Sorption wastewater treatment from heavy metal ions using waste of aluminum production

Abstract

In this study, the authors investigated the possibility of using of red bauxite slurry (waste of alu- minum production) as adsorbent of ions of heavy metals from aqueous solutions. It was studied the dependence of adsorption of zinc cations and the pH of the nickel and the initial concentration ofaqueous solutions.

Full Text

Сорбционная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов с применением отходов алюминиевого производства Терехова М.В., к.х.н. Крамер С.М. Университет машиностроения 8(495)223-05-23(1375) rusakova@mami.ru Аннотация. Изучена возможность использования красного бокситового шлама (отход производства алюминия) в качестве сорбента ионов тяжелых металлов из водных растворов. Изучена зависимость адсорбции катионов цинка и никеля от рН и исходной концентрации водных растворов. Ключевые слова: красный шлам, активация, адсорбция тяжелых металлов. Введение Сточные воды многих химических, нефтехимических, электрохимических и других предприятий содержат соединения тяжелых металлов, которые часто попадают в природные водоемы. Тяжелые металлы являются ядами, поэтому стоки, содержащие тяжелые металлы, должны подвергаться глубокой очистке [1]. Так, при попадании ионов тяжелых металлов в водоемы у многих низших организмов нарушается нормальное развитие при концентрации некоторых ионов тяжелых металлов от 0,01 до 0,1 мг/л, а гибель наступает при концентрации 0,02 мг/л. Особо токсичными для живых организмов являются соединения цинка и никеля. Избы- ток цинка в организме приводит к нарушению обмена веществ, никель вызывает желудочно- кишечные расстройства, повышение уровня эритроцитов, почечный стресс, хронический бронхит, снижение функции легких, а в некоторых случаях и рак легкого [2, 3]. Традиционно очистку сточных вод от тяжелых металлов проводят реагентными и сорбционными способами, при этом расходуются дорогостоящие реагенты и материалы, что является нерациональным с точки зрения использования природных ресурсов. В то же время в ряде промышленных производств образуются крупнотоннажные отхо- ды, физико-химические свойства которых позволяют отнести их к категории перспективных материалов для изготовления сорбентов с последующим использованием их в процессе во- доочистки. Одним из таких отходов является красный шлам. Он образуется при очистке боксита - основного сырья для производства алюминия - в производстве глинозема в Байеровом про- цессе (процесс получения чистого оксида алюминия). На каждую тонну полученного оксида алюминия приходится в среднем от 360 до 800 кг красного шлама. Из-за отсутствия эффек- тивных технологий переработки шлам сегодня в большинстве случаев складируют на изоли- рованных территориях - шламохранилищах. Площадь одного такого шламохранилища со- ставляет обычно 100 - 200 га, что практически равно территории алюминиевого завода. Не- смотря на то, что шламохранилища обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в от- ходах щелочи не могли проникнуть в грунтовые воды, они в любом случае представляют угрозу, как для окружающей среды, так и непосредственно для организма человека. Несмотря на устоявшийся стереотип, многие специалисты сегодня не считают красный шлам отходом, так как он содержит значительное количество железа и алюминия, и может служить сырьем для получения различных продуктов. В зарубежной и отечественной литературе накоплен экспериментальный материал по данной теме [4, 5, 6], но все же требуется проведение систематических исследований в этом направлении, что позволит детально изучить адсорбционные свойства красного шлама, вы- явить закономерности адсорбции на нем различных катионов и анионов и определить опти- мальные условия для их удаления из водных растворов. Цель работы 1. Определение качественного и количественного состава красного шлама. Исследование возможности использования красного шлама для адсорбции ионов цинка и никеля из водных растворов. Определение влияние рН раствора электролита на эффективность адсорбции ионов цинка и никеля. Объекты и методы исследования. В качестве объекта испытаний использовали красный