сорбент для очистки промышленных стоков от соединений свинца и кадмия и способ его применения
Классы МПК: | B01J20/00 Составы твердых сорбентов или составы фильтрующих материалов; сорбенты для хроматографии; способы их получения, регенерации или реактивации (использование твердых сорбентов при разделении жидкостей B 01D 15/00; использование добавок для ускорения фильтрования B 01D 37/02; использование составов сорбентов при разделении газов B 01D 53/02, B 01D 53/14 C02F1/28 сорбцией |
Автор(ы): | Бураев Михаил Эрикович (RU), Луцкая Людмила Петровна (RU), Котомцев Вячеслав Владимирович (RU), Макеев Олег Германович (RU), Черепанов Леонид Никифорович (RU), Забалуев Юрий Алексеевич (RU), Резниченко Валерий Васильевич (RU), Мансуров Михаил Григорьевич (RU), Байкин Юрий Леонидович (RU), Устич Елена Павловна (RU), Корионов Александр Александрович (RU), Морозов Михаил Григорьевич (RU), Бураев Антон Михайлович (RU), Куликов Евгений Сергеевич (RU), Костюкова Светлана Владиленовна (RU) |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью "ДИАНА" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-12-29 публикация патента:
27.02.2011 |
Изобретение относится к области очистки промышленных и бытовых стоков технической воды от загрязнений, содержащих соединения свинца и кадмия, и может быть использовано, в частности, при очистке промышленных стоков гальванического производства или производства материалов и изделий из пластических масс и лакокрасочного производства. В качестве сорбента для очистки промышленных стоков от соединения свинца и кадмия используют белый шлам, являющийся продуктом, образующимся при автоклавном удалении кремния из алюминатных растворов глиноземного производства. Сорбцию свинца и кадмия осуществляют при перемешивании жидкой фазы, содержащей упомянутые загрязнения, с сорбентом в течение 6-32 часов. Изобретение позволяет осуществить эффективную очистку стоков дешевым сорбентом. 2 н.п. ф-лы, 6 табл.
Формула изобретения
1. Сорбент для очистки промышленных стоков от соединений свинца и кадмия, включающий соединения кремния, отличающийся тем, что используют кремнийсодержащий белый шлам нейтрализованный марки А-продукт, образующийся при автоклавном удалении кремния из алюминатных растворов глиноземного производства, в виде порошка, содержащего мас.%:
оксид кремния | 20-25 |
оксид алюминия | 25-35 |
при массовой доле влаги | не более 15 |
2. Способ очистки промышленных стоков от свинца и кадмия путем введения сорбента в стоки с последующим перемешиванием и разделением жидкой и твердой фаз, отличающийся тем, что используемый в качестве сорбента кремнийсодержащий белый шлам с содержанием оксида кремния 20-25% и оксида алюминия 25-35 при массовой доле влаги не более 15% вводят в массовом соотношении (5,0-50):1 к количеству соединений свинца или (5,0-10):1 к количеству соединений кадмия, содержащихся в сточных водах, при этом процесс сорбции с перемешиванием ведут в течение времени от 6 до 32 ч.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области промышленной экологии, в частности к очистке промышленных и бытовых стоков технической воды от загрязнений, содержащих соединения свинца и кадмия, и может быть использовано, в частности, в машиностроении при очистке промышленных стоков гальванического производства или производства материалов и изделий из пластических масс и лакокрасочного производства.
Известно применение в качестве фильтрующих материалов для очистки воды от различных веществ природных материалов - сорбентов: дробленого антрацита, диатомита, трепела, мрамора, магномассы (Кульский Л.А. Химия и технология обработки воды. - Киев, 1960. - С.225).
В промышленном масштабе при очистке воды и промышленных стоков используются фильтры с загрузкой из кварцевого песка, который предварительно отмывают и сортируют просеиванием через сита. (Жужиков В.А. Фильтрование. - М.: Химия, 1968. - 412 с.; Яковлев С.В., Карелин Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация - М.: Стройиздат, 1976. - 632 с.; Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. - 208 с.)
Однако кварцевый песок почти повсеместно дефицитен и отличается сравнительно высокой стоимостью и относительно низкой грязеемкостью, что вызывает необходимость поиска более дешевых материалов или разработки специальных сорбентов с высокой поглотительной способностью, которые можно было бы применять для очистки воды и промышленных стоков.
