Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Состояние водных объектов в мире и Российской Федерации 10
1.2. Методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (Fe~ ,Fe3+, Zn2+) 14
1.2.1. Сорбционная очистка сточных вод 14
1.2.2. Агрегация примесей воды 22
1.2.3. Очистка сточных вод реагентными методами 27
1.2.4. Ионообменная очистка сточных вод 31
1.3. Характеристика сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами 33
1.4. Соединения тяжелых металлов, содержащихся в водных системах 34
1.4.1. Физико-химические свойства тяжелых металлов, содержащихся взводных системах 34
1.4.2. Токсикологическая характеристика тяжелых металлов 38
1.5. Накопление шлаков металлургических комбинатов и способы их переработки 42
1.6. Обоснование необходимости разработки эффективного способа очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов 44
Глава 2. Экологический мониторинг поверхностных водных объектов и контроль сточных вод предприятий Белгородской области
2.1. Характеристика наблюдательной сети за количественными и качественными показателями водных объектов, состоянием их русел и берегов в Белгородской области 46
2.2. Мониторинг водных объектов 48
2.3. Экологический контроль сточных вод предприятий 54
2.4. Влияние сточных вод предприятий на гидрохимический режим водных объектов 55
Выводы к главе 2 56
Глава 3. Объекты и методы исследований 58
3.1. Объекты исследования 58
3.1.1. Модельные растворы 58
3.1.2. Образование и химический состав сточных вод ООО «Завод- Новатор» 59
3.1.3. Образование и химический состав шлака АКОС ОЭМК 59
3.2. Методы исследований 61
3.2.1. Методики определения физико-химических свойств шлака 61
3.2.2. Адсорбционные исследования 67
3.2.3. Методика проведения процесса очистки растворов, содержащих ионы тяжелых металлов (Fe2+, Fe3+, Zn2+) 68
3.2.4. Методика изготовления образцов керамзита с добавлением шлама водоочистки 69
Выводы к главе 3 70
Глава 4. Анализ физико-химических свойств шлака и влияния технологических факторов на процесс очистки 72
4.1. Анализ физико-химических свойств шлака 72
4.2. Влияние технологических факторов на эффективность очистки модельных растворов 87
4.3. Исследование состава раствора в равновесии шлак - раствор 95
4.4. Образование активной кремнекислоты (АК) при растворении шлака 98
4.5. Адсорбционные исследования 106
4.6. Исследование комплексного влияния различных технологических факторов на эффективность очистки 112
4.7. Предполагаемый механизм очистки 114
Выводы к главе 4 119
Глава 5. Разработка технических рекомендаций и схемы очистки сточных вод, утилизация шлама водоочистки 120
5.1. Исследование процесса очистки сточных вод в производственных условиях с использованием шлака АКОС ОЭМК 120
5.2. Разработка технических рекомендаций и схемы процесса очистки сточных вод 122
5.3. Исследование утилизации шлама в качестве порообразующей добавки для производства керамзита 123
Выводы к главе 5 130
Глава 6. Эколого-экономический анализ снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду в результате утилизации отходов 131
6.1. Расчет капитальных затрат на внедрение метода очистки 131
6.2. Расчет предотвращенного экономического ущерба от загрязнения водохозяйственного участка и загрязнения почв твердыми отходами 133
6.3. Расчет экономической эффективности комплекса водоохранных мероприятий 137
6.4. Расчёт эколого-экономической эффективности разработки введения шлама в керамзит 138
Выводы к главе 6 139
Выводы 140
Библиографический список 142
Приложения 157
- Физико-химические свойства тяжелых металлов, содержащихся взводных системах
- Влияние сточных вод предприятий на гидрохимический режим водных объектов
- Методика изготовления образцов керамзита с добавлением шлама водоочистки
- Исследование комплексного влияния различных технологических факторов на эффективность очистки
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время работа гальванических производств характеризуется потреблением большого количества природных вод и значительными объемами образующихся сточных вод (СВ), содержащих соединения тяжелых металлов (ТМ), что наносит огромный ущерб окружающей среде.
