Дәріс №15. Қолданылған ерітінділерді және суларды залалсыздандыру және олардың құрамындағы қажетті заттарды бөліп алу
Жоспары:
1. Көп камералы ионитті мембраналар.
2. Бір катионитті мембрананы қолдану.
1. Көп камералы ионитті мембраналар. Көп камералы ионитті мембраналары бар электролизер қолдану арқылы, теңіз суынан өте таза ас тұзын (NаСl) алуға болады. 23-суретте көрсетілгендей, катод-анод электродтарының аралары: анионитті-катионитті-анионитті-катионитті мембраналармен бөлінген. Теңіз суы- 1, 3,5 камераларға беріледі. Электролиз кезінде, хлорид иондарының - анод, натрий иондарының - катод бағытына қозғалуына байланысты және ионитті мембраналарды өздері арқылы иондарды селективті түрде өткізу нәтижесінде - 2 және 4 камераларда NаСl тұзы жинақталады. Осы принциппен жұмыс істейтін технологияны игере отырып, Жапония мемлекеті, тұз сатып алатын мемлекеттен, аз уақыт іщінде, тұз сататын мемлекетке айналды. Дүние жузінде ең таза, ең көп ас тузын алатын ел Жапония болып есептелініп жүр. Ал, 3 камерадан шыққан иондардан тазарған суды шаруашылықта қолдана беруге болады. Бұл технологияның негізгі кемістіктерінің бірі - ол электролизердегі кедергінін жоғары болуына байланысты, электр шығынының көптігі.
Сурет 23. Анионитті және катионитті мембраналарды қолдау арқылы электродиализ әдісімен натрий хлоридін бөліп алудың принципиалды схемасы
Бірақ, атом электрстанциясынан немесе басқа да әдістермен (гидроэлектростанция, жел және күн электростанциялары) өте арзан бағамен алынатын электр тоғы, бұл технологияны өте тиімді етеді.
Сурет 24. Ионитті мембраналарды қолдану кезінде натрий хлориді ерітіндісінен натрий гидроксидін және тұз қышқылын алу
Егер, катионитті-анионитті-биполярлы- К - А - Б - мембраналармен катод-анод электродтарының араларын бөлетін болсақ, электролиз нәтижесіңде тұз қышқылы мен натрий гидроксидін алуға болады. Ионитті, мембраналардың селективтілік қасиетіне және иондардың бағытталған қозғалыстарына байланысты - 1-камерада NаОН, ал 3-камерада НСl - түзіледі. Айта кету керек, биполярлы мембраналардың кедергісі өте үлкен болады.
Ионитті мембраналардың орналасу реттерін өзгерту арқылы, бұл процесті басқашалау етіп жүргізуге де болады (24 сурет). Бұл жағдайда І-камерада NаОН, ал 2,4 камераларда НСl түзіледі.
2. Бір катионитті мембрананы қолдану. Бір катионитті мембрананы қолдану арқылы натрий хлориді бар ерітіндіден, хлор және сутегі газдарын, ал ерітіндінің катод кеңістігінде - натрий гидроксидін алуға болады (25 сурет). Бұл әдіс бойынша, катод кеңістігіне 25 % натрий хлориді ерітіндісі, ал анод кеңістігіне су беріледі. Электролиз кезінде, графит анодта хлор бөлінеді. Натрий иондары катионитті мембрана аркылы катод кеңістігіне өтіп, жинақталады. Катод кеністігіндегі гидроксид-иондар анод бағытына карай қозғалады, бірақ, катионитті мембрана ол аниондарды анод кеңістігіне өткізбейді. Нәтижесінде, катод кеңістігінде натрий және гидроксид иондар әрекеттесіп, натрий гидроксиді тузіледі. Көрсетілген әдіс бойынша, құрамында натрий хлориді жоқ, концентрлі натрий гидроксидін алуға болады. Бұрын, осындай салалы NаОН ерітіндісін алу, сынап катодын колдану арқылы ғана іске асырылатын. Сөйтіп, құрамында натрий хлориді бар ерітінділерден, ионитті мембраналарды қолдану арқылы, әртүрлі пайдалы заттарды, қосылыстарды бөліп алудың бірнеше әдістеріне тоқталып өттік. Бұл тәