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

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⁺ (Х₁), Cu²⁺ (Х₂), NH₄⁺ (Х₃), а параметрами - объёмы сточной воды, которые были очищены сорбентами до концентрации не выше ПДК_кб, а для ионов аммония ПДК_рх.

В таблице 1 представлены данные концентраций ионов в исследуемых растворах.

Таблица 1.

Обобщение результатов приготовления сточной воды, содержащей смесь катионов

Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Матрица планирования факторного эксперимента типа 2³

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 ПДК_кб (для ионов меди и цинка) и ПДК_рх (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

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.