Статья:

Возможность удаления ионов аммония из сточной воды сорбентами на основе гидролизного лигнина

Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №8(8)

Рубрика: Технические науки

Выходные данные
Возможность удаления ионов аммония из сточной воды сорбентами на основе гидролизного лигнина // Студенческий форум: электрон. научн. журн. Фукс С.Л. [и др.]. 2017. № 8(8). URL: https://nauchforum.ru/journal/stud/8/23344 (дата обращения: 20.08.2018).
Журнал опубликован
Мне нравится
на печатьскачать .pdfподелиться

Возможность удаления ионов аммония из сточной воды сорбентами на основе гидролизного лигнина

Фукс Софья Лейвиковна
канд. техн. наук, доц. кафедры промышленной и прикладной экологии Вятского государственного университета, РФ, г. Киров
Даровских Ирина Александровна
бакалавр Вятского государственного университета, РФ, г. Киров
Тетесова Анастасия Анатольевна
бакалавр Вятского государственного университета, РФ, г. Киров
Василевич Анастасия Дмитриевна
бакалавр Вятского государственного университета, РФ, г. Киров
Хитрин Сергей Владимирович
д-р хим. наук, проф. кафедры промышленной и прикладной экологии Вятского государственного университета, РФ, г. Киров

 

Представлены результаты исследования поглощения ионов аммония из сточных вод с использованием полифепана, карбонизированного полифепана, катионита. Установлено взаимное влияние ионов аммония, меди, цинка на процесс адсорбции с помощью различных видов сорбентов.

На территории Кировской области находится крупнейший в России завод по производству минеральных удобрений. Основной продукцией предприятия долгие годы являлись сжиженный аммиак и аммиачная селитра. В связи с этим и с недостаточностью контроля за выбросами данных компонентов в окружающую среду, в водных потоках, атмосфере и почве накопилось достаточно высокое количество ионов аммония. Особенно активно они проявляют себя в паводковый период. Все попытки очистки воды от примесей аммоний-иона терпят неудачу вследствие высокой растворимости образуемых им соединений с ионами тяжёлых металлов (ИТМ) и различными анионами. Наиболее эффективным способом очистки потоков природной воды, используемых для подготовки питьевой воды областного центра, является физико-химический способ удаления ионов NH4+, осуществляемый с помощью синтетических цеолитов. Однако при такой очистке имеется рад существенных недостатков: использование дорогостоящего ионообменного материала в больших количествах, неудобство его регенерации.

Заменой цеолита может служить отход биохимического производства – гидролизный лигнин (ГЛ). ГЛ легко подготавливается к использованию. Тем более, его можно применять в различных модификациях: в виде полифепана (ПФ) и его карбонизированной фракции (ПФк), что было описано в работе [1]. Отработанный сорбент, содержащий NH4+ и другие ионы, в том числе ионы меди и цинка, можно захоранивать в торфяных болотах, но проще сжигать в утилизационных котлах для получения горячей воды. Аналогией этого процесса является эксплуатация котельной установки для сжигания избытка ГЛ.

Машиностроительные предприятия, использующие техническую воду, не очищенную от ионов аммония, после её использования сталкиваются с проблемой очистки сточных вод (СВ) не только от ионов аммония, но и от Сu2+, Zn2+ и других ИТМ, поступающих в воду в результате её использования. Распространённая на предприятиях реагентная очистка не позволяет решить эту проблему, поэтому актуальным является разработка физико-химического способа очистки СВ от данных ионов, а также изучение влияния на процесс сорбции других ионов, которые могут встречаться в промышленных сточных водах.

Для удаления совокупности ИТМ с последующей термической утилизацией может использоваться ПФ и ПФк. Однако до сих пор на предприятиях для очистки от ИТМ используется катионит КУ-2-8-чС. В связи с этим, в работе проводится сравнение катионита данной марки с природными сорбентами ПФ и ПФк.

Целью данной работы было изучение сорбции ионов NH4+ ПФ, ПФк и катионитом КУ-2-8-чС, выявление взаимного влияния рассматриваемых ионов NH4+, Zn2+, Cu2+.

Для эксперимента был использован ПФ хвойных пород Кировского Биохимического завода. Часть ПФ подвергалась карбонизации в течение 30 мин в керамической ёмкости при температуре 200 ºС для получения ПФк. В качестве катионита использовался стандартный КУ-2-8-чС с известными характеристиками.