Известно использование в схемах очистки сточных вод специально подготовленных фильтрующих материалов - сорбентов, в частности гранулированного активированного угля марки СКД-515 (ТУ 922406-001-95) производства ОАО «СОРБЕНТ» г.Пермь, изготовляемого методом экструзии из тонкодисперсной пыли смеси каменных углей и связующего, с последующей обработкой в среде водяного пара при температуре 800-950°C.
При высокой сорбции тяжелых металлов этим сорбентом некоторым ограничением его применения является довольно высокая стоимость, связанная с технологией производства.
Известен также адсорбент «ГЛИНТ» (ТУ 2163-001-15191069-2003), разработанный и применяемый для очистки промышленных и поверхностно-ливневых сточных вод путем осаждения катионов тяжелых металлов (Сu, Ni, Zn, Pb, Cd, Cr) и других (см. Инструкция по применению. Активированный Алюмосиликатный Адсорбент. ГЛИНТ. ЗАО "Квант минерал". Санкт-Петербург. 2007 г. С.6).
При большом сроке службы адсорбента и возможности его многократных промывок при использовании в существующих технологических схемах очистки сточных вод к некоторым недостаткам адсорбента «ГЛИНТ» следует отнести ограничения по кислотности обрабатываемых стоков (pH 7,5÷8,0), что требует предварительной подготовки стоков (2-3-фазная очистка), и ограниченную сорбционную емкость по ионам тяжелых металлов (4,5÷5,6 кг/м3), что требует частых промывок при работе с высокотоксичными стоками, а это удорожает процесс очистки промышленных стоков.
Задачей изобретения является поиск искусственно созданного сорбента, обладающего повышенной сорбцией, в частности, к соединениям свинца и кадмия из промышленных стоков в первую очередь машиностроительного и металлургического производства, не токсичного к окружающей среде, удобного в применении (в виде сыпучего порошка), не требующего при изготовлении и применении больших капитальных и эксплуатационных затрат, позволяющего использовать его в существующих технологических схемах и линиях очистных сооружений на предприятиях и в природоохранных лабораториях.
Задача решается тем, что в качестве кремнийсодержащего сорбента для очистки промышленных стоков от соединений свинца и кадмия используют белый шлам марки А (БШ) - специально обработанный оборотный продукт переработки отходов глиноземного производства алюминиевого завода в виде порошка, при этом сорбент вводят в массовом соотношении 5,0÷50:1 к количеству соединений свинца или 5,0÷10,0:1 к количеству соединений кадмия, содержащихся в сточных водах, причем процесс сорбции с перемешиванием ведут в течение времени от 6 до 32 часов, с последующим разделением БШ и воды.
Белый шлам нейтрализованный (БШ) - сыпучий порошок светло-коричневого цвета, представленный сульфатной формой алюмосиликата группы содалита (нозеансодалит) с массовой долей от 80 до 90%; железистым гидрогранатом с массовой долей от 8 до 15%; мелкодисперсным гидроксидом алюминия с массовой долей от 1 до 5%; pH от 6,0 до 9,0. Не токсичен, не горюч.
Белый шлам (БШ) изготавливают в соответствии с патентом РФ № 2053688 (А23К 1/16, опубл. 10.02.96 г. Бюл. № 4) путем нейтрализации шлама при обескремнивании алюминатных растворов глиноземного производства. БШ марки А не содержит дополнительных минеральных добавок.
Состав БШ соответствует ТУ 1711-127-001941091-96 с изменением № 1 от 27.03.2000 г. и представлен в таблице 1.
Белый шлам (БШ), предложенный в качестве кремнийсодержащего сорбента для очистки промышленных стоков от соединений свинца и кадмия, ранее разработали и применили при кормлении животных в качестве минеральной добавки для повышения живой массы и сохранности животных на откорме при промышленном их содержании, а также для снижения уровня стресса и потерь мясной продуктивности у крупного рогатого скота при транспортировке (Патент РФ № 2271211, А61К 33/04, опубл. 10.03.2006. Бюл. № 7).
Таблица 1 | |
Состав белого шлама (БШ) производства алюминиевого завода | |
Наименование компонента | Массовая доля, % |
Оксид кремния | 20-25 |
Оксид алюминия | 25-35 |
Оксид железа | 3-10 |
Оксид кальция | 3-10 |
Оксид натрия | 15-20 |
Оксид серы | 3-6 |
Оксид калия | 0,5-2,0 |
Свободная щелочь, не более | 0,02 |
Массовая доля влаги в продукте не должна превышать 15% |
Другим известным направлением использования БШ является его применение при выращивании сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, где использование БШ в количестве 1÷5% массы пахотного слоя позволяет получить повышенные урожаи и снизить загрязнение получаемой продукции свинцом, никелем, хромом и кадмием (Патент РФ № 2189712, А01В 79/02, опубл. 17.09.2002. Бюл. № 27).
