Виділення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів ультра-флокуляцією і турбулентною мікрофлотацією - Автореферат

У даний час для глибокої очистки води від розчинених забруднень найбільше поширення здобув сорбційний метод, реалізований за допомогою тонкодисперсних сорбентів, які мають високу питому поверхню, завдяки якій у багато разів зменшується швидкість процесу сорбції, істотно знижується витрата сорбенту, і, відповідно, кількість підлягаючих переробці (регенерації чи похованню) відходів. Основний недолік використання тонкодисперсних сорбентів полягає в трудності їх відділення від води після завершення процесу сорбції. У цьому звязку, вивчення колоїдно-гідродинамічних закономірностей процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації тонкодисперсних сорбентів є актуальним як з наукової, так і з практичної точки зору, тому що воно дозволить розширити фундаментальні знання та створити наукову основу для удосконалення технології очистки води від небезпечних водорозчинних і колоїдно-дисперсних забруднень за допомогою тонкодисперсних сорбентів. Робота виконана в Інституті биоколоїдної хімії НАН України в рамках держбюджетних тем: “Теоретичне обґрунтування й розробка колоїдно-хімічних методів розподілу компонентів у промислових розчинах з утилізацією корисних речовин” (1999-2001 р.р. № Держреєстрації 0100V002371, шифр теми 2.16.1.12); “Вивчити механізми та розробити ефективні процеси колоїдно-хімічної сепарації складових техногенних розчинів” (2002-2004 р.р. № Держреєстрації 0100V007049, шифр теми 2.16.1.12) і проектів комплексної програми фундаментальних досліджень НАН України “Наносистеми, наноматеріали й нанотехнології”: “Відгук наночастинок та клітинних структур у розчинах електролітів на дію зовнішніх полів і кінетика коагуляції нанодисперсних систем: теорія й експеримент” (2003-2005 р.р. № Держреєстрації 0103V006026, шифр теми 1.14.2.4; 2.16.1.2); “Дослідження процесу сепарації ультрадисперсних мінералів за допомогою турбулентної мікрофлотації: теорія та експеримент” (2004-2005 р.р. № Держреєстрації 0104V007799, шифр теми 2.16.1.7; 1.14.2.4). У роботі були використані методи атомно-абсорбційної спектрофотометрії та спектрофотометричний для визначення іонів міді, нікелю і цезію; метод електронної і оптичної мікроскопії для визначення розмірів часток сорбентів; гравіметричний і фотоколориметричний методи для визначення концентрації часток сорбентів у воді. сорбент дисперсність флокуляція іонНа основі проведеного аналізу літератури визначені наукові задачі, вирішення яких дозволить ефективно проводити процес вилучення тонкодисперсних сорбентів з водних розчинів ультра-флокуляцією і турбулентною мікрофлотацією. Обєктами дослідження служили тонкодисперсні сорбенти, а саме: сорбенти на основі глинистих мінералів (кліноптилоліт, Na-бейделіт), гідроксид алюмінію, фероціаніди міді та нікелю. Мікрофлотаційне вилучення часток сорбенту здійснювали в лабораторній установці для турбулентної мікрофлотації, що включає послідовно зєднані проточний електролізер (генератор мікробульбашок), трубчастий статичний міксер і піновідділювач. Сорбція ж металів на грубодисперсному кліноптилоліті (розмір часток - 500-1000 мкм) за цей час практично не відбувається, а використання середньодисперсного (25-40 мкм) сорбенту дозволяє вилучити не більш 45 % іонів міді і нікелю. У четвертому розділі описано дослідження, метою яких було вивчення особливостей застосування методу ультра-флокуляції для інтенсифікації процесів сепарації тонкодисперсних сорбентів різної природи, а саме: кліноптилоліту, гідроксиду алюмінію, фероціаніду нікелю і Na-бейделіту.Встановлені в дослідженні колоїдно-хімічні закономірності процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів дозволяють ефективно виділити тонкодисперсні частки сорбентів на основі глинистих мінералів, гідроксиду алюмінію та фероціанідів міді і нікелю. На прикладі сорбенту кліноптилоліту показано, що зменшення розміру часток сорбенту від 1 мм до 1 мкм зменшується час процесу сорбції від 1-2 годин до 30 секунд, а питома витрата сорбенту в 8-10 разів. Встановлено, що синтез колоїдно-дисперсного сорбенту солей цезію фероціаніду безпосередньо в оброблюваному розчині шляхом введення фероціаніду калію та відповідних хлоридів металів поліпшує адсорбціонні властивості та зменшує витрати сорбентів у 1,5 рази порівняно із попередньо приготовленими сорбентами. Показано, що максимум ефективності флокуляції водних суспензій гідроксиду алюмінію, фероціаниду нікелю і Na-бейделіту відповідає максимуму парної енергії звязку часток у флокулі. Встановлено, що для флокуляції суспензій гідроксиду алюмінію, фероціаниду нікелю і Na-бейделіту найбільш ефективний режим гідродинамічної обробки складається із двох етапів: попередньої короткочасної жорсткої гідродинамічної обробки (G - 1200-3000 с-1, t = 5-10 с) та наступної мякої гідродинамічної обробки (G = 1000-30 с-1, t = 10-30 с).

