Реферат: Использование клиноптилолита узбекского месторождения кермине для удаления из природных и сточных вод аммонийного азота

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КЛИНОПТИЛОЛИТА УЗБЕКСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КЕРМИНЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД АММОНИЙНОГО АЗОТА

Каримова А.М., Балуева И.В., Гройсман Е.Б., Авдеева Э.И.

Ташкентский НИИ ВОДГЕО, Ташкент, Узбекистан

Введение

Удаление аммонийного азота, как из природных, так и сточных вод до сегодняшнего дня остается одной из серьезных проблем, отсутствие эффективного решения которой отрицательно сказывается на экологическом состоянии природных водных ресурсов.

Основным поставщиком аммонийного азота в природные водоисточники являются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды, содержащие аммонийный азот в концентрациях, значительно превышающих предельно допустимые.

По результатам мониторинга наблюдается возрастание концентрации азотсодержащих соединений. В природных водоисточниках содержание азота иногда превышает 10 – 15 ПДК.

По существующим нормам, в воде, предназначенной для сброса в поверхностный водоем, концентрация ионов аммония не должна превышать 0,5 мг/л.

Присутствие аммонийного азота в концентрациях, превышающих значения ПДК, способствует росту водорослей и, тем самым, зарастанию озер, прудов и рек (процесс эвтрофирования водоемов).

Основным методом очистки сточных вод от соединений аммонийного азота является полная биологическая очистка. На действующих очистных сооружениях, применяемых в нашей республике, технологические схемы для биологической очистки сточных вод не обеспечивают эффективного удаления соединений азота до современных нормативных показателей по сбросу очищенных стоков в водоемы. Аммонийный азот удаляется из сточных вод на 20 – 40 %. Наряду с этим в последнее время наблюдается тенденция увеличения концентраций биогенных элементов, в том числе аммонийного азота, поступающих на очистные сооружения биологической очистки. Эффективная очистка в данном случае обеспечивается при концентрации аммонийного азота в поступающей воде не более 15 – 20 мг/л. Необходимость предварительной очистки сточных вод на локальных очистных сооружениях очевидна.

Увеличить эффективность очистки сточных вод от аммонийного азота на действующих очистных сооружениях возможно и необходимо с помощью введения новых технологических решений, включающих методы глубокой доочистки сточных вод.

В качестве наиболее приемлемого решения данной проблемы на территории республики является использование метода сорбционной очистки с применением природного цеолита – клиноптилолита.

Целью исследований, результаты которых приведены в данной статье, является разработка технологии очистки природных и производственных сточных вод от аммонийного азота c использованием метода сорбционной очистки с применением природных цеолитов из месторождений, находящихся на территории Узбекистана.

В настоящее время область применения цеолитов очень широка /1/. Благодаря своим уникальным адсорбционным, ионообменным и каталитическим свойствам природные цеолиты гораздо успешнее, чем кварцевый песок, работают в фильтрах очистных сооружений и станций водоподготовки.

Природные цеолиты, в частности клиноптилолит, используют в качестве фильтрующего, ионообменного и сорбционного материала в фильтрах различной конструкции. Очистка сельскохозяйственных и промышленных стоков – одна из важнейших сфер применения цеолитов во всем мире./2/

Использование природных цеолитов в качестве как фильтрующей, так и адсорбционной загрузки в теле фильтра взамен традиционно используемой биологической очистки позволит обеспечить снижение концентраций аммонийного азота до норм ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного значения.

Существенным преимуществом использования цеолитов является возможность их регенерации или использования отработанного цеолита в качестве аммонийного удобрения.

Методы и результаты исследований

В качестве природного цеолита нами был исследован клиноптилолит месторождения Кермине, образцы которого были предоставлены Институтом химии АН РУз.

Клиноптоилолит, как и все природные цеолиты, является минералом с переменным химическим составом, что, безусловно, оказывает влияние на его сорбционные свойства. Показано, что различные образцы даже одного и того же месторождения всегда несколько отличаются друг от друга.

Природный минеральный сорбент цеолитовой структуры – клиноптилолит месторождения Кермине характеризуется общей формулой (Na₂ K₂ CaOAl₂ O₃ 10SiO₂ ^. 8H₂ O) и химическим составом, представленным в Таблице 1. Для сравнения показана характеристика клиноптилолита других месторождений.

Таблица 1 Сравнительные данные по химическому составу клиноптилолита различных месторождений

Плотность клиноптилолита – 2,11 г/см³ ; предельный адсорбционный объем по воде – 0,152 см³ /г; эффективный радиус пор (размер входных окон) – 4А^о ; удельная поверхность по азоту – 69,0 м² /г; обменная емкость – 1,83 мг-экв/л; суммарный объем пор (по бензолу) – 0,051 см³ /г; удельная поверхность по воде – 425 м² /г.