шлам, произведенный на Ураль- ском алюминиевом заводе (УАЗ). Активацию красного шлама проводили путем промывания раствором соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/л, при этом уровень рН промывных вод снизился примерно с 12 до 8. Адсорбцию ионов цинка и меди проводили при начальной концентрации последних в растворе от 0,0015 до 0,0025 моль/л при постоянной концентрации фонового электролита КCl 0,1 моль/л. Масса адсорбента во всех случаях была равной 1грамм и время контакта его с раствором составляло 1 час при непрерывном перемешивании на магнитной мешалке со скоростью вращения 350 об/мин. Для получения кривых адсорбции использовали метод отдельных навесок. Концентра- цию ионов цинка и меди в растворе определяли по методике, изложенной в [7]. Измерения оптической плотности испытуемых растворов по отношению к нулевому раствору проводи- ли на спектрофотометре СФ-56. Величину адсорбции определяли по разности начальной и конечной концентрации ионов, отнесенной к единице массы адсорбента и вычисляли по формуле: где: Г - адсорбция, моль/г∙л, Сисх. - концентрация ионов цинка и никеля в исходном раство- ре, моль/л, Скон. - концентрация ионов цинка и никеля в растворе после адсорбции, моль/л, m - масса адсорбента, г. С целью идентификации исходных образцов красного шлама был определен минераль- ный (таблица 1) и компонентный (таблица 2) состав красного шлама. Анализ был выполнен в лаборатории ИМЕТ РАН с использованием следующей аппаратуры: фотометр КФК-3 (“ЗОМЗ”, Россия); фотометр пламенной ПФМ (ЗОМЗ, Россия). Минеральный состав красного шлама Таблица 1 № Показатель состава Формула Содержание, масс. доля, % 1 Кальций в пересчете на оксид CaO 23,8 2 Магний в пересчете на оксид MgO 1,01 3 Железо общее в пересчете на оксид Fe2O3 36,9 4 Марганец в пересчете на оксид MnO 0,81 5 Фосфор в пересчете на оксид P2O5 0,42 6 Сера общая Sобщ. 0,14 7 Титан в пересчете на оксид TiO2 3,54 8 Алюминий в пересчете на оксид Al2O3 11,8 9 Кремний в пересчете на оксид SiO2 8,71 10 Натрий в пересчете на оксид Na2O 0,27 Компонентный состав красного шлама Таблица 2 минерал содержание, масс. доля, % минерал содержание, масс. доля, % Диаспор 0,43 Кальцит 5,27 Алюмигетит 1,85 Гидрогранат 36,39 Гематит 31,19 Шамозит 12,93 Анатаз 0,59 Перовскит 5,97 Примеси 2,03 Результаты и их обсуждение Адсорбция ионов цинка и никеля на поверхности красного шлама В ходе эксперимента была изучена адсорбция катионов никеля на красном шламе при различных значениях рН. Полученные результаты представлены на рисунке 1. Рисунок 1а. Зависимость адсорбции катионов никеля на красном шламе от рН при разных начальных концентрациях раствора: 1 - 0,0025, 2 - 0,0015 моль/л Рисунок 1б. Зависимость адсорбции катионов цинка на красном шламе от рН при разных начальных концентрациях раствора:1 - 0,0025, 2 - 0,0015 моль/л Очевидно, что сорбция катионов наиболее эффективна в щелочной среде и снижается с уменьшением рН. Так, при значении рН меньше 4 удаление катионов из раствора происхо- дит незначительно. Из графика также видно, что наибольшее значение адсорбции наблюда- ется при рН более 7. Предельная адсорбция не зависит от рН и при его значении свыше 7 практически не изменяется. Зависимость величины адсорбции различных анионов от рН На рисунке 2 представлено сравнение зависимости величины адсорбции катионов цин- ка и никеля от рН. Рисунок 2. Зависимость адсорбции ионов цинка (1) и никеля (2) на красном шламе от рН при начальной концентрации раствора 0,0025 моль/л Как видно из графика, способность к адсорбции ионов цинка больше, чем ионов нике- ля. Это можно объяснить размерами радиусов исследуемых ионов: радиус ионов Zn2+ больше радиуса ионов Ni2+, следовательно ионы цинка адсорбируются лучше, чем ионы никеля. Выводы С увеличением рН адсорбция ионов цинка и никеля увеличивается. Оптимальное значение рН для максимальной адсорбции - 7. Предельное значение адсорбции не зависит от рН. Для описания адсорбционных закономерностей применима кислотно-основная модель. Способность красного шлама адсорбировать различные ионы обусловлена их физиче- скими свойствами: зарядом, размерами, сольватируемостью. Чем больше радиус иона, тем выше величина его адсорбции.