Забезпечення екологічної безпеки при використанні металургійних шлаків в сорбційних технологіях очистки вод

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню проблеми адсорбційної очистки промислових стічних вод від органічних сполук та виявленню ресурсної цінності металургійних шлаків з метою їх екологічно безпечного використання у виробництві сорбентів. Визначено елементний, оксидний, мінералогічний і радіонуклідний склад металургійних шлаків. Встановлено клас радіаційної небезпеки досліджених шлаків. Теоретично і експериментально обґрунтовано принципи визначення сорбційної активності металургійних шлаків. Визначено умови хімічної активації шлаку, природу функціональних груп, заряд і морфологічні особливості поверхні частинок сорбенту. Встановлено залежності кількісних показників адсорбції від параметрів процесу, які мають значення для використання шлакових сорбентів у виробничих умовах. Визначені механізм, кінетичні характеристики і виведені рівняння адсорбції. Доведено відсутність десорбції поглинених речовин. Представлено ресурсозберігаючі розробки, що дозволяють розширити сировинну базу для виробництва сорбентів, поліпшити екологічну ситуацію регіонів за рахунок запобігання скиду промислових стічних вод при впровадженні систем оборотного водопостачання підприємств.

Диссертация посвящена решению проблемы адсорбционной очистки промышленных сточных вод от органических соединений и выявлению ресурсной ценности металлургических шлаков с целью их экологически безопасного использования в производстве сорбентов. Усовершенствован единый подход к исследованию сорбционных свойств металлургических шлаков, что позволяет наиболее эффективно и полно определить их адсорбционные характеристики, дать прогноз перспективам использования шлаков в сорбционных технологиях очистки промышленных сточных вод. В качестве шлаковых сорбентов использованы металлургические шлаки предприятий Украины. С помощью рентгенофазового анализа определена природа минералов шлаков, показано, что основным минералом является диопсид, подтверждено наличие аморфного состояния веществ. Выявлены гранулометрические фракции шлаков с повышенным содержанием алюмосиликатов кальция и магния, проявляющие адсорбционную активность. Химический анализ показал незначительное содержание в металлургических шлаках тяжелых металлов: Cu, Ti, Mn, Fe, что не представляет опасности при дальнейшей утилизации. Определены удельные поверхности шлаковых сорбентов. Гамма-спектрометрическим анализом доказано соответствие металлургических шлаков I классу радиационной опасности, определяющее отсутствие ограничений при использовании шлаков в качестве сорбентов. Показано, что кислотная и щелочная активация шлака могут использоваться в различных режимах сорбции органических соединений. При кислотной активации шлака достигается максимальное травление и разрыхление его поверхности, увеличивается количество силанольных групп  Si–OН, диссоциация которых определяет отрицательный заряд поверхности шлаковых частиц. Доказано практическое отсутствие десорбции поглощенных веществ. На основании кинетических характеристик адсорбции органических соединений шлаковыми сорбентами определена смена порядка процесса во времени, связанная с реализацией двух механизмов: электростатическое взаимодействие между диссоциированными функциональными группами сорбента и ионами сорбата (второй порядок процесса); после связывания всех функциональных групп − протекание ван-дер-ваальсовской адсорбции на свободной поверхности шлака (первый порядок процесса). Доказано, что адсорбция органических соединений различной природы шлаковыми сорбентами является мономолекулярной, активированной специфической, вызванной дисперсионными взаимодействиями адсорбента и сорбатов. Адсорбция органических соединений шлаковыми сорбентами количественно описана с помощью уравнений Фрейндлиха и Ленгмюра. Для математического описания процесса адсорбции шлаком на основе минерала диопсида органического красителя МС использован пакет прикладных программ MATLAB и его подсистемы Toolbox в применении к экспериментальным данным по адсорбции при варьировании экспериментальных условий: соотношения «МС : шлак», времени и рН растворов МС. Получены уравнения регрессии зависимостей величины и эффективности адсорбции от двух экспериментальных факторов одновременно. Разработан способ получения шлакового адсорбента на основе минерала диопсида. Способ обеспечивает повышение величины адсорбции за счет химической активации поверхности шлаковых частиц и увеличение эффективности очистки промышленных сточных вод от органических соединений. Разработан способ противоточно-ступенчатой периодического действия адсорбционной очистки сточных вод от ПАВ в области высоких концентраций с использованием шлакового сорбента. Обоснован способ перекрестно-ступенчатой адсорбционной очистки сточных вод от органических соединений. Эколого-экономический эффект при очистке промышленных сточных вод с помощью шлаковых сорбентов доказал эколого-экономическую целесообразность данной сорбционной технологии. Экономия на расходе воды составляет 67,9 %. Ресурсосберегающие разработки позволяют решить экологические проблемы предприятий, в технологических процессах которых образуются сточные воды, содержащие органические соединения различных классов, − за счет ликвидации стоков и обеспечения цикла оборотного водоснабжения.

This thesis is dedicated to a solution of problems of identifying of industrial wastes resource value for environmentally safe utilization in production of organic compounds sorbents for wastewater treatment. The elemental, oxide, mineralogical and radionuclide composition of metallurgical slags is determined. The class of radiation danger of researched industrial waste is carried out. The principles оf metallurgical slag fractions sorption activity determination are substantiated theoretically and experimentally. Conditions of chemical activation of slag, type of functional groups, charge and morphological characteristics of sorbent’s surface are defined. The dependences of quantitative indicators from adsorption process parameters which have the implication for slag sorbents utilization in production environment are determined. The mechanism and kinetic properties are determined and adsorption equations are derived. The absence of desorption of absorbed substances is proved. The designs with resource saving effect which allow both to extend the raw materials base for the production of sorbents and to improve the environmental situation of the region through the prevention of dumping at the introduction of water recycling enterprises are presented.