Содержание к диссертации
Стр.
Глава 1. Литературный обзор
Структурные особенности силикатов 15
Классификация адсорбентов и химическая природа их поверхности...34
Выводы по литературному обзору 48
Глава 2. Объект и методы исследования
Определение кислотно-основных свойств глин 57
Определение концентрации ионов металлов^ нефтепродуктов
Кислотное модифицирование глин. ....64
Структурные и коллоидно-химические характеристики исследуемых природных глин —..... — .....65'
Химико-минералогический состав природных глин: — 65
Влияние размера фракций глин на сорбционную способность.....90
Сорбция ионов тяжелых металлов обогащенными глинами......95
Сорбция ионов тяжелых металлов 121
Влияние рНраствора на сорбцию и десорбцию ионов тяжелых металлов 144
изучить вещественный состав и физико-химические свойства природных монтмориллонитовых глин месторождения "Поляна" Белгородской области и оценить возможность использования их для очистки сточных вод от
исследовать влияние обогащения, кислотной и солевой обработки, на коллоидно-химические свойства глин;
провести сравнительное исследование сорбционной способности природных, обогащенных глин и глин, подвергнутых кислотной, солевой и кислотно-солевой обработке;
установить оптимальные режимы модифицирования сорбентов для очистки сточных вод, имеющих различный уровень загрязнения вышеуказанными поллютантами.
уточнения и получения новых данных о коллоидно-химических свойствах природных глин месторождения "Поляна" Белгородской области;
кислотного, солевого и комбинированного кислотно-солевого модифицирования глин с целью повышения их сорбционной способности;
установления закономерностей и основных механизмов сорбции ИТМ и органических веществ на модифицированных глинах;
3 .'...,;''
2.9: Определение суммы обменных оснований. ......58
2.10. Определение химико-технологических показателей ....59
2.11: Определение массовой доли монтмориллонита. 59
и жиров 1..'. : ....61
* .
Глава 3. Результаты работы и их обсуждение
3.1.2.1. Гранулометрический анализ ..............69
3:1.2.2. Текстурные характеристики: — ..72
3:2:2. Сорбционные свойства обогащенных образцов..... .....90
3:3. Структурные и коллоидно-химические характеристики глин^ обработанных кислотой. ...100
Глава 4. Разработка способов приготовления сорбентов на основе модифицированных глин и технико-экономическая оценка их эффективности
Список литературы 160
Приложения
Введение к работе
Проблема очистки сточных вод, начиная со второй половины 20-ого века, является актуальной для всех стран мира. С коллоидно-химической точки зрения, сточные воды — это гетерогенная смесь растворенных, коллоидных и взвешенных в воде примесей органического и неорганического характера. Одними из основных загрязнителей природных вод являются ионы тяжелых металлов, поступающие со сточными водами гальванических цехов, предприятий горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Другую группу весьма распространенных и опасных поллютантов составляют нефтепродукты. Значительная часть сточных вод, содержащих нефтепродукты, попадает в городскую канализацию. Нефтепродукты отрицательно влияют на режим работы биологических станций аэрации. Многолетняя практика работы станций аэрации показывает, что значительные трудности в эксплуатации очистных сооружений возникают из-за периодических поступлений со сточными водами больших количеств нефтепродуктов и жиров.
Одним из методов очистки сточных вод является сорбционный. Известные сорбенты, получаемые на основе материалов естественного и искусственного происхождения (активированные угли и др.), эффективны для очистки воды от нефтепродуктов и других органических веществ, однако малоэффективны для очистки от ионов тяжелых металлов. В то же время, сорбенты, позволяющие добиваться необходимой степени очистки воды от ионов тяжелых металлов, не дают желаемого результата в отношении органических веществ. В связи с этим разработка сорбента для комплексной очистки воды от ионов тяжелых металлов и органических веществ является актуальной проблемой.
Научно-обоснованный и экономически целесообразный выбор глинистых материалов, способных сорбировать примеси органического и неорганического происхождения, связан с поиском недефицитных природных материалов и изучением возможностей их модифицирования. Изучение сырьевых ресурсов Белгородчины для создания на их основе принципиально новых высокоэффективных наносорбентов с целью повышения эффективности очистки сточных вод имеет важное теоретическое и прикладное значение.
Целью настоящей работы является повышение сорбционной способности монтмориллонитсодержащих глин при использовании их в комплексной очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов и органических веществ за счет кислотного, солевого, кислотно-солевого модифицирования.
В связи с этим потребовалось решить следующие задачи:
. ионов тяжелых металлов (Те3*, Си2+, РЬ2+), нефтепродуктов и жиров;
Достоверность результатов подтверждается применением комплекса современных физико-химических методов исследования, стандартных методик современного инструментального анализа, получением воспроизводимых экспериментальных данных, не противоречащих современным научным представлениям и закономерностям, а также промышленными испытаниями.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим Планом Научного совета РАН по адсорбции и хроматографии 2005 года под номером
2.15.4.М.52 и 2006 года под номером 2.15.4.М.43 "Разработка и исследование сорбентов на основе нативных и модифицированных слоистых силикатов структурного типа 2:1". Работа поддержана грантом РФФИ № 06-03-96318 и Правительства Белгородской области, Федеральным агентством по1 образованию (Президентская научная стипендия РФ, 2006-2007 гг.).