Новизной предложенного способа для очистки промышленных стоков от свинца и кадмия является использование белого шлама (БШ) по новому назначению, в качестве сорбента для высокоэффективной очистки сточных вод от соединений свинца (Pb) и кадмия (Cd), осуществляемой при минимуме затрат на замену сорбирующего реагента в существующих системах и схемах очистки.
Способ очистки промышленных стоков от свинца и кадмия с использованием предложенного сорбирующего реагента в виде кремнийсодержащего белого шлама осуществляют в следующем порядке.
В подлежащие очистке сточные воды вводят сорбент с последующим перемешиванием и разделением жидкой и твердой фаз, при этом в качестве сорбента используют белый шлам. В качестве элементов, сорбирующих Pb и Cd, в белом шламе «выступают» алюмосиликаты натрия в форме нозеана или содалита. Белый шлам выводят в количестве, в 5,0÷50,0 раз превышающем содержание токсикантов в очищаемых сточных водах.
Результаты изучения эффективности очистки в лабораторных условиях растворов от соединений свинца и кадмия с использованием в качестве сорбента предложенного белого шлама в различных концентрациях при различных экспозициях представлены в таблицах 2; 4; 5; 6. Исследования проводили в центральной заводской лаборатории ФГУП на Северном Урале, имеющего гальванические цеха и очистные сооружения. Погрешности результатов анализов не превышают допустимых по НД на методы исследований.
Таблица 2 | ||||||||
Результаты сорбции тяжелых металлов на белом шламе (БШ) | ||||||||
№ раствора | Концентрация в пересчете на элемент, г/л | pH раствора | ||||||
Pb | Cd | |||||||
до сорбции | после сорбции | до сорбции | после сорбции | до сорбции | после сорбции | |||
г/л | % | г/л | % | |||||
1 | 6,6 | 0,15 | 2,27 | 13,2 | 0,040 | 0,30 | 2,3 | 5,2 |
2 | 6,6 | 0,13 | 1,96 | 6,6 | 0,045 | 0,68 | 2,2 | 5,3 |
3 | 10 | 0,20 | 2,0 | 10 | 8,52 | 85,2 | 1,7 | 5,7 |
4 | 10 | 4,51 | 45,1 | 10 | 9,89 | 98,9 | 2,1 | . 5,8 |
Примечания:
1. Время сорбции с перемешиванием - 6 часов.
2. Растворы готовили из нитратов тяжелых металлов, в качестве поставщика фтор-иона использовали борфтористоводородную кислоту.
3. Концентрация белого шлама в растворах - 60 г/л.
Результаты обратного экстрагирования дистиллированной водой соединений Pb и Cd из проб БШ после сорбции по таблице 2 представлены в таблице 3.
Таблица 3 | |||
Результаты экстрагирования тяжелых металлов из белого шлама БШ дистиллированной водой | |||
Пробы БШ после сорбции металлов из № растворов (табл.2) | pH после экстрагирования | Концентрация металлов в воде после экстрагирования, мг/л | |
Pb | Cd | ||
1 | 6,2 | 2,00 | 30,00 |
2 | 6,3 | 2,00 | 35,00 |
3 | 6,2 | 3,08 | 30,0 |
4 | 6,3 | 3,75 | 27,7 |
Примечания:
1. Полное время экстрагирования каждой пробы - 100 часов, из них - 32 часа с перемешиванием.
2. Концентрация белого шлама в воде - 60 г/л.
Результаты экспериментов, представленные в таблицах 2 и 3, показывают, что БШ активно поглощает соединения Pb и Cd из растворов, переводя их в водонерастворимые формы (практически отсутствует экстрагирование Pb и Cd дистиллированной водой из проб - таблица 3).
Следующие серии опытов по сорбции соединений Pb и Cd белым шламом из растворов с различной концентрацией элементов в растворе (от 1 до 35 г/л) и экспозицией экстрагирования (от 6 часов) представлены в таблицах 4, 5, 6.
Примечания:
1. Процесс проводился при постоянном перемешивании в течение смены.
2. Объем раствора - 0,2 л.
3. Масса навески сорбента БШ - 20 г.
4. Концентрация БШ в растворах - 100 г/л.
