некоторые аспекты влияния выбросов металлургических предприятий на экологическую ситуацию Липецкой области / Бельчинская Л.И., Козлов К.А., Бондаренко А.В. // Высокие технологии в экологии : Труды 8-ой международной научно-практической конференции, Воронеж 2005. - С. 90-93.

7. Бельчинская Л. И. Исследование термодинамических характеристик модифицированного монтмориллонита газоадсорбционным способом [Текст] / Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов, А. В. Бондаренко, Г. А. Петухова, М. Л. Губкина // Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии : тез. докл. Х междунар. конф / Ин-т физ. химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина, 24-28 апреля 2006 г. - Москва-Клязьма, 2006. - С. 118.

8. Бельчинская Л.И. Катионзамещение как метод повышения адсорбционной селективности природных слоистых силикатов / Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов, А. В. Бондаренко, Г. А. Петухова, М. Л. Губкина // Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья : материалы II Всерос. науч. конф. с междунар. участием, 18-23 сент. 2006 г. / Белгородский гос. ун-т. - Белгород, 2006. - С. 27-29.

9. Бельчинская Л.И. Исследование физико-химических свойств монтмориллонита с целью разработки эффективного сорбента для комбинированной очистки сточных вод / Л.И. Бельчинская, К.А. Козлов, А.В. Бондаренко, С.А. Читечан, Г. А. Петухова, М.Л. Губкина // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах (Фагран-2006). В 2 т. Т.2 : Материалы III Всерос. конф., 8-14 октября 2006 г. / Воронежский гос. ун-т. - Воронеж: Научная книга, 2006. - С.692-695.

10. Бельчинская Л.И. Исследование термодинамических характеристик модифицированного монтмориллонита газоадсорбционным методом / Л.И. Бельчинская, К.А. Козлов, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова, М.Л. Губкина // Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии : труды Х междунар. конф. к 60-летию образования Отдела сорбционных процессов ИФХЭ РАН / Ин-т физ. химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина. - Москва, 2006. - С. 257-264. 7,

11. Козлов К.А. Использование минеральных сорбентов для обезвреживания сточных вод коксохимического производства. /Современные проблемы экологии: доклады всероссийской научно-технической конференции. Книга II - Москва - Тула 2006 г. - С. 83-86.

12. Читечян С.С. Исследование кинетики модифицирования монтмориллонита./ С.С. Читечян, Н.А. Ярных, А.В. Бондаренко, К.А. Козлов. //Повышение эффективности металлургического производства : Тезисы докладов XV областной научно-технической конференции, Липецк 2006 г. - C. 79.

13. Бельчинская, Л. И. Определение динамики изменения биоэлектрических потенциалов сосны обыкновенной, фумигированной промышленными токсикантами [Текст] / Л.И. Бельчинская, К.А. Козлов, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова // Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии : сб. докл. V Всерос. науч.-техн. конф. / Тульский гос. ун-т. - Тула, 2006. - С.198-200.

14. Бельчинская Л.И. Адсорбционные характеристики монтмориллонита, активированного фосфорной кислотой / Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов, А. В. Бондаренко, С.С. Читечан, Г. А. Петухова, М. Л. Губкина // Актуальные проблемы теории адсорбции, Пористости и адсорбционной селективности: тез. докл. ХI Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых/ Ин-т физ. химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина, 16-20 апреля 2007 г. - Москва-Клязьма, 2007. - С. 93.

15. Бельчинская Л.И. Использование активированных природных сорбентов для биохимической очистки сточных вод на Новолипецком металлургическом комбинате. / Л. И. Бельчинская, К. А. Козлов, А. В. Бондаренко // Экология и рациональное природопользование. Материалы III Межрегиональной научно-практической конференции. Воронеж 2007. - С. 76-80.

Размещено на Allbest.ru

...