Очистку сточных вод гальванических производств, содержащих тяжелые металлы, можно осуществлять различными способами: реагентным, биологическим, электрохимическим, сорбционным, физической обработкой (СВЧ, УФ- и ИК-излучением) и др., отличающимися по эффективности и экономическим затратам. Многие из них не получили широкого распространения по причине высокой стоимости реагентов. В то же время в ряде производств образуются твердые крупнотоннажные отходы, со свойствами, позволяющими использовать их в водоочистке.
Перспективным представляется использование шлака ОАО "Оскольский электрометаллургический комбинат" (ОАО "ОЭМК", г. Старый Оскол), образующегося после агрегата комплексной обработки стали (АКОС), для очистки сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов: Fe2+, Fe3+, Zn2+. Шлак представляет собой тонкодисперсную систему сложного химического состава с содержанием оксида кальция до 60%, и при очистке воды от ионов тяжелых металлов может выступать в двойственной роли: как реагент и как сорбент. Ежегодно образуется около 100 тыс. т шлака АКОС в отвалах, отчуждающих плодородные земли. Поэтому задача разработки экономически эффективных и экологически безопасных способов очистки сточных вод гальванических производств является актуальной.
Цель работы. Установление физико-химических особенностей очистки сточных вод гальванических производств от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+ шлаком электросталеплавильного производства. Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
Определение качественного и количественного состава и физико-химических свойств шлака АКОС ОЭМК.
Оценка реагентно-сорбционной способности шлака при различных параметрах технологического процесса.
Выявление механизма очистки сточных вод гальванических производств с использованием шлака АКОС ОЭМК.
Создание технологической схемы процесса очистки сточных вод гальванических производств от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+.
Разработка способа утилизации образующегося осадка.
Методы исследования: рентгено-фазовый анализ, фотоколориметрия, рен-тгено-спектральный анализ, эмиссионная спектроскопия, методы математической статистики.
Научная новизна работы:
Обоснована теоретически и доказана экспериментально возможность использования шлака АКОС ОЭМК для очистки сточных вод гальванических производств от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+, основанная на протекании коллоидно-сорб-ционных и реагентных процессов.
Выявлена взаимосвязь между рН водной среды, удельной поверхностью, физико-химическими и реагентными свойствами модифицированного шлака при очистке сточных вод, заключающаяся в возрастании удельной поверхности на 33% и сорбционной емкости в 1,4 раза по сравнению с исходным шлаком. Удаление тяжелых металлов происходит в результате сорбции и соосаждения их гидроксидов, полнота которого зависит от рН сточных вод гальванических производств и свойств самих металлов.
Экспериментально установлены кинетические закономерности снижения концентрации ионов металлов в растворе при очистке разработанным способом. Рассчитаны константы адсорбции и термодинамические параметры изотерм адсорбции, которые подтверждают специфическую природу адсорбции ионов металлов на поверхности шлака и поликремниевой кислоты.
Практическая значимость работы: Найдены условия проведения процесса очистки сточных вод от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+. На примере сточных вод гальванических производств, содержащих ионы железа (II, III) и цинка, показано, что эффективность использования шлака сопоставима с традиционно используемыми реагентными и сорбционными методами.
Разработан и апробирован в производственных условиях способ очистки сточных вод гальванических производств от ионов Fe2+, Fe3+ и Zn2+ шлаком АКОС ОЭМК. Показано, что степень очистки при использовании шлака составляет 95% для ионов Fe2+, 99% - для Fe3+ и 93% - для Zn2+.
Изучено влияние различных технологических факторов на очистку железо- и цинксодержащих сточных вод. При этом установлено, что массовое соотношение "сорбент-сорбат" для ионов Fe2+, Fe3+ и Zn2+ составляет 35, 30 и 19 соответственно. Длительность перемешивания 15 мин, при этом эффективность очистки в интервале температур от 10 до 40С изменяется незначительно.
