Вода Magazine - Новая сорбционная технология очистки воды на основе использования модифицированных базальтовых микроволокнистых материалов

 Banner 20 anniversary hydrig 1200x60

Новая сорбционная технология очистки воды на основе использования модифицированных базальтовых микроволокнистых материалов

06.08.2008, 17:50   |   Архив

Евгений Кондратюк,
Лариса Комарова,
доктор технических наук, профессор,
Вадим Буравлев,
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул

В настоящее время ощущается острая нехватка качественных и недорогих отечественных сорбентов, позволяющих решать проблемы очистки производственных стоков с учетом специфики того или иного предприятия. Весьма перспективным представля­ется использование композиционных материалов. В частности, нами получен фильтровально-сорбционный материал, матрицей которого является базальтовое волокно, модифицированное активированными бентонитовыми глинами.

При очистке воды в динамических условиях, как известно, широко используются сорбционные процес­сы. Они просты в аппаратурном оформлении, высокоэффективны и легко поддаются автоматизации. Од­нако зачастую все эти плюсы не рас­сматриваются предприятиями в ка­честве критерия перехода на новое очистное оборудование, ввиду высо­кой стоимости сорбционных матери­алов, применяемых для очистки.

Решением указанных проблем мо­жет послужить переход от традицион­ных методов очистки к инновацион­ным технологиям, способным значи­тельно сократить стоимость проведе­ния очистки воды и период окупае­мости оборудования.

По данным Росгидромета около 21% природных поверхностных вод уже сейчас непригодны для использо­вания в качестве питьевого источника водоснабжения. Примерно каждая четвертая проба водопроводной воды не соответствует норме по микробио­логическим показателям. Российский рынок фильтровально-сорбционных материалов является молодым и практически не занят отечественными производителями, что создает опре­деленные трудности с внедрением и использованием современных мате­риалов для очистки воды как на произ­водстве, так и в быту. Предлагается множество импортных сорбентов, за­частую не приемлемых, так как специ­фика очистки воды в регионах России сильно отличается от зарубежной.

Многие регионы России, по дан­ным водных кадастров, испытывают острую потребность в очистке арте­зианских вод от ионов железа, мар­ганца, жесткости и др. соединений. Во многих случаях наблюдаются превы­шения ПДК для хозяйственно-питье­вых целей по ионам железа, марганца и жесткости в десятки и более раз.

Опрос потребителей продукции отечественных производителей пока­зал, что в 70% случаев установки с ис­пользованием таких сорбентов часто выходят из строя и не пригодны для указанного состава вод. При этом 50% опрошенных отметили, что цена сор­бента неоправданно высока, а 20% за­явили, что не удовлетворены регуляр­ностью поставок и отсутствием сер­висного обслуживания или его слож­ностью. В связи с этим требуется разhаботка новых, более адаптированных сорбентов, способных одновременно удалять из воды различные загрязне­ния с разной селективностью.

Не менее остро стоят вопросы с рациональным водопользованием на производстве. Одной из актуальных производственных задач является создание замкнутых водооборотных циклов, позволяющих значительно снизить издержки на водоподготовку, воздействие на окружающую среду и сэкономить ценное производствен­ное сырье. На различных стадиях тех­нологического процесса вода подвер­гается загрязнению нефтепродукта­ми, ПАВ, взвешенными веществами, ионами тяжелых металлов и становит­ся непригодной для повторного ис­пользования.

Присутствие ионов металлов (же­леза, марганца, хрома, свинца и др.) в технологической воде стимулирует протекание нежелательных процес­сов в производственном оборудова­нии: вызывает коррозию трубопрово­дов и технологических аппаратов, из­меняет ход многих химических реак­ций и негативно сказывается на со­стоянии окружающей среды (1).

В качестве сорбентов сегодня ис­пользуют ионообменные смолы, ак­тивные угли, а также различные отхо­ды производства (шинный кокс, рези­новую крошку, золу и др.). Однако сложность обезвреживания и утили­зации элюатов, образующихся в ре­зультате регенерации ионитов, а так­же высокая стоимость ионитов зачас­тую препятствуют внедрению указан­ного процесса на производстве.

В промышленности нашли приме­нение некоторые отечественные ио-ниты и их зарубежные аналоги: КУ-2-8 (Амберлит IR-120, дауэкс-50 и др.), АВ-29-12П (дуолайт А-162, варион AMD и др.), ЭДЭ-10П (дуолайт А-30, вофатит L-160 и др.), АН-22-8 (варион AED), КБ-2-4(йонакС-270, пермутитС и др.), АН-1, АН-18П (вофатит К, амберлит IRA-100 и др.) (2).

Для извлечения ионов металлов и нефтепродуктов используют активные угли типа БАУ и ОУ (3).

Известны способы очистки сточ­ных вод сорбционным методом с ис­пользованием природных минераль­ных сорбентов. Большинство сорб­ционных и ионообменных материалов представляют собой зернистые частицы сферической и многогранной формы, характеризующиеся различ­ными показателями: диаметром, раз­мером и типом пор (макро-, мезо-, микропористые), сорбционной ем­костью, удельной поверхностью и се­лективностью. Увеличение поверх­ности осуществляют несколькими ме­тодами: созданием внутри частиц микро - и нанопор (выщелачиванием или активацией), увеличением ди­сперсности частиц истиранием до очень мелких фракций, обработкой различными поверхностно-активны­ми веществами, нанесением поли­мерных пленок и некоторыми другими методами (3).

Важной характеристикой сорб-ционно-ионообменного процесса яв­ляется период фильтроцикла. На эту характеристику большое влияние ока­зывает удельная поверхность сорбен­та, увеличение которой приводит к по­вышению гидравлического сопротив­ления слоя загрузки. Кроме того, сор­бент должен обладать невысокой стои­мостью. Так как производство боль­шинства ионитов основано на исполь­зовании нефтехимического сырья, то оно становится все более дорогостоя­щим.

В настоящее время существует потребность получения фильтроваль-но-сорбционных материалов нового поколения, обладающих более высо­кой удельной поверхностью (Syn) и меньшими потерями напора. Для это­го можно использовать простейшие планарные материалы (вата, ткани, войлок и др.), активированные раз­личными методами. Полученные при этом новые композиционные материа­лы хорошо сочетают фильтрацион­ные, адсорбционные и ионообменные свойства и имеют преимущества пе­ред гранулированными сорбентами при размещении их в аппарате (4).

Итак, весьма перспективным для очистки сточных вод выглядит исполь­зование композиционных материалов. К ним можно отнести волокнистые ма­териалы, модифицированные вещест­вами с высокими ионообменными свойствами, например, природными минеральными сорбентами (ПМС) -бентонитовыми глинами (5).

Бентонитовые глины сейчас, в ос­новном, используются в пищевой и текстильной промышленности, литей­ном производстве, а также в качестве бурильных растворов. Применение бентонитовых глин для очистки сточ­ных вод от ионов металлов до настоя­щего времени мало изучено и не нахо­дит широкого применения в водоочи­стке.

Между тем при использовании бентонитов в качестве сорбентов важ­ной характеристикой является удель­ная поверхность, которая напрямую зависит от размера частиц. Бентони­товые глины имеют нанометровые размеры частиц, которые на несколь­ко порядков меньше многих извест­ных сорбентов. Вследствие этого они могут быть нанесены в виде тонкого модифицирующего слоя на различ­ные подложки. Они отличаются ярко выраженной монодисперсной струк­турой пор и занимают промежуточное положение между микро- (< 0,7 нм) и мезо- (< 3,0 нм) пористыми материа­лами. Это позволяет им проявлять вы­сокие сорбционные свойства по отно­шению ко многим ионам металлов и другим соединениям, присутствую­щим в воде.

Для решения проблем, связанных с сохранением высокой удельной по­верхности сорбента, а также придани­ем ей ионообменных свойств, нами был получен фильтровально-сорбционный материал названный «Бенто-сорб» (см. рис 1), матрицей которого является базальтовое волокно, моди­фицированное активированными бен­тонитовыми глинами.

Выбор базальтового волокна в ка­честве матрицы обусловлен наличием развитой внутренней поверхности и механической прочностью волокон, химически стойких в агрессивных водных средах. Кроме того, неоргани­ческие компоненты базальтовых воло­кон проявляют хорошую химическую активность, что позволяет легко проводить их модификацию различными органическими и неорганическими активаторами для придания необхо­димых свойств. В результате этого материал приобретает фильтроваль­но-сорбционные свойства и позволя­ет одновременно производить очист­ку от веществ, находящихся в различ­ных состояниях. Пространственно не­ориентированная структура каналов базальтовых волокон позволяет загрязнениям контактировать с большой поверхностью в единицу времени и быстрее и эффективнее диффундиро­вать к поверхности сорбента.

Входящие в состав бентонитовых глин монтмориллонитовые кластеры, нанесенные на поверхность базальто­вого волокна, находясь в воде, гидра-тируются (6). При этом поверхность частиц обычно заряжается отрица­тельно, и вокруг них концентрируются гидратированные противоионы. В ре­зультате этого процесса на поверхности базальтовых волокон формиру­ются так называемые двойные элект­рические слои (см. рис. 2).

Таким образом, равномерно расп­ределяясь по поверхности волокон, монтмориллонитовые частицы фор­мируют практически сплошные ДЭС, делая поверхность базальтового во­локна химически активной, обладаю­щей ионообменными свойствами.

Для сравнения эффективности очистки воды от ионов свинца в от­дельные колонки диаметром 14 мм с высотой слоя 7 см загружались полу­ченный нами «Бентосорб» и катионит КУ-2-8. Через колонки со скоростью 2 м/ч пропускался раствор с исходной концентрацией ионов свинца 2 мг/л и через каждые пропущенные 0,5 л фиксировалось содержание ионов свинца в фильтрате. Полученные результаты представлены на рисунке 4, из кото­рого видно, что эффективность очист­ки на катионите в период первого про­фильтрованного литра воды сразу достигает 90 %, тогда как на «Бенто-сорбе» повышается в процессе фильтрования первых трех литров, достигая 98-99 %.

Характер кривой эффективности фильтрования на новом материале объясняется постепенным гидриро­ванием ДЭС сорбента и прониканием ионов РЬ2+ в слоистую структуру монт­мориллонита.

Высокая эффективность очистки сохраняется в течении фильтрования последующих 5-ти литров, после чего начинает резко снижаться, что гово­рит о насыщении доступных слоев сорбента ионами РЬ2+ и разрушении ДЭС . На катионите КУ 2-8 эффектив­ность 90% сохраняется в течении фильтрования 3-х литров, а затем постепенно снижается.

Результаты исследований, прове­денных на модельных растворах, поз­воляют предложить вышеописанный способ в качестве метода очистки во­ды от указанных загрязнений. Экспериментально полученные данные го­ворят о высокой эффективности очистки. Так, для ионов железа (II) он составил 95-100 %, взвесей - 98-100 %, нефтепродуктов - 80-90 % (7).

Материал может быть регенериро­ван и использоваться несколько раз. Результаты экспериментов по регене­рации приведены в таблице 1.

В настоящее время нами изучает­ся процесс сорбции ионов тяжелых металлов, который показал положи­тельные результаты при очистке воды от хрома (СгОд), свинца и висмута. Эффективность удаления таких ионов составляет 90-98%.

Если говорить о экономическом эффекте применения данного мате­риала то следует отметить, что он обойдется покупателю в 5-6 раз де­шевле существующих аналогов, эксплуатационные затраты на регене­рацию на 30-40% ниже по сравнению с применением ионитов и активиро­ванных углей.

