Очисткa сточных вод селективной адсорбцией цинка, марганца, железа и ионов аммония из природных цеолитов - Статья

В лабораторных анализах Министерства охраны окружающей среды [1] в 1995 году было выявлено чрезмерное количество железа, марганца и цинка в питьевой воде в городах Хасково и Бургасе. Эксперимент проводился исходя из маточных растворов цинка, марганца, железа и ионов аммония в подходящие концентрации 1000 мг/л в соответствующие аликвоты, были подготовлены и рабочие стандартные растворы, которые имеют концентрацию 2 мг/л. В стакане смешанных 150 мл адсорбента (цеолит 0,20 г) и адсорбата (100 мл 2 мг/л стандартного раствора цинка, марганца, железа, или ионов аммония), затем магнитной палкой модели «HANNA» интенсивно перемешивают раствор при 20 ОС. Прерывание осуществляется, когда раствор из адсорбата и адсорбента фильтруется в вакууме с 0,45 мкм фильтром. В результаты сорбат, полученный на одну минуту, на три минуты, пять и десять минут, спектрофотометрическими анализируются с использованием стандартами цинка, марганца, железа и ионов аммония.Был проведен экспериментальный контур адсорбции в зависимости от времени контакта между адсорбентом (цеолит) и адсорбатом - тяжелых металлов цинка, марганца, железа и токсичных элементов, таких как ионы аммония.

В лабораторных анализах Министерства охраны окружающей среды [1] в 1995 году было выявлено чрезмерное количество железа, марганца и цинка в питьевой воде в городах Хасково и Бургасе. За тот же период в источнике подземных вод в районе города Враца нашли избыток марганца и железа. Наличие избыточного цинка зарегистрировано в Бяла Слатина. К востоку от реки Искыр в грунтовых водах в районе поселка Дъбован замеры обнаруживают очень высокие уровни ионов аммония. В ходе исследования в 1995 году 22 проб воды, взятых из реки возле МДК Златица Пирдопа, нашли избыток железа 0,557 мг/л и марганца 0,419 мг/л при скорости [2], 0,2 мг/л и 0,1 мг/л [3].

Примеры загрязнения токсичными элементами и тяжелыми металлами воды становятся все более многочисленными и более тревожными. Интоксикация марганцем поражает центральную нервную систему и способствует развитию синдрома Паркинсона. Даже если убрать источник загрязнения, синдром Паркинсона прогрессирует в ближайшие годы [3].

Все эти факторы поставили необходимость искать быстрые, дешевые и эффективные способы очистки сточных и питьевых вод от токсичных элементов.

Адсорция.

Для целей эксперимента использованы: ? Стандартный раствор марганца 2 мг/л, (со стандартным раствором MERCK, Manganese standard solution traceable to SRM from NIST Mn(NO3)2 in HNO3 0,5 mol/l - 1000 mg/l Mn).

? Стандартный раствор железа 2 мг/л (со стандартным раствором MERCK, Iron standard solution traceable to SRM from NIST Fe(NO3)3in HNO3 0,5 mol/l - 1000 mg/l Fe).

? Стандартный раствор аммония 2 мг/л (со стандартным раствором MERCK, Ammonium standard solution traceable to SRM from NIST NH4 in H2O - 1000 mg/l NH4 ).

? Стандартный раствор цинка 2 мг/л (со стандартным раствором ZNSO4 - 1000 мг /л), который был подготовлен методом [4].

Стандартные растворы были получены путем соответствующего разбавления исходного раствора в мерной колбе объемом 1000 мл.

Анализы марганца были получены с использованием UV-VIS spectrophotometer, SHIMADZU стандартом ISO 6333 [5].

Анализы железа были получены с использованием UV-VIS spectrophotometer, SHIMADZU стандартом ISO 6332 [6].

Анализ цинка был получен с использованием photometer ”VEGA 400”, Zinc Test, Methtod: photometric - MERCK 0,05- 2,5 mg/l Zn.

Анализ аммиака был получен с использованием UV-VIS spectrophotometer Agilent 8453 стандартом БДС ISO 7150-1 [7].

Адсорбент

Используется в качестве адсорбента болгарского природного цеолита (клиноптилолита) из области Бели Пласт на северо-востоке Родопы. Химический состав в % по массе составляет: SIO2 - 66,6%, Al2O3 - 11,41%, Fe2O3 - 0,8%, TIO2 - 0,15%, MGO - 0,06%, CAO - 2,8%, Na2O - 0,22%, K2O - 2,9%. Соответственно, для целей эксперимента, цеолит подвергают следующей обработке: размалывают в мельнице модели «Retsch»,просеивают через сито шейкер модели «Retsch», сушат при 120°С в течение 2 ч в нагревателе модели «J.P.SELECTA,s.a.» индуцирован, с теплотой 400°С в течение 2 ч в сушильном шкафу модели «Carbolite CSF 1100». Анализ размера зерна сделан лазерным гранулометром модели «Analysette 22, Compact», FRITSCH-GMBH (сх. 1). Подготовленный этим способом цеолит используется в ходе этого эксперимента.

Экспериментальная часть. Эксперимент проводился исходя из маточных растворов цинка, марганца, железа и ионов аммония в подходящие концентрации 1000 мг/л в соответствующие аликвоты, были подготовлены и рабочие стандартные растворы, которые имеют концентрацию 2 мг/л. Взвесили 0,20 г цеолита (индукцирован теплотой), с помощью технической шкалы модели «Sartorius», с точностью до двух цифр.

В стакане смешанных 150 мл адсорбента (цеолит 0,20 г) и адсорбата (100 мл 2 мг/л стандартного раствора цинка, марганца, железа, или ионов аммония), затем магнитной палкой модели «HANNA» интенсивно перемешивают раствор при 20 ОС. Выполняется прерывание на адсорбцию соответственно на одну минуту, на три минуты, на пять и десять минут. Прерывание осуществляется, когда раствор из адсорбата и адсорбента фильтруется в вакууме с 0,45 мкм фильтром. В результаты сорбат, полученный на одну минуту, на три минуты, пять и десять минут, спектрофотометрическими анализируются с использованием стандартами цинка, марганца, железа и ионов аммония. Результаты фотометрического анализа представлены в таблице 2. Графики различных адсорбции показаны на рисунках: 1 - марганец, 2 - железо, 3 - ион аммония и рис. 4 - цинк.

Таблица 1

Гранулометрический анализ

0,000?m - 40,000 ?m 47,1 % 80,000 ?m 90,9 %

10,000 ?m 19,1 % 50,000 ?m 59,6 % 90.000 ?m 94,8 %

20,000 ?m 29,2 % 60,000 ?m 72,8 % 95,000 ?m 95,8 %

30,000 ?m 37,6 % 70,000 ?m 83,7%

Рис. 1. Адсорбция ионов марганца. Рис. 2. Адсорбция ионов железа

Рис. 3. Адсорбция ионов аммония. Рис. 4. Адсорбция ионов цинка

На рис. 5, 6, 7 и 8 показана адсорбция, которая происходит за одну минуту, три минуты, пять и десять минут в растворе. Сделано сравнение адсорбций на соответствующих ионах с цеолитом за время. В таблице 3 рассчитывается катионная адсорбционная емкость (QE) в соответствии со следующей формулой: QE = (C1-C2) * V / M, где C1 - концентрация элемента в растворе источника (мг/л), C2 - остаточная концентрация элемента в растворе источника (мг/л), М - масса адсорбента в (мг), V - объем раствора в исследованиях (л), QE - катион адсорбционная емкость, (мг/г) сорбента [8].

Таблица 2

1 3 5 10 t/min ионов марганца 34,5 60,0 68,5 71,0 mg/g ионов аммония 36,0 52,5 55,5 61,5 mg/g ионов железо 80,0 86,5 90,5 96,0 mg/g ионов цинка 78,0 79,5 82,0 83,0 mg/g

Рис. 5. Адсорбция ионов за 1 мин. Рис. 6. Адсорбция ионов за 3 мин.

Рис. 7. Адсорбция ионов за 5 мин. Рис. 8. Адсорбция ионов за 10 мин.

Результаты и обсуждение. Адсорбция является одним из наиболее эффективных методов для извлечения тяжелых металлов. Рассмотрим схему для сточных вод с использованием адсорбентов в качестве заключительного этапа. В качестве адсорбента используется активированный уголь, который снижает содержание тяжелых металлов в воде, но не приводит к полной адсорбции. Недостатком этого метода является в основном стоимость адсорбента, большой расход реагентов на регенерацию и образование вторичных отходов, которые должны быть утилизированы.

Рис. 9. Схема физико-химической очистки сточных вод завода с использованием адсорбента [9].

Для эффективного очищения сточных вод от тяжелых металлов могут успешно использоваться цеолиты.

Цеолитные фильтры задерживают тяжелые металлы и после насыщения регенерируют процессом десорбции. Процесс десорбции играет важную роль в использовании адсорбентов, так как это приводит к экономически эффективному использованию. При этом не создается отходы. Использование адсорбентов для очистки воды на этом шаге является дорогостоящим процессом. Ранее используемые адсорбенты являются дорогостоящими и технология регенерации является сложной и это обычно приводит к образованию новых отходов. Цеолиты дешевы, очень хорошо адсорбируют тяжелые металлы в качестве селективной возможности. Процесс адсорбции может быть уточнен, так как могут быть синтезированы цеолиты с точно указанными размерами каналов и пор, которые могут поглощать определенные металлы.

При адсорбции тяжелых металлов и токсинов из цеолитов (молекулярных сит) в адсорбере протекают процессы, в которых происходит разъединение тяжелых металлов и токсичных веществ в деталях в зависимости от времени контакта. Одной из важнейщих особенностей является скорость адсорбции при первоначальном контакте между адсорбентом и адсорбатом. Из рис. 5, 6, 7 и 8 мы видим, что скорость поглощения ионов железа и цинка на первой минуте является максимальной. Этот факт позволяет отделить ионы железа и цинка из марганца и ионов аммония. Это может произойти, если контакт между цеолитом адсорбентом и адсорбатом цинка и ионов железа в пределах одной минуты.

Из экспериментальных испытаний, проведенных на адсорбции ионов цинка, железа, марганца и аммония, ясно, что для эффективного промышленного разделения путем адсорбции необходимо построить адсорбер, заполненный цеолитом (молекулярное сито), который конструктивно разделен на сектора, в котором скорость контакта между адсорбентом и адсорбатом можно регулировать.

Разная скорость адсорбции получается изза различного радиуса атома соответствующих ионов и возникновения разницы в электрическом потенциале. Эти процессы характерны для цеолитных молекулярных сит. Это ставит цеолиты адсорбентов приоритет высокой природоохранной ценностей для быстрой и эффективной очистки промышленной воды, насыщенной тяжелыми металлами цинка, железа, марганца и общих токсичных элементов, таких как ионы аммония.

очистка сточный вода селективный адсорбция

1. Был проведен экспериментальный контур адсорбции в зависимости от времени контакта между адсорбентом (цеолит) и адсорбатом - тяжелых металлов цинка, марганца, железа и токсичных элементов, таких как ионы аммония.

2. Было обнаружено, что железо и ионы цинка на одну минуту контактируют с адсорбентом (цеолитом), адсорбированным с большей скоростью по сравнению с ионом аммония и марганца.

3. Просмотр представляет собой принципиальную схему очистки сточных вод путем адсорбции активного фильтра и замены его цеолитным фильтром. Для избирательной адсорбции токсичных элементов необходимо сделать адсорбер, в частности с молекулярными ситами, расположенными в секторах адсорбции, в которых регулируется скорость контакта между адсорбентом и адсорбатом.

1. Министерство охраны окружающей среды. Национальный центр. Состояние окружающей среды Республики Болгарии 1995 Годовой отчет, С., 1996г.

2. GVA 2823-83. Питьевая вода.

3. Стоянов С., Тяжелые металлы в окружающей среде и пища с токсическими поражениями человеком, клиническая путь, лечение и профилактика. 1999 21.247

4. Унифицированные методы исследования качества вод. Часть 1 - Методы химического анализа вод, Москва - 1977 г.

5. SO 6333. Международные стандарты. Качество воды - обнаружение марганца спектрофотометрическим методом формалдоксимом.

6. ISO 6332. Международные стандарты. Качество воды - Определение железа спектрофотометрическим методом 1,10 - фенантролином.

7. BS ISO 7150-1. Качество воды. Определение аммиака. Часть 1: Руководство спектрометрическим методом.

8. M.J.Yabe, E. Oliveira ”Heavy metals removal in industrial effluents by sequential adsorbent treatment”, Adv.Env. Res, 7, 2003, pp. 263-272.

9. Симеонова, П., Lovchinov, В., Введение в физику окружающей среды. 2008, 120

Размещено на .ru