Основний зміст роботи

1. Встановлені в дослідженні колоїдно-хімічні закономірності процесів ультра-флокуляції і турбулентної мікрофлотації водних суспензій тонкодисперсних сорбентів дозволяють ефективно виділити тонкодисперсні частки сорбентів на основі глинистих мінералів, гідроксиду алюмінію та фероціанідів міді і нікелю.

2. На прикладі сорбенту кліноптилоліту показано, що зменшення розміру часток сорбенту від 1 мм до 1 мкм зменшується час процесу сорбції від 1-2 годин до 30 секунд, а питома витрата сорбенту в 8-10 разів.

3. Встановлено, що синтез колоїдно-дисперсного сорбенту солей цезію фероціаніду безпосередньо в оброблюваному розчині шляхом введення фероціаніду калію та відповідних хлоридів металів поліпшує адсорбціонні властивості та зменшує витрати сорбентів у 1,5 рази порівняно із попередньо приготовленими сорбентами.

4. Запропоновано методику визначення енергії адсорбції молекул флокулянта на частках сорбенту, що базується на вимірюванні залежності максимального розміру флокул від інтенсивності гідродинамічної обробки (дисипації механічної енергії).

5. Показано, що максимум ефективності флокуляції водних суспензій гідроксиду алюмінію, фероціаниду нікелю і Na-бейделіту відповідає максимуму парної енергії звязку часток у флокулі.

6. Встановлено, що для флокуляції суспензій гідроксиду алюмінію, фероціаниду нікелю і Na-бейделіту найбільш ефективний режим гідродинамічної обробки складається із двох етапів: попередньої короткочасної жорсткої гідродинамічної обробки (G - 1200-3000 с-1, t = 5-10 с) та наступної мякої гідродинамічної обробки (G = 1000-30 с-1, t = 10-30 с). Показано, що використання короткочасної жорсткої гідродинамічної обробки дозволяє одержувати набагато більш щільні флокули, що можна пояснити особливостями утворення флокул в цих умовах.

Основні результати дисертації викладені в роботах

1. Rulyov N.N., Dontsova T.A., Korolyov V.Ya. Ultra-Flocculation of Diluted Fine Disperse Suspensions // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2005. Vol. 26. № 3-4. P. 203-217. (постановка та проведення експерименту, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті).

2. Рулев Н.Н., Королев В.Я., Донцова Т.А. Физико-химическая микрогидродинамика ультрадисперсных систем // Коллоидно-химические основы нанотехнологии. К.: Академпериодика, 2005. С. 169-195. (проведення експерименту (флокуляція ультрадисперсних сиситем, вимірювання парної енергії звязку часток, ультра-флокуляція), участь в обговоренні результатів та написанні статті).

3. Рулев Н.Н., Донцова Т.А., Небеснова Т.В. Парная энергия связи частиц и размер флокул, образующийся в турбулентном потоке // Химия и технология воды. 2005. Т. 27. №1. С. 21-37. (проведення експерименту, розрахунків, участь в обговоренні результатів та написанні статті).

4. Рулев Н.Н., Донцова Т.А., Королев В.Я. Исследование возможности использования флокулярной микрофлотации для извлечения ионов цезия из водных растворов с помощью тонкодисперсных ферроцианидных сорбентов // Доповіді Національної академії наук України 2004. №12. С. 139-144. (постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

5. Рулев Н.Н., Донцова Т.А. Использование тонкодисперсных сорбентов в комбинации с флокулярной микрофлотацией для извлечения Cu2 и Ni2 из водных растворов // Химия и технология воды. 2003. Т. 25. №6. С. 533-540. (постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

6. Артюх Ю.В., Совсимова Т.А. (Донцова Т.А.), Астрелин И.М., Толстопалова Н.М., Складанный Д.Н. Осветление вод порошкообразным коагулянтом, полученным из украинского сырья // Вестник Казанского Технологического Университета. 2001. №2. С. 169-174. (постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

7. Артюх Ю.В., Астрелин И.М., Толстопалова Н.М., Складанный Д.Н., Совсимова Т.А. (Донцова Т.А.). Получение и испытание порошкообразного коагулянта из каолина Веселовского месторождения // Труды Одесского политехнического университета. Вып. 3(15). 2001. С. 297-299. (проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

8. Rulyov N.N., Dontsova T.A., Korolyov V.Ya. Water purification from Cs by sorption-flocculation-microflotation technology // The Second International Conference “INTERFACES AGAINST POLLUTION”, May 27-30, 2002. Miskolc-Lillafured, Hungary. Р. 53 (постановка, проведення експерименту та обговорення результатів досліджень).

9. Rulyov N.N., Dontsova T.A. Pair bonding energy of particles and the optimal regime of the hydrodynamic treatment of a suspension in the flocculation process // XVI European Chemistry at Interfaces Conference, May 14-18, 2002. Vladimir, Russia. Р. 130 (постановка, проведення експерименту та обговорення результатів досліджень).

10. Рулев Н.Н., Донцова Т.А., Королев В.Я. Способ извлечения частиц тонкодисперсного сорбента из очищаемой воды ультра-флокуляцией и турбулентной микрофлотацией // Международная конференция “Коллоидные ситемы. Свойства, материалы, применение”, Август-сентябрь 28-1, 2006. Одесса, Украина (постановка, проведення експерименту та обговорення результатів досліджень).