Научная новизна работы. Выявлена взаимосвязь между условиями модифицирования, удельной поверхностью, коллоидно-химическими свойствами и дефектностью кристаллической структуры монтмориллонитсо- держащих глин Белгородской области месторождения «Поляна» с их сорб- ционной способностью по отношению к органическим веществам и ионам тяжелых металлов в процессе обогащения, кислотного, солевого и кислотно- солевого модифицирования.
Установлено, что применение кислотной обработки глин позволяет достигнуть высокой эффективности» рафинирования сточных вод от нефтепродуктов и жиров. Это обусловлено значительным увеличением удельной поверхности глинистых минералов в процессе кислотного модифицирования. Последующее введение ионов в обменные положения глинистых минералов способствует высокой степени очистки растворов от ионов тяжелых металлов и органических веществ. Это обусловлено тем, что солевая обработка не оказывает существенного влияния на величину удельной поверхности, одновременно увеличивая число активных обменных центров, отвечающих за сорбцию ионов тяжелых металлов.
Практическая значимость. Определены оптимальные условия модифицирования природных монтмориллонитсодержащих глин при обогащении, кислотной и солевой обработки с целью повышения эффективности очистки стоков от ионов тяжелых металлов и ряда органических веществ.
Установлено, что обогащение позволяет увеличить сорбционную способность в 1,5-3 раза для ионов Бе3"1", Си2+, РЬ2+, в 2,5 - 2,9 раза в отношении нефтепродуктов и в 2 - 2,4 раза по отношению к жирам. Это связано с увеличением содержания сорбционно-активного минерала — монтмориллонита и удельной поверхности образцов.
Максимальное увеличение сорбционной способности по отношению к ионам тяжелых металлов наблюдается при обработке глин раствором №0. При этом за 5 мин сорбции происходит полная очистка растворов, содержащих ионы тяжелых металлов в концентрации 0,1 ммоль/л, катионзамещен- ными глинами.
Установлен оптимальный режим кислотной обработки глин, при котором достигается увеличение удельной поверхности в 1,73 раза, что способствовало полной очистке сточной воды от нефтепродуктов и жиров в течение 5 мин. Введение ионов Ыа+ в обменные позиции глины, предварительно обработанной кислотой, позволило получить сорбент с высокой сорбционной способностью и к ионам тяжелых металлов, и к органическим веществам.
Использование разработанных сорбентов позволяет произвести очистку сточных вод г. Белгорода и локомотивного депо г. Белгорода (ОАО «РЖД», Ю.-В.ж.д.) от ИТМ, нефтепродуктов и жиров до нормативных концентраций. Годовой экономический эффект для локальной очистной станции локомотивного депо г. Белгорода Ю.-В.ж.д. при использования сорбента на основе обогащенной глины и расходе сточной воды 5 м3/ч составляет 53,4 тыс.руб (в ценах мая 2009 г.).
Автор защищает полученные в итоге выполнения работы новые результаты в виде:
- способов получения сорбентов для сточных вод, имеющих различный уровень загрязнения, с последующей утилизацией отработанных сорбентов;
Апробация работы.. Материалы диссертации доложены на I, И, III Всероссийских научных конференциях с международным участием "Сорбенты как. фактор качества жизни и здоровья" (Белгород - 2004 г., 2006 г., 2008 г.); Российско-немецком« семинаре «Проблемы загрязненных промышленных площадок, опыт их санации и ревитализации» (Белгород, 2005г.); X Международной' конференции- РАН «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и' хроматографии» (Москва, 2006 г.); Российской школе- конференции! молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктур- ные материалы и покрытия; медицинского назначения» (Белгород, 2006 г.); Международной» молодежной научно-практической конференции "130 лет БелГУ и 40 лет Биолого-химическому факультету" (Белгород, 2006 г.); Международной шаучно- технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Инновационные исследования в сфере критических технологий" (Белгород, 2007 г.).
Результаты работы использованы при проведении лабораторных исследований в испытательной лаборатории качества вод МУП "Горводоканал" г. Белгород и в ОАО «РЖД» локомотивное депо г. Белгорода Ю.-В.ж.д.
По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Автор выражает благодарность: научному руководителю, д-ру техн. наук, профессору Везенцеву А. И. за обучение, поддержку, внимание при обсуждении, работы; доценту кафедры общей химии Белгородского государственного университета; канд. техн. наук Трубицыну М. А., доценту кафедры общей химии Белгородского1 государственного университета Перистой,Л. Ф. за творческое сотрудничество; д-ру техн. наук, профессору Белгородского государственного технологического университета им. В: Г. Шухова Шаповалову Н. А., канд. техн. наук, профессору БГТУ им. В. Г. Шухова Слюсарю А. А., д-ру техн. наук, проф., научному консультанту ООО «Экохим—2000» Чистякову Б. Е. за ценные советы и замечания по работе; руководителю лаборатории рснтгеноструктурного анализа БГТУ им. В. Г. Шухова, канд. техн. на
ук |Шамшурову В. М., канд. техн. наук, доценту БГТУ им. В. Г. Шухова До- роганову Е. А., заведующему кафедрой прикладной химии, доктору химических наук, профессору Ольденгбурского университета (Германия) Франку Рёсснеру, начальнику испытательной лаборатории качества вод МУП "Гор- водоканал" Синюк Л. И. за содействие, оказанное при выполнении диссертационной работы.
Похожие диссертации на Модифицирование монтмориллонитсодержащих глин для комплексной сорбционной очистки сточных вод
