Введение к работе
Актуальность работы. Одним из главнейших природных ресурсов, требующим основного внимания является гидросфера. Источниками губительного воздействия на водные объекты являются все сферы человеческой деятельности, сопряженные с использованием воды. Огромный вклад в общий объем загрязнений, поступающих в водные ресурсы, вносит промышленное производство алюминия. Сточные воды, образующиеся в результате их деятельности характеризуются содержанием высокотоксичных фторид-ионов, относящиеся к 3-му классу опасности.
Как известно, основным фактором, влияющим на выбор технологии очистки – это высокая эффективность ее работы при минимальных экономических затратах.
На сегодняшний день высокая степень очистки промышленных сточных вод от фторид-ионов может быть достигнута лишь при использовании энергозатратного, дорогостоящего импортного водоочистного оборудования, что снижает в десятки раз технико-экономические показатели работы предприятия.
Целесообразно применять такие технологии, которые позволяют:
– возвращать очищенную воду в производственный цикл;
– извлекать фторид-ионы и использовать содержащие их соединения в качестве вторичного сырья;
– применять в процессе очистки экономически доступные методы и материалы.
На обозначенных производствах существуют также проблема утилизации и дальнейшей переработки образующихся отходов. В частности, на заводах по производству алюминия образуются отходы, которые, исходя из их химического состава, могут являться ценным сырьем для получения фильтрующих, сорбционных материалов.
Поэтому актуален вопрос разработки технологии очистки промышленных сточных вод, позволяющий решить обозначенные технические, экономические и экологические проблемы.
Цель работы – разработка эффективной технологии очистки промышленных фторсодержащих сточных вод с применением материалов, полученных из отходов соответствующего производства.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
– обосновать целесообразность применения сорбционного метода с использованием сорбента из отхода алюмопроизводства;
– изучить механизм сорбции фторид-ионов полученным сорбентом;
– исследовать влияние величины соотношения концентраций ионов фтора и конкурирующих анионов, в частности, бикарбоната и сульфата на степень очистки фторсодержащих сточных вод (ФСВ);
– установить влияние на эффективность сорбционной очистки направления потока очищаемой воды;
– исследовать и сформулировать условия регенерации отработанного алюмосорбента фторид-ионов (АСФ);
– исследовать условия образования AlF3 на поверхности сорбента и определить элюент, способный эффективно осуществлять десорбцию фторид-иона;
– исследовать условия получения криолита из отработанного сорбента;
– доказать целесообразность получения криолита на основе фторид-ионов, содержащихся в сточных водах;
– разработать малоотходную технологию обесфторивания сточных вод с замкнутым циклом.
Основная идея работы – извлечение фторид-ионов из сточных вод композиционным сорбентом, полученным из отходов алюмопроизводства.
Объект исследований – факторы, влияющие на эффективность процесса сорбционной очистки фторсодержащих сточных вод разработанным композиционным сорбентом.
Предмет исследований:
– процесс сорбционной очистки ФСВ;
– процесс получения сложного высокопористого сорбента на основе алюмоотходов.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и планирования эксперимента.
Достоверность полученных результатов. Оценка качества сточных вод и основных характеристик сорбентов по стандартным методикам с применением приборов и оборудования, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений, и подтверждена результатами полупромышленных исследований.
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка цели и реализация задач исследований; обоснование и формулировка основных положений научной новизны и практической значимости; постановка и проведении лабораторных исследований; апробация полученных в лабораторных условиях результатов совместно со специалистами ОАО «СУАЛ» филиал «ВгАЗ СУАЛ», которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Научная новизна работы:
– теоретически обоснована, на основе механизма сорбции, целесообразность применения сорбционного метода с сорбентом из отхода алюмопроизводства;
– доказан механизм сорбции фторид-ионов полученным сорбентом; установлено, что при сорбции на АСФ более выражен процесс химической сорбции;
– определена скорость прохождения потока через слой сорбента;
– исследовано влияние величины соотношения концентраций ионов фтора и конкурирующих анионов, в частности, бикарбоната и сульфата на степень очистки ФСВ;
– установлено влияние на эффективность сорбционной очистки направления потока очищаемой воды – целесообразно вести процесс во взвешенном слое, т.е. в восходящем потоке сточной воды;
– исследованы и сформулированы условия регенерации отработанного АСФ;
– сформулирована концепция малоотходной технологии обесфторивания сточных вод с замкнутым циклом;
– исследованы условия образования AlF3 на поверхности сорбента и определен элюент, способный эффективно осуществлять десорбцию фторид-иона – 40-% раствор NaF;
– исследованы условия получения криолита из отработанного сорбента;
– доказана целесообразность получения криолита на основе фторид-ионов, содержащихся в сточных водах.
Практическое значение работы:
– разработан сорбционный способ очистки ФСВ со степенью очистки 98,5%;
– разработан способ переработки отходов существующего производства, в сорбент с высоким значением сорбционной емкости (4,3 мг/г);
– разработан способ регенерации отработанного сорбента, позволяющий получить на основе извлеченных фторид-ионов вещество, используемое в производственном цикле (на 1 т продукции из отходов очистки сточных вод приходится 4,6 кг криолита, полученного при регенерации сорбента АСФ);
– отработана в производственных условиях технология селективного извлечения фторид-ионов на основе предварительно полученных при проведении изысканий на пилотной установке и в лабораторных условиях.
Доказано, что:
– для более полной эксплуатации сорбционной емкости АСФ целесообразно проводить процесс обесфторивания во взвешенном слое сорбента;
– оптимальная скорость восходящего потока не должна превышать 3,5 м3/(м2ч);
– предложена малоотходная технология очистки сточных вод от фторид-ионов с замкнутым циклом, позволяющая вернуть очищенную воду с показателями качества, выше аналогичных показателей после очистки традиционными сорбентами, в производственный цикл.
Реализация результатов. Основные результаты диссертационного исследования приняты рядом проектных организаций, разрабатывающих проектно-сметную документацию станций очистки сточных вод алюмопроизводства, а также используются в учебном процессе ВолгГАСУ по специальности «Водоснабжение и водоотведение».
Разработанный способ очистки сточных вод от фторид-ионов рекомендован к внедрению на предприятиях алюмопроизводства, на основе полученных результатов при испытании на ОАО «СУАЛ» филиал «ВгАЗ СУАЛ»
На защиту выносятся:
– способ переработки отходов алюмопроизводства, в сорбент с высоким значением сорбционной емкости, для очистки фторсодержащих сточных вод;
– способ регенерации отработанного сорбента, позволяющий получить на основе извлеченных фторид-ионов вещество, используемое в производственном цикле – криолит;
– технология сорбционной очистки фторсодержащих сточных вод с использованием сорбента, полученного из алюмоотходов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на региональных межвузовских научно-практических конференциях «XII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград 2007г.), «XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград 2008 г.), на VIII Всероссийской выставке научно–технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ, 2008 г.), на Международной научно–практической конференции «Инновационные организационно–технологические ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области» (г. Волгоград 2008г.), на международной конференции «Нанотехнологии - производству 2010» (г. Москва 2010г.), на Конгрессе «Строительная наука, техника и технологии: перспективы и пути развития» (г. Москва 2010г.), отмечена Грантом Волгоградской области «Исследование и разработка новых перспективных материалов и технологий наноуровня. Лот № 5. Использование нанотехнологических процессов в проблеме повышения качества питьевой воды и очистки сточных вод» (г. Волгоград 2009г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы, приложения. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, включает 27 таблиц, 15 рисунков, список литературы из 125 наименований.
