Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивная разработка земных недр привела человечество на грань истощения запасов кондиционного минерального сырья. Горно-перерабатывающая промышленность оказалась перед необходимостью вовлечения в переработку некондиционных руд с высоким содержанием примесей, которые в процессе добычи, обогащения, металлургической переработки концентрируются в сточных водах, хвостах обогащения, технологических растворах и отвальных продуктах. Особую проблему представляют соединения мышьяка (As), которые являются постоянной примесью в сырье тяжелых, цветных и благородных металлов. Так, в сульфидных золотоносных рудах содержание мышьяка достигает 20%. Извлечение мышьяка из недр, как попутного примесного компонента руд, в 40-50 раз превосходит сегодняшний уровень его потребления в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Это приводит к созданию громадных запасов мышьяксодержащих отходов, которые не находят практического применения и загрязняют окружающую среду, в особенности гидросферу. Значительному загрязнению подвергаются регионы Якутии, Сибири, Забайкалья, Средней Азии, Казахстана, Урала, Кавказа и Чукотки, где расположены основные месторождения, содержащие мышьяк, и предприятия по переработке данного минерального сырья. Оборотное водоснабжение и очистные сооружения на гор-но-перерабатывающих предприятиях полностью не устраняют сброс сточных вод и мышьяк в концентрациях, во много раз превышающих санитарные нормы, попадает в грунтовые и поверхностные воды. Соединения мышьяка токсичны и обладают канцерогенным действием. В водных системах As находится преимущественно в виде арсенатов (V) и арсенитов (III). Соединения As (III) более опасны и, как правило, сложнее удаляются из воды, чем соединения As (V). Поэтому при очистке сточных вод предпочтительнее осаждать мышьяк в пятивалентной форме.
В настоящее время согласно российским нормативам предельно-допустимая концентрация (ПДК) As в водных объектах хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения составляет 0,05 мг/дм3. Вместе с тем, согласно Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) с 2000 г. рекомендовано ужесточение данных требований - нормативная концентрация этого элемента в гидросфере должна составлять не более 0,01 мг/дм3.
Учитывая токсичность соединений мышьяка и ограниченный спрос на них, технологии обезвреживания мышьяксодержащих вод должны обеспечивать:
- получение растворов, удовлетворяющих санитарным нормам;
- концентрирование As в малотоксичные и труднорастворимые
осадки, пригодные для захоронения.
В мировой практике, для удаления мышьяка опробованы практически все существующие методы очистки воды, но их использование не позволяет в полной мере удовлетворить указанным выше требованиям.
В последнее время проявляется повышенный интерес к сорбци-онным технологиям с использованием природных материалов, как наиболее перспективным за счет их сравнительно высоких сорбцион-ных свойств, высокого потенциала потребительских характеристик и низкой стоимости. Таким образом, поиск и изучение новых природных сорбентов и окислителей, способных обеспечить высокий эффект очистки сточных вод горно-перерабатывающих предприятий от соединений мышьяка, является весьма актуальной природоохранной задачей.
В ряде работ сотрудников Института горного дела СО РАН приводятся данные о высоких сорбционных свойствах природного минерала класса гидроокислов - брусита по отношению к ионам тяжелых металлов, а также окислительных свойствах природного окисного минерала псиломелана по отношению к ионам железа и марганца.
В связи с этим целью диссертационной работы является исследование сорбционных и окислительных свойств природных минералов (брусита и псиломелана) и поиск способов усиления этих свойств применительно к решению вопроса удаления соединений мышьяка из сточных вод горно-перерабатывающих предприятий.
Работа выполнена в рамках тематических планов научно-исследовательских работ ИГД СО РАН и при поддержке РФФИ (проекты № 07-05-00571 и № 10-05-00492).