В работе были использованы образцы цеолита, прошедшие сита 1 мм и задержавшиеся на сите 0,63 мм. Для частиц фракции 0,63 – 1,00 мм эффективный радиус равен 0,273 мм.

В рамках исследований были изучены химическая стойкость, механическая прочноть и сорбционные свойства клинопптилолита. Исследования проводились с использованием методик описанных в / 3,4 /.

Была исследована стойкость клиноптилолита к различным средам в широком диапозоне pH.

Результаты по выщелачиванию веществ из клиноптилолита в щелочной, кислой, нейтральной средах, представленные в Таблице 2, свидетельствуют о значительной стойкости сорбента, что открывает пути к его широкому использованию для очистки промышленных сточных вод.

Таблица 2 Характеристика стойкости клиноптилолита к различным средам

Применение природных сорбентов цеолитовой структуры базируется на использовании их адсорбционных, молекулярно-ситовых и ионообменных свойств. Высокая адсорбционная активность цеолитов обусловлена особенностью строения их кристаллической структуры, молекулярно-ситовые свойства их характеризуются однородной структурой внутренних пор, размеры которых соизмеримы с размером молекул адсорбата.

Все экспериментальные исследования по сорбционному извлечению проведены на клиноптилолите в Н⁺ форме, размер частиц фракции 0,63–1,00 мм при постоянном температурном режиме.

Как показали поведенные исследования по основным физико-химическим и адсорбционным характеристикам клиноптилолит соответствует тем требованиям, которые предъявляют к сорбционным фильтрующим материалам, что подтверждает возможность использования клиноптилолита в системах водоочистки и очистки сточных вод от аммонийного азота.

Получены изотермы адсорбции ионов аммония на клиноптилолите. Максимальная величина адсорбции составляет: - для модельных растворов и - для сточных вод. На рисунках 1, 2 представлены изотермы адсорбции ионов аммония из растворов хлористого аммония и сточных вод цеха аммиачной селитры на клиноптилолите в координатах:

(1)

где: С_р – равновесная концентрация ионов аммония в растворе;

Г_р – величина равновесной адсорбции, подсчитанная по формуле:

(2)

где: С_о , С_р – исходная и равновесная концентрации исследуемых веществ в воде (мг/л);

V – объем раствора (мл);

m – масса сорбента (г).

Определено время установления адсорбционного равновесия в контактных условиях, которое составило 4 часа.

Получены выходные кривые динамики адсорбции, как для модельных растворов, так и для сточных вод. Определены время до проскока, время полной заработки слоя.

В результате проведенных экспериментов были получены выходные кривые динамики сорбции, представленные на рисунках 3, 4.

Рассчитана полная сорбционная емкость клиноптилолита в динамических условиях, которая для модельного раствора составила , для сточной воды .

Проведены исследования по регенерации отработанного клиноптилолита путем его химической обработки реагентами: NaCl, NaOH, HCl, а также при использовании растворов, содержащих NaCl, NaOH.

Выявлено, что щелочная обработка цеолита является более эффективной, чем кислотная и солевая. При использовании HCl его ионообменная емкость восстанавливается на 92%, NaCl – на 85%.

Определены оптимальные концентрации растворов реагентов, показано, что наибольшая эффективность регенерации сорбента достигается при использовании NaCl и NaOH в концентрации 2%.

Изучены фильтрационные свойства клиноптилолита, в результате чего показано, что оптимальными параметрами процессов фильтрации и регенерации клиноптилолитовых фильтров являются скорость фильтрования 7 м/ч; скорость регенерации 5 м/ч; время промывки 12 мин; расход воды на промывку 4 л/с ^. м² .

Выводы

Полученные результаты свидетельствуют о том, что по основным физико-механическим характеристикам клиноптилолит месторождения Кермине соответствует требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам, что позволяет использовать клиноптилолит в качестве загрузки для фильтров различной конструкции

Как следует из проведенных исследований, использование клиноптололита может являться довольно простым и дешевым методом решения проблемы удаления аммонийных соединений в схемах очистки, как природных, так и сточных вод.

Степень удаления ионов аммония при этом выше и стабильнее, чем при отдувке воздухом или с использованием различных реагентов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарасевич Ю.И. природные цеолиты в процессах очистки воды // Химия и технология воды. 1988. – т. 10. - № 3. – с. 210.

2. Руденко Ю.И., Кравченко В.А., Сидорович А.Г. Опыт применения клиноптилолита в качестве фильтрующего материала скорых фильтров на промышленной водоочистной станции. – Химия и технология воды, 1983 г. т. 5. № 1, с. 54 – 55.

3. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. – Справочное пособие. – Л. Стройиздат. – 1985. – 120 с.

4. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л. Химия, 1982. – с. 168