Аннотация: проблема химической безопасности водных сред в настоящее время является одной из самых актуальных в области промышленной экологии. Подавляющее большинство природных водоемов испытывают значительную антропогенную нагрузку со стороны промышленных предприятий, которые не только потребляют водные ресурсы, но и сбрасывают в природные водоемы сточные воды далеко не всегда очищенные до требуемых нормативов. В этой связи следует обратить особое внимание на повышение качества очистки сточных вод предприятий текстильной промышленности, являющихся источником загрязнения природных водоемов соединениями тяжелых металлов, производных бензола и др.
Современные очистные сооружения, обеспечивающие очистку производственных и хозяйственно-бытовых стоков, включают целый комплекс систем и оборудования для обеспечения механической, физико-химической и биологической очистки сточных вод. Однако реализовать полноценный комплекс очистки сточных вод может далеко не каждое производственное предприятие ввиду значительных финансовых затрат на материалы и оборудование. Поэтому, при выборе схемы очистных сооружений в каждом конкретном случае необходимо обосновывать не только состав узлов сооружений, но и применять наиболее эффективные технологии.
В настоящее время установлено, что одними из наиболее эффективных методов очистки сточных вод являются адсорбционные, обеспечивающие физико-химическую очистку водных сред от большинства загрязнений. При чем состав фильтрующих загрузок и сорбционных материалов очень разнообразен.
Обоснование выбора адсорбционного материала
Мониторинг природных водоемов Саратовской области [1], реализованный в 2014-2019 гг. показал, что в большинстве водных объектов в контрольных створах, размещенных за пунктами сброса сточных вод предприятий и жилых массивов, имеются превышения ПДКр.х. органических соединений – производных бензола и некоторых тяжелых металлов. Особое внимание обратили на себя превышения токсикантов в местах сброса сточных вод текстильных предприятий. Проведенный количественный анализ состава сточных вод одного из таких предприятий (ООО «Балтекс», г. Балашов) показал, что исследуемая сточная вода характеризуется значительным загрязнением тяжелыми металлами.
Таким образом, проведенный мониторинг сточных вод ряда текстильных предприятий, включая ООО «Балтекс», показал превышения в воде ионов железа (II) и меди (II). Было установлено, что ионы Fe2+и Cu2+ в значительных количествах присутствуют в сточных водах не только текстильных, но и многих других производств (машиностроительной, химической, лакокрасочной, легкой, фармацевтической и др. промышленности), откуда и поступают вместе с недостаточно очищенными стоками в природные водоемы. В этой связи следует обратить особое внимание на повышение качества очистки сточных вод предприятий перечисленных видов производств.
Останавливаясь более подробно на физико-химических методах очистки сточных вод, следует отметить, что в последнее время особую популярность завоевали адсорбционные методы очистки воды. Особой популярностью среди существующих адсорбентов пользуются бентониты, которые являются дешевыми и доступными материалами. Для повышения адсорбционной способности бентонитов их подвергают разным способам модификации. Опыт показал [2], что одной из наиболее продуктивных модификаций природного бентонита является модификация его углеродными нанотрубками с последующим обжигом при температуре 550 о С.
Установленные мониторингом в сточных водах предприятий текстильной индустрии превышения нормативов ионов железа (II) и меди (II) требуют разработки новых технологий и технических средств очистки стоков текстильных предприятий. Для повышения эффективности реализации адсорбционного метода на этих предприятиях было предложено использование в качестве одного из основных составляющих фильтрующих загрузок сорбционного материала на основе бентонита, модифицированного углеродными нанотрубками. Для обоснования целесообразности применения бентонита, модифицированного углеродными нанотрубками для очистки водных сред от ионов Fe2+ и Cu2+необходимо было исследовать сорбционные характеристики предлагаемого адсорбента по отношению к ионам указанных металлов в статических условиях, а также изучить механизмы адсорбции ионов Fe2+ и Cu2+ на модифицированном нанотрубками бентоните.
Полученные в результате лабораторного эксперимента значения статической обменной емкости (СОЕ), коэффициента межфазного распределения (Kd) и степени адсорбционного извлечения (S) для адсорбции ионов Fe2+ и Cu2+ на исследуемом сорбционном материалеприведены.
Установленные параметры эффективности взаимодействия катионов Fe2+ и Cu2+ с изученной модификацией бентонита в статических условиях: СОЕ, Kd, S показали, что статическая обменная емкость исследованной модификации бентонита по отношению к ионам Fe2+ и Cu2+снижается в ряду: Cu2+ > Fe2+. Это объясняется возрастанием стерических и энергетических факторов активности адсорбционных центров бентонита, модифицированного углеродными нанотрубками, по отношению к ионам Fe2+ и Cu2+ в данном ряду. Так же установлено, что средняя фракция модифицированного бентонита обладает наилучшими характеристиками эффективности адсорбции по сравнению с мелкой и средней фракциями.
Анализ изотерм адсорбции ионов Fe2+ и Cu2+ на бентоните, модифицированном углеродными нанотрубками, в статических условиях показал, что наиболее точно данный процесс адсорбции описывается в рамках изотермы Ленгмюра, что свидетельствует об образовании мономолекулярных слоев адсорбата на поверхности сорбционного материала в процессе адсорбции, при этом энергия равномерно распределяется по поверхности контакта «адсорбент-адсорбат».
Разрабатываемый технологический комплекс
Разрабатываемый технологический комплекс очистки воды, включает ряд установок, каждая из которых в отдельности, как и весь комплекс в целом обеспечивают безоотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Результатом разработки инновационного технологического комплекса является действующий макет локальной станции очистки воды, состоящий из нескольких (4-5) установок, наглядно демонстрирующий новую технологию водоочистки. Технологический комплекс обеспечивает поэтапную очистку сточной воды сложного состава: механическую очистку, включая отстаивание; аэрацию; адсорбцию; нанофильтрацию.
Предлагаемая адсорбционная установка является энергосберегающей и способствует экономии электроэнергии при осуществлении процесса адсорбции, а так же ресурсосберегающей в виду возможности многократного использования сорбционных материалов. Предлагаемая технология водоочистки является водосберегающей, благодаря многократному использованию воды, проходящей по замкнутому циклу. Габаритные размеры конструкции технологического комплекса определяются исходя из требуемых объемов очищаемой воды. Технологический комплекс является стационарным и может быть смонтирован на конкретном предприятии из отдельных установок.
Разрабатываемый технологический комплекс включает несколько этапов (механический, физико-химический и др.) очистки сточных вод. Конструкции узлов технологического комплекса будут менее габаритными и менее металлоемкими в сравнении с существующими аналогами локальных станций очистки воды. Новые конструкции адсорбционных фильтров ввиду высокой эффективности (95-99%) требуют меньшее количество сорбционного материала для очистки заданного объема сточной воды. Сорбционные материалы на основе бентонита являются достаточно дешевыми и доступными материалами. Технологическая схема комплексной очистки производственных сточных вод разрабатывается путем усовершенствования схемы локальной станции очистки сточных вод ЛИССКОН-301. В составе предлагаемого технологического комплекса очистки сточных вод инновационными являются: технология очистки сточных вод сложного состава после текстильных операций, способ получения наноструктурированного сорбционного материала на основе бентонита, конструкция адсорбционного многокомпонентного фильтра.
Выводы
1. Установленные параметры, характеризующие эффективность адсорбции ионов Fe2+ и Cu2+ модифицированным углеродными нанотрубками бентонитом в статических условиях, подтвердили эффективность адсорбции бентонита по отношению к ионам Fe2+ и Cu2+. При чем наиболее эффективной является средняя фракция гранулированного бентонита. Его параметры: по отношению к ионам Fe2+: СОЕ = 0,023 мг-экв/г, Kd= 0,026 мг/дм3, S = 60,1 %; к ионам Cu2+: СОЕ = 0,0109 мг-экв/г, Kd= 0,04 мг/дм3, S = 72,0 %.
2. Установлены механизмы адсорбции изучаемых катионов Fe2+ и Cu2+ на исследованных фракциях модифицированного бентонита. Наиболее точно данный процесс адсорбции описывается в рамках изотермы Ленгмюра, что свидетельствует об образовании мономолекулярных слоев адсорбата на поверхности сорбционного материала в процессе адсорбции, при этом энергия равномерно распределяется по поверхности контакта «адсорбент-адсорбат».
3. Предложена технологическая схема функционирования локальной станции очистки промышленных сточных вод текстильного предприятия. В составе разрабатываемой технологической схемы будет применен многокомпонентный адсорбционный фильтр, обеспечивающий высокоэффективную очистку сточных вод от ионов тяжелых металлов и других поллютантов. Эффективность предлагаемых технических и технологических решений будет проверена производственными испытаниями на предприятии ООО «Балтекс».
Список используемой литературы
1. Atamanova O.V., Tikhomirova E.I., Istrashkina M.V., Podoksenov A.A. Study of mechanism of p-dinitrobenzene adsorption by modified bentonites when water purification in static conditions // Water and Ecology. 2020. Vol. 25. Issue 2. P. 3-11.
2. Atamanova O.V., Tikhomirova E.I., Kassymbekov Z.K., Podoksenov A.A. Improving the sorption ability of modified bentonite during wastewater treatment by means of its activation // Water and Ecology. 2020. Vol. 25. Issue 1. P. 3-12.
3. Koshelev A.V., Tikhomirova E.I., Atamanova O.V. Effect of Bentonite Modification with Glycerol on Adsorbent Structure and Physicochemical Characteristics //Russian Journal of Physical Chemistry B. 2019. Volume 13. Issue 6. P. 1051-1056.
4. Tikhomirova E.I., Plotnikova O.A., Atamanova O.V., Koshelev A.V., Podolsky A.L. The use of multicomponent adsorption filters in water purification systems and luminescent control of ecotoxicant content //Theoretical and Applied Ecology. 2019. Issue 1. P. 73-81.
5. Kosarev A.V., Atamanova O.V., Tikhomirova E.I., Istrashkina M.V. Kinetics of adsorption of 2-methylalinine by modified bentonite at sewage treatment // Water and Ecology. 2018. Vol. 18. Issue 3. P. 24-31.
6. Тихомирова Е.И. Исследование механизма адсорбции орто-фенилендиамина на бентонитах в статических условиях / Е.И. Тихомирова, М.В. Истрашкина, О.В. Атаманова, А.В. Косарев, А.В. Кошелев // Фундаментальные исследования.2018. М. №1. С.18-23.
7. Косарев А.В. Характеристики адсорбции о-толуидина на модифицированных формах бентонита в задаче очистки сточных вод / А.В. Косарев, М.В. Истрашкина, Е.И. Тихомирова, Н.В. Веденеева, А.В.Кошелев // Современные наукоемкие технологии. – М., 2018. – № 2. –С.53-58.
8. Бобырев С.В. Моделирование процесса адсорбции аминов на модифицированном бентоните в системе очистки сточных вод / С.В. Бобырев, М.В. Истрашкина, А.В. Косарев, О.В. Атаманова, Е.И. Тихомирова, А.Л. Подольский //Вестник Кыргызско-Российского славянского университета. 2016. Т. 16. № 5. С. 127-131.