Сравнение адсорбционных характеристик осуществлялось методом математического планирования, путём составления матрицы планирования эксперимента, которая предполагает варьирование показателей концентраций исследуемых ионов и их различное сочетание друг с другом. Факторами, исследуемыми в процессе очистки СВ, являются Zn2+1), Cu2+2), NH4+3), а параметрами - объёмы сточной воды, которые были очищены сорбентами до концентрации не выше ПДКкб, а для ионов аммония ПДКрх.

В таблице 1 представлены данные концентраций ионов в исследуемых растворах.

Таблица 1.

Обобщение результатов приготовления сточной воды, содержащей смесь катионов

№ эксперимента

Концентрация ионов в исследуемых растворах, мг/л

цинк

медь

аммоний

+

10

10

2,73

-

2

2

0

 

Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Матрица планирования факторного эксперимента типа 23

№ эксп.

Центр

Факторы

Сочетание факторов

X0

X1

X2

X3

X1X2

X1X3

X2X3

X1X2X3

1

+

+

+

+

2

+

+

+

+

3

+

+

+

+

4

+

+

+

+

+

+

+

+

5

+

+

+

+

6

+

+

+

+

7

+

+

+

+

8

+

+

+

+

 

Для проведения эксперимента были приготовлены растворы сульфатных солей, соответствующие матрице планирования. СВ пропускалась через каждый сорбент. В очищенной воде определялись концентрации ионов NH4+, Zn2+, Cu2+ и расчетным путём находились объёмы пропущенной сточной воды, которые сорбент очистил до концентраций исследуемых ионов не выше ПДКкб (для ионов меди и цинка) и ПДКрх (для ионов аммония). На основании полученных результатов рассчитывались уравнения регрессии для процесса адсорбции аммония на фоне ИТМ для каждого сорбента. Наряду с уравнениями регрессии определялись статистические характеристики адсорбции. Это значимость коэффициентов регрессии, воспроизводимость функции и адекватность модели. Анализ статических данных показал, что полученные зависимости воспроизводимы, а коэффициенты значимы.

Уравнения регрессии представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Таблица уравнений регрессии модели 23

Тип сорбента

модели

Уравнение регрессии

ПФ

1

Y = 401 – 242Х1 – 196Х2 + 401Х3 + 276Х1Х2 – 242Х1Х3– 196Х2Х3 + 276Х1Х2Х3

ПФк

2

Y = 424 – 133Х1 – 294Х2 + 424Х3 + 177Х1Х2 – 133Х1Х3 – 294Х2Х3 + 177Х1Х2Х3

Катионит

3

Y = 41135 – 11659Х1 – 26916Х2 + 41135Х3 + 10820Х1Х2 – 11659Х1Х3 – 26916Х2Х3 + 10820Х1Х2Х3

 

Модель 1.

Сравнение влияния единичных факторов на адсорбцию, описываемую данным уравнением, показывает, что ионы аммония оказывают на систему большее влияние, чем ионы меди, и имеют тенденцию при повышении концентрации влиять сильнее. Это обусловлено тем, что в расчетах уровней матрицы планирования минимум концентрации равен «0», т.е. Х3 отсутствует. На адсорбционную способность ПФ оказывают влияние сочетания факторов. Сочетание Х1Х2 повышает сорбционную способность, также действует и сочетание трёх ионов Х1Х2Х3. Сочетания Х1Х3 и Х3Х2 наоборот снижают адсорбцию.

Модель 2.

На модель 2 влияние, оказываемое ионами, находящимися в растворе, аналогично влиянию на модель 1. Ионы цинка, меди, и сочетания ионов NH4+ и Zn2+, NH4+ и Cu2+ снижают сорбционную способность карбонизированного лигнина, увеличивают сорбционную ёмкость ионы NH4+, сочетания ионов Cu2+ и Zn2+, а также всех трёх ионов.

Модель 3.

Влияние концентраций ионов, содержащихся в СВ, такое же, как при использовании полифепанов, с той лишь разницей, что катионит имеет емкость в 100 раз больше. Следовательно, ПФ и ПФк необходимо использовать в больших количествах.

Выводы

·     поглощающая способность сорбентов уменьшается в ряду: катионит КУ-2-8-чС, ПФ, ПФк;

·     математически доказано взаимное влияние друг на друга рассматриваемых катионов и их сочетаний, различающиеся в каждом конкретном случае и имеющие как положительное, так и отрицательное значение.

 

Список литературы:
1. Даровских И.А., Фукс С.Л. Разработка условий применения модификаций гидролизного лигнина для очистки сточных вод от ионов алюминия // Глобализация научных процессов, Сборник статей по материалам международной научно-практической конференции 28 февраля 2017 г, г. Кемерово, С. 44–48.