Исходя из цели работы, поставлены следующие задачи:
изучение сорбционных свойств брусита в статических и динамических условиях по отношению к трех- и пятивалентному мышьяку;
исследование способов повышения сорбционных характеристик брусита по отношению к соединениям мышьяка;
определение механизма взаимодействия соединений мышьяка (III) и (V) с бруситом, исследование стабильности полученных осадков при хранении;
изучение окислительных и сорбционных свойств марганцевого минерала псиломелана по отношению к соединениям мышьяка (III);
разработка технологической схемы сорбционного удаления соединений мышьяка из сточных вод с использованием природных минералов.
Методы исследований. Исследования сорбционных и окислительных свойств минералов проводили в статических и динамических
условиях. В работе использовали методы атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой, ИК-Фурье и рентгено-флуоресцентной спектроскопии, электрофоретического рассеяния света с использованием технологии M3-PALS, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, капиллярного электрофореза. Математическую обработку полученных результатов экспериментов осуществляли с помощью пакета Microsoft Excel.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Очистка сточных вод от соединений мышьяка и получение труднорастворимых осадков, пригодных для захоронения, достигается в процессе сорбции на брусите.
-
Предварительная термическая обработка природного брусита обеспечивает:
значительное повышение его сорбционной емкости по отношению к соединениям мышьяка;
сокращение расхода сорбента в статических условиях;
увеличение длительности фильтроцикла в динамических условиях.
-
Псиломелан обладает по отношению к соединениям мышьяка окислительными и сорбционными свойствами.
-
Использование псиломелана в сорбционной технологии для окисления соединений трехвалентного мышьяка до пятивалентного с последующей сорбцией на брусите обеспечивает более полное удаление соединений мышьяка.
Новизна научных положений:
впервые исследован в качестве материала для сорбционного удаления соединений мышьяка из сточных вод природный минерал класса гидроокислов брусит и показана его высокая эффективность;
установлены основные зависимости сорбционных показателей брусита по отношению к соединениям мышьяка (III) и (V) от физико-химических факторов;
выявлены окислительные и сорбционные свойства природного марганцевого минерала псиломелана по отношению к соединениям трехвалентного мышьяка.
Достоверность полученных результатов, подтверждается использованием современного оборудования и поверенных приборов, проведением исследований по стандартным методикам, представительным объемом лабораторных исследований на модельных растворах и реальных сточных водах.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- выявлен эффективный природный сорбент и окислитель для
глубокой очистки сточных вод от соединений мышьяка с получением
малотоксичных и труднорастворимых осадков, пригодных к захоронению;
- разработана и запатентована технологическая схема для сорб-ционной очистки сточных вод от мышьяка с использованием брусита и псиломелана.
Личный вклад автора заключается в постановке цели, формулировке задач, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в работе, докладывались на «Научно-технических конференциях НГАСУ» (г. Новосибирск, 2007-2013 гг.), «XII международном симпозиуме имени ак. М.А. Усова студентов и молодых ученых (г. Томск, 2008), конференциях с иностранным участием «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (г. Новосибирск, 2008, 2010, 2012), научном симпозиуме «Неделя горняка-2010» (г. Москва, 2010), «Пятой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле» (г. Новосибирск, 2010), международных совещаниях «Плаксинские чтения» (г. Новосибирск, 2009; г. Верхняя Пышма, 2011), 8-й международной научно-практической конференции «Оборудование для обогащения рудных и нерудных материалов. Технология обогащения» (Новосибирск, 2011), Всероссийской научной конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Горняцкая смена - 2013» (Новосибирск, 2013).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации изложены в 22 работах, в том числе в 5 статьях в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК. Кроме того, получен один патент на изобретение РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах, включает 32 рисунка и 22 таблицы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Список литературы содержит 163 библиографические ссылки.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н. С.А. Кондратьеву, а также д.т.н., проф. Г.Р. Бочкареву, с.н.с, Г.И. Пушкаревой и всему коллективу лаборатории обогащения полезных ископаемых и технологической экологии Института Горного дела СО РАН за оказанную помощь при подготовке диссертации.