Таблица 5 | |||||
Результаты сорбции кадмия на белом шламе (БШ) | |||||
Исходная концентрация элемента в растворе, г/л | Исходное количество элемента в растворе, г | Время контакта раствора с сорбентом, час | Конечная концентрация элемента в растворе, | Конечное количество элемента в растворе, г | |
г/л | % | ||||
10 | 2 | 6 | 0,5000 | 5,0 | 0,1000 |
18 | 0,1000 | 1,0 | 0,0200 | ||
26 | 0,0550 | 0,55 | 0,0110 | ||
32 | 0,0500 | 0,50 | 0,0100 | ||
15 | 3 | 6 | 2,3000 | 15,33 | 0,4600 |
18 | 1,1000 | 7,33 | 0,2200 | ||
26 | 0,8000 | 5,33 | 0,1600 | ||
32 | 0,2200 | 1,46 | 0,0440 | ||
20 | 4 | 6 | 7,8000 | 39 | 1,5600 |
18 | 4,9000 | 24,5 | 0,9900 | ||
26 | 4,6000 | 23,0 | 0,9200 | ||
32 | 4,4000 | 22,0 | 0,8800 |
Примечания:
1. Процесс проводился при постоянном перемешивании в течение смены.
2. Объем раствора - 0,2 л.
3. Масса навески сорбента БШ - 20 г.
4. Концентрация БШ в растворах - 100 г/л.
Примечания:
1. Процесс проводился в течение 500 час при периодическом перемешивании 1 раз в смену.
2. Объем раствора - 0,2 л.
3. Масса навески сорбента 10 г.
4. Концентрация БШ в растворах 50 г/л.
Неочевидным эффектом использования кремнийсодержащего белого шлама в качестве сорбента для очистки промышленных стоков от соединений свинца и кадмия является то, что, используя предложенный сорбент БШ в широком диапазоне отношений массы сорбента к массе токсичных соединений в стоках, при различных экспозициях возможно без переоборудования производства при минимальных затратах провести практически полную очистку высокотоксичных кислотных стоков без предварительной их нейтрализации со степенью очистки до 99,1÷99,9%, что является высоким техническим и технологическим достижением.
Данные таблиц 2; 4; 6 показывают, что при исходной концентрации Pb в растворах от 1 до 20 г/л остаточная концентрация после сорбции БШ находится в пределах от 0,009 до 0,82%, при степени очистки растворов от 99,18% до 99,9% при массовом соотношении БШ к Pb 5,0÷50:1, хотя при концентрации 35 г/л Pb и массовом соотношении БШ к Pb равном 2,85 степень очистки составляет 71,4-65,8%.
По кадмию (таблица 5) конечная концентрация в растворах составляет от 0,5 до 24,5% при исходной от 10 до 20 г/л, что соответствует степени очистки растворов от 99,5% при времени сорбции 32 часа и исходной концентрации 10 г/л до 75,5% при исходной концентрации 20 г/л и массовом соотношении БШ к Cd 5,0÷10,0:1.
Из вышеприведенных примеров (таблицы 2;4;5;6) видно, что очистка растворов от соединений свинца и кадмия во всех экспериментах производится эффективно, если сорбент вводят в количестве, превышающем в 5÷50 раз количество токсиканта, содержащегося в растворах, т.е. в массовом соотношении (5,0÷50,0): 1.
Таким образом, использование в способе очистки сточных вод от Pb и Cd белого шлама глиноземного производства в качестве сорбирующего реагента очевидно, высокоэффективно и имеет следующие преимущества:
- упрощение технологии очистки, обусловленное исключением нейтрализации стоков перед очисткой до ограниченного значения pH;
- удешевление очистки, обусловленное дешевизной и доступностью белого шлама как побочного продукта глиноземного производства, изготовляемого по заказам сельского хозяйства.
Предложенный способ прост по использованию, не требует больших дополнительных капитальных вложений в переоборудование очистных сооружений и специального обучения персонала и может найти применение на машиностроительных и металлургических предприятиях, дающих загрязнение окружающей среды по свинцу и кадмию, а также на предприятиях по ремонту автотракторной техники и на очистных сооружениях городов и поселков, путем использования белого шлама (БШ) в качестве фильтрующей загрузки напорных и безнапорных фильтров в системах очистки сточных вод.
Класс B01J20/00 Составы твердых сорбентов или составы фильтрующих материалов; сорбенты для хроматографии; способы их получения, регенерации или реактивации (использование твердых сорбентов при разделении жидкостей B 01D 15/00; использование добавок для ускорения фильтрования B 01D 37/02; использование составов сорбентов при разделении газов B 01D 53/02, B 01D 53/14