Разработаны рекомендации по утилизации шлама водоочистки в производстве керамзита.
Внедрение результатов исследований: Результаты работы нашли применение для совершенствования существующих очистных систем и технологий очистки сточных вод гальванических производств (линии цинкования, меднения и др.) ООО "Завод-Новатор" (г. Белгород), что подтверждено актом, приложенным к диссертации.
Достоверность полученных результатов: обеспечивается применением апробированных экспериментальных методик и метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов, а также корректной оценкой погрешности экспериментальных данных и их удовлетворительным совпадением с производственными результатами.
Личный вклад автора: состоит в проведении экспериментальных иссле-
дований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований качественного и количественного состава и физико-химических свойств шлака АКОС ОЭМК.
Кинетические закономерности снижения концентрации ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+ при очистке гальванических стоков разработанным способом.
Экспериментальная модель, устанавливающая взаимосвязь параметров очистки растворов от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+ шлаком АКОС ОЭМК.
Механизм очистки сточных вод гальванических производств от ионов Fe2+, Fe3+, Zn2+, основанный на протекании реагентно-сорбционных и коагуля-ционно-флокуляционных процессов.
Способ утилизации осадка водоочистки при производстве керамзита в качестве порообразующей и упрочняющей добавки.
Апробация работы. Основные результаты были доложены на следующих конференциях и конгрессах: Международная научная конференция "Геосистемы: Факторы развития, рациональное использование, методы управления" (Туапсе, 2008 г.); IV Международная научно-практическая конференция "Интеграционные процессы и инновационные технологии в мировом и национальном измерении. Достижения и перспективы технических наук" (Харьков, 2008 г.); V Международная научно-практическая конференция при участии молодых ученых и студентов "Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов" (Харьков, 2010 г.); XII Международная научно-практическая конференция "Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность" (Кемерово, 2010 г.); IV Международная научно-практическая конференция "Экология: образование, наука, промышленность и здоровье" (Белгород, 2011 г.), 6-я Всероссийская научно-техническая конференция "Вузовская наука - региону" (Вологда, 2008 г.).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 10 публикациях в виде 6 тезисов докладов, 4 статей, в том числе 3 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включающего 33 таблицы, 57 рисунков и фотографий, список литературы включает 151 наименование.
Физико-химические свойства тяжелых металлов, содержащихся взводных системах
К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Сг, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на.настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов [75]. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см . Таким образом, к тяжелым металлам относятся РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg [76]. Формально определению «тяжелые металлы» соответствует большое количество элементов. В прикладных работах к числу ТМ чаще всего добавляют PI, Ag, W, Fe, An, Mn, Fe.
Для ТМ характерна, аналогично нефтепродуктам и ПАВ, локализация в поверхностной пленке воды толщиной несколько десятков микрон. В водах океана на глубине несколько сантиметров от поверхности концентрация металлов на 2-3 порядка меньше, чем в поверхностном слое [75].
В виде оксидов и гидроксидов металлы адсорбируются коллоидными частицами, находящимися в водоеме. В большом количестве тяжелые металлы скапливаются в донных осадках. Распределение металлов между водной фазой и донными осадками зависит от значения рН. Большинство металлов (медь, хром, свинец, цинк, кадмий, ртуть) осаждаются при рН = 6-7 в виде гидроксидов, карбонатов, фосфатов, сульфидов; попадая в донные отложения. В табл. 1.6 приведены значения рН осаждения гидроксидов ТМ и основные константы.
При снижении рН, особенно при недостатке растворенного кислорода, и в присутствии органических лигандов происходит переход металлов из грунта в воду. Трансформация некоторых металлов возможна под влиянием биохимических систем организмов. Микроорганизмы способствуют окислительно-восстановительным превращениям соединений хрома, кобальта, мышьяка и др [76]. Особое значение для некоторых металлов (Hg, Sn, Pd, Pt, Au, Ag, Ті) приобретает метилирование, то есть процесс образования метилпроизводных при участии микроорганизмов.
Катионы металлов в водном растворе претерпевают превращения вследствие гидратации и комплексообразования: Комплексообразование приводит к присутствию в растворах металлов в одно и то же время в катионной и анионной форме. По мере удаления одной, формы равновесие сдвигается в сторону ее образования [78].
Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Для аквокомплексов. многих металлов характерен гидролиз в водных растворах с образованием гидроксокомплексов и Н30+:
Повышение рН среды способствует" гидролизу аквокатионов, а, при достижении определенного значения рН могут образовываться и нейтральные гидроксиды металлов: Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов, зависят от форм существования их в водной экосистеме [79].
Так, хелатные формы Си, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы [80]. Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими- видами загрязнения, например с закислением (кислотные осадки способствуют снижению значения рН» и переходу металлов из сорбированного на- минеральных w органических веществах состояния в свободное) [79].
В-природных.водах атомы тяжелых металлов присутствуют в различных ионных и молекулярных формах. Выделяют три формы, в которых атомы тяжелых металлов мигрируют в водных средах: истинно растворенная, взвешенная и коллоидная. Валентное состояние атомов этих элементов и формы их соединений в природных водах определяются совокупностью различных факторов и процессов (химических и биотических, гидрологических и гидродинамических). Наиболее важными химическими процессами являются окисление; восстановление, гидролиз и комплексообразование. В окислении и восстановлении лидирующую роль играют энзиматические реакции в клетках микроорганизмов, принадлежащих к различным таксономическим группам [80]. Гидролитические процессы приводят к образованию;моно- и полиядерных гидроксокомплексов: Интенсивность гидролиза зависит: от общей концентрации атомов металлов в воде, рН.средьги конкурирующих процессов. Многие двухвалентные металлы образуют устойчивые .при- рН= = 5-11 гидроксокомплексы типа [Ме(0Н)]+, [Ме(ОН)2]!, [Ме2(ОН)]3+, [Ме2(ОН)6]2". Лигандами в- комплексах могут быть не только анионы гидроксила, но и 0-4 молекулы воды,[Ме(Н2Об)} или другие доступные выданной среде анионы -[Ме(НС03)]+, [Ме(СОз)], [Ме(Н20)5 С1]+ [81] .
Железо в воде образует сложные комплексы соединений в і различных состояниях: растворенном, коллоидном; взвешенном. Большое; количество железа поступает в воду из сточных вод; металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками. В питьевой воде железо может содержаться также из-за плохого состояния водопроводов и применения коагулянтов, содержащих железо [82].
Влияние сточных вод предприятий на гидрохимический режим водных объектов
Для исследований использовались модельные растворы, содержащие загрязняющие компоненты.
Для приготовления модельных растворов, содержащих1 ионы Fe2+, Fe + и Zn" , использовали государственные стандартные образцы состава веществ (ГСО) (табл. 3.1).
В работе были использованы сточные воды, поступающие на очистные сооружения ООО «Завод-Новатор» г. Белгорода. В процессе производства металлоизделий осуществляются операции, при которых образуются кислые гальванические стоки, объединяющие промывные воды после всех ванн (никелирования, цинкования, меднения, лужения, оловянирования, обезжиривания, травления), в результате чего образуются сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов. Расход сточных вод предприятия составляет 105,2 м /сут, из них 44,1 м /сут (42 %) - производственно-загрязненные. Концентрация ионов железа Fe2+, Fe3+ и ионов Zn2+ в сточных водах составляет 6,5, 9,7 мг/л и 0,89 мг/л соответственно (табл. 3.2).
Шлаком является неметаллический продукт, состоящий, главным образом, из силикатов кальция и других оснований, которые образуются в условиях выплавки железа в шахтных печах. В производстве железа электросталеплавильную печь загружают железной рудой, флюсовой добавкой (обычно известняком или доломитом) и коксом в качестве горючего и восстановительного агента. Железная руда представляет собой смесь оксидов железа, кремния и алюминия. Из них и добавленного флюса - карбонатов щелочно-земельных металлов, образуется плавильный шлак и железо. Кислород предварительно нагретого воздуха, закачиваемого в печь, взаимодействует с углеродом кокса, образуя необходимое тепло и окись углерода. В это же время железная руда восстанавливается до железа, главным образом, по реакции оксида углерода с оксидом железа с образованием диоксида углерода (ССЬ) и металлического железа. Флюсовая добавка распадается на оксиды кальция и магния и диоксид углерода, оксиды кальция и магния взаимодействуют с оксидами кремния и алюминия и образуют шлак. Шлак транспортируют в шлаковую яму, непосредственно или с использованием железных шлаковых чаш, в зависимости от расстояния между ямой и печью.- Воздушно-охлажденный шлак получают, медленно охлаждая шлак на воздухе [110, 111].
Для исследований был взят шлак агрегата комплексной обработки стали (АКОС) Оскольского электрометаллургического комбината, химический состав которого характеризуется повышенным содержанием оксидов кальция и магния. Исследуемый шлак относится к группе самораспадающихся основных металлургических шлаков.
Анализ состава шлака на содержание оксидов выполнен рентгено-спектральным методом. В табл. 3.3 представлены средние значения со стандартными отклонениями содержания основных компонентов шлака, полученные обработкой данных 100 плавок с помощью программы Statistika 6.0.
Степень гидравлической активности шлака; может быть в некоторой мере охарактеризована модулем основности и модулем активности. Модуль основности шлака М0 представляет собой отношение содержащихся в нем основных окислов (%) к сумме кислотных окислов. Модуль основности 1,7-2,0. Кроме исследований химического состава, проводилось определение некоторых физико-химических свойств шлака: размера частиц шлака, его удельной поверхности, суммарного объема пор, рН водной вытяжки, агрегативной устойчивости суспензии и др: Гранулометрический состав шлака определялся при помощи ситового и микроскопического методов анализа. рН водной вытяжки определяли после 3-минутного кипячения 5 г тонкоразмолотой пыли шлака в 50 см дистиллированной воды с обратным холодильником с последующим охлаждением и фильтрованием суспензии через бумажный фильтр (тип «синяя лента»). Методика проведения качественного рентгенофазового анализа. Минералогический состав исследовался с помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре "ДРОН-2,0" с Си -излучением ( -1,542 А) и никелевом фильтре по методике, приведенной в работе [113]. Съемку вели со следующими параметрами: напряжение 27 кВт; анодный ток 27 тА; высота освещенной части образца 10 мм; диапазон измерений 2000, 4000 и 10 000 имп/с; скорость движения счетчика 1 об/мин. Запись производили ионизационным счетчиком типа МСТР-4 при углах от 5 до 64. Промер дифрактограмм осуществлен компараметром РК-ЗА. Качественный фазовый анализ проводился путем сравнения межплоскостных расстояний и их интенсивности, полученных при расшифровке рентгенограмм с табличными данными [114, 115]. Методика определения размеров частиц методом светорассеяния. Гранулометрический анализ (измерение распределений по размерам частиц в дисперсных средах) является одной из важнейших составляющих.современных производств и научных разработок. Принцип измерения основан на том, что лазерный пучок освещает кювету, через которую прокачивается суспензия частиц. Рассеянное частицами излучение регистрируется под разными углами с помощью высокочувствительного многоэлементного детектора — фотодиодной матрицы [116]. Суспензия, частиц создается введением исследуемого объекта (в виде порошка) в заполненную жидкостью камеру центробежного насоса, где в условиях воздействия ультразвука осуществляется тщательное перемешивание. Пропущенная через кювету суспензия вновь. поступает в камеру насоса. За время эксперимента все частицы многократно проходят через световой пучок.
Методика изготовления образцов керамзита с добавлением шлама водоочистки
Определение железа (П), (III). Метод основан на образовании солей железа с сульфосалициловой кислотой окрашенных комплексных соединений, причем в слабокислой среде сульфосалициловая кислота реагирует только с солями железа (III) (красное окрашивание), а в слабощелочной среде - с солями железа (II) и (III) (желтое окрашивание) [125].
Определение цинка. Колориметрический метод основан на образовании окрашенного в красный цвет соединения цинка с дитизоном с дальнейшим извлечением дитизоната цинка в слой четыреххлористого углерода (при рН 4,5 -4,8) [126].
Определение кремниевых кислот. Фотоколориметрическое определение кремниевой кислоты основано на образовании желтой кремнемолибденовой гетерополикислоты при взаимодействии в кислой области (рН 3) изополимолибдатных анионов с кремниевой кислотой [127].
По теории, порообразования глины сам процесс порообразования состоит из 2-х стадий: первая. - спекание с образованием закрытых пор, вторая -собственно порообразование под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры [128, 129]. Сумма таких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гранулы и обуславливает общий процесс порообразования всей гранулы. Основными факторами, обуславливающими газовыделение в, глине, как можно считать установленным, являются реакции разложения и восстановления оксидов железа при их взаимодействии с органическими примесями или добавками в глины, а также химически связанная, вода глинистых минералов. Схема восстановительных реакций может быть представлена следующими уравнениями:
Влияние этих реакций на порообразование подкрепляется тем, что глины, которые в природном состоянии содержат значительное количество железистых и органических примесей, хорошо вспучиваются. Как известно, добавка в глину железистых примесей, а также органических веществ увеличивает способность глин вспучиваться. В качестве порообразующей добавки для производства керамзита предлагается использовать осадок, образующийся после очистки сточных вод и содержащий ионы Fe2+, Fe3+ и Zn+2, что позволяет увеличить коэффициент порообразования исходной глины (с 1,2 до 1,4).
В лабораторных экспериментах по получению керамзита с добавкой осадка сточных вод, содержащего ионы Fe2+, Fe3+ и Zn+2, образцы готовились следующим образом. Глинистое сырьё высушивалось при 105- С до постоянной массы, измельчалось и просеивалось через сито с d = 1 мм. Полученный глиняный порошок смешивался с влажным осадком (в количестве 5%, 10%, 15%и20%в составе шихты), смесь тщательно перетиралась. Далее готовилось тесто нормальной густоты (формовочная влажность 20 %) и формовались вручную, гранулы размером —15 мм. Сушка сырых гранул осуществлялась по следующей схеме: при 40 С - 8 ч.; при 105 С — 8 ч. Обжиг гранул проводился при температуре 900 С в течение 1 ч. По завершении обжига обожжённые гранулы помещали в термошкаф на 30 мин. при 300 С, далее охлаждение продолжалось при комнатной температуре. Состав керамических масс представлен в таблице 3.5.
Для исследования выбранных объектов (модельные растворы, сточные воды ООО «Завод-Новатор») использованы стандартные тестированные методики. Используемое в работе оборудование и приборы имели высокие классы точности и не вносили погрешности в измерения. В постановке эксперимента применяли химические реактивы марок «хч» и «чда». Для обоснования механизма протекания реакций в диссертационной работе были использованы взаимодополняющие физико-химические методы исследования: ИК-спектроскопия, электронная микроскопия, фотоколориметрия, оптическая микроскопия и др.
Исследование комплексного влияния различных технологических факторов на эффективность очистки
Преимущество предлагаемой добавки заключается в повышении качества исходной глины, простоте приготовления исходной глинистой шихты (нет необходимости в специальной подготовке добавки, в упрощении технологии получения керамзита), добавка хорошо совмещается как с шихтой, так и с глинистым тестом, благодаря чему получаемый керамзит более однороден по составу. Кроме этого, решается важная экологическая проблема утилизации отхода - шлама водоочистки, содержащего ионы цинка и железа.
Добавляемый осадок целесообразно вводить в глиномешалку во влажном виде.
Анализируя полученные экспериментальные данные, представленные в таблице 5.3, можно сделать вывод о том, что увеличение содержания осадка после очистки сточных вод, содержащего ионы Fe2+, Fe3+ и Zn+2 в количестве до 15 % приводит к росту прочности изделий. Дальнейшее увеличение добавки ухудшает прочностные свойства изделий, уменьшается объемный насыпной вес, а водопоглощение остаётся в среднем постоянным. Оптимальной является добавка шлама в количестве 10 % от массы сырья.
Таким образом, проведённые исследования свидетельствуют о том, что осадки сточных вод, содержащие в своем- составе ионы Fe2+, Fe3+ и Zn+2 , с успехом можно использовать в качестве порообразующей добавки в составах керамических смесей в количестве 10%.
Проведены оптические исследования микроструктуры образцов с использованием оптического микроскопа «БИОЛАМ» в отражённом и проходящем свете. Масштаб фотоснимка равен общему увеличению системы применяемых объективов и окуляров. При фотографировании использовался окуляр 10х, объектив 9x0,2; объект - микрометр с ценой деления, равной 10 мкм = 0,01 мм. В целом увеличение на микрофотографиях определяется путём деления размера кристалла по фотоснимку (определяемого линейкой) на истинный размер того же кристалла, предварительно измеренный под микроскопом с помощью окуляр-микрометра. В нашем случае увеличение составляет 1850 раз. На рис. 5.5 представлены микрофотографии образцов глины без и с добавками шлама с различной навеской: чистой обожжённой глины (а); обожжённой глины с добавкой 5 % осадка (б); обожжённой глины с добавкой 10 % осадка (в); обожжённой глины с добавкой 15 % осадка (г) в отражённом свете.
Сравнение микрофотографий позволило установить, что при добавлении небольших количеств шламовых осадков сточных вод (-10 %) происходит незначительное порообразование глинистой породы; увеличение концентрации шлама до 15 % приводит к увеличению стекломассы на поверхности частиц глинистого тела, что отрицательно влияет на процесс образования сферических пор, а следовательно, и на качество получаемого керамзита.
На основании проведённых физико-химических и микроскопических исследований можно утверждать, что целесообразно введение шлама водоочистки в качестве добавки в глинистое сырьё при производстве керамзита в количестве 10 %.
Поскольку основным условием использования осадков сточных вод, содержащих ионы Fe"+, Fe3+ и Zn+2, в производстве строительных изделий, в частности керамзита, является абсолютная гигиеничность,, экологическая безопасность для окружающей среды и здоровья человека, необходимо исследовать процесс выщелачивания тяжелых металлов из-керамических матриц.
Отделочные строительные материалы, полученные с использованием осадков сточных вод, в процессе эксплуатации могут контактировать с агрессивными, средами (например; кислотные дожди). Поэтому качество строительных материалов должно быть таким, чтобы концентрация вредных веществ в экстракте в наиболее экстремальных условиях не превышала ПДК этихзеществ в воде [148].
Анализ с точки зрения экологических последствий разнообразных методов утилизации шламов тяжелых металлов показывает,.что преимущество следует отдать тем вариантам, в которых обязательно присутствуют операции, предусматривающие трансформацию соединений Tlvfc в нелетучие и водонерастворимые фазы. При формовании керамических изделий к числу таких операций относится их обжиг.
Контроль экологической безопасности полученных керамических образцов с Fe2+, Fe+ и Zn+2 осуществляли путем экстрагирования последних из измельченной пробы керамики в кислой среде (рН = 4), создаваемой добавлением раствора ЇМ НС1 и дистиллированной воды при 100 С в течение 8 ч с последующим фотометрическим анализом полученного экстракта.
Экспериментальные данные свидетельствуют о значительной стойкости измельченных керамических масс к выщелачиванию в кислой среде. Степень выщелачивания, которая оценивалась концентрацией FeoGut и Zn+2 в экстракте, с увеличением продолжительности экспозиции снижается. Причем концентрация єобиі и Zn+2 в экстракте незначительно (табл. 5.4), и меньше их ПДК в воде.