Таким образом, проведенные экс­периментальные исследования ионо­обменных свойств полученного мате­риала показали высокую эффектив­ность удаления из воды ионов тяже­лых металлов, нефтепродуктов, ионов железа и взвешенных веществ, что открывает хорошую перспективу для его дальнейшего изучения.

В период с 2002 по 2007 год нами была успешно завершена стадия НИР, в результате которой разработана технология получения высокоэффек­тивных сорбентов для очистки воды, получены опытно-промышленные об­разцы, проведены тестовые испыта­ния на предприятиях. Изобретение защищено патентом 52573 B01D 24/16 «Фильтр для очистки жидкос­тей», подана заявка на способ получе­ния сорбционного материала.

В настоящее время инновацион­ный проект находится на этапе ОКР при государственной поддержке Фон­да содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Программа «Старт-08» на 2008-2009 гг.).

Потребителями разрабатываемых сорбентов, в частности, могут стать:

предприятия, использующие во­ду из артезианских скважин как сырье для производства конечного продукта или для технологических целей (нап­ример, ТЭЦ, предприятия пищевой, фармацевтической, химической про­мышленности);
станции водоподготовки, водо­очистки;
производства, в которых образу­ются сточные воды, содержащие оп­ределенные примеси(например, гор­но-обогатительные комплексы, ме­таллургические комбинаты) и испыты­вающие потребность в очистке обра­зующихся стоков с целью организа­ции оборотного водоснабжения.

Следует также отметить, что полу­ченный материал не требует переос­нащения существующих очистных со­оружений и может использоваться на типовом стандартном оборудовании, что будет способствовать легкому и быстрому внедрению его на предприя­тиях, сокращению сброса высокоток­сичных компонентов и улучшению экологического состояния водных ресурсов.

Литература:

Г.И. Николадзе «Обезжелезивание природных и оборотных вод». М., Стройиздат, 1978, 60 с.

А.И. Родионов «Технологические процессы экологической безопасности». Калуга, Издательство Н. Бочкаревой, 2000, 800 с.

А.Д. Смирнов «Сорбционная очист­ка воды». Л., изд-во « Химия», 1982, 168 с.

А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов». Изд-во «Альянс», 2005, 753 с.

Е.В. Кондратюк, Л.Ф. Комарова «Разработка технологии получения нового наноструктурного ионообменного мате­риала на основе базальтового волокна и модифицированных бентонитовых глин» / Доклады международной конференции «Композит-2007, Саратов, 2007, с. 375-377

Н. Соколов «Микромир глинистых пород». Соросовский образовательный журнал, N3, 1996, с. 56-64

И.А. Лебедев «Разработка техноло­гии фильтровально-сорбционной очистки воды от нефтепродуктов, взвешенных ве­ществ и ионов железа с применением ми­неральных базальтовых волокон». / Авто­реферат диссертации на соискание уче­ной степени кандидата технических наук. Барнаул, 2007 г., с. 18.

Журнал Вода Magazine, №8 (12) август 2008 г.


Просмотров: 3556
Новости
От первого лица
Директор УП «Полимерконструкция» (г. Витебск Республики Беларусь) Сергей Иванов:
«Заказчику важно получить не просто оборудование, а готовое технологическое решение под задачу»
УП «Полимерконструкция» - ведущий в Республике Беларусь производитель оборудования для водоподготовки и очистки сточных вод и один из основных поставщиков такого оборудования на российский рынок....
Компании
17.07.2025
УП «Полимерконструкция» приступило к производству промышленных озонаторов
УП «Полимерконструкция» (г. Витебск Республики Беларусь) начало производство промышленных...
17.07.2025
На очистных сооружениях канализации г. Читы установят систему нейтрализации запахов «Мокрый барьер»
На очистных сооружениях канализации г. Читы в ноябре 2025 года будет введена в эксплуатацию...
17.07.2025
В отношении ООО «Енисейводоканал» в Красноярском крае возбудили уголовное дело за порчу земли
В отношении ООО «Енисейводоканал» в Енисейском районе Красноярского края возбуждено уголовное дело...
Проекты
Новые статьи
Выставки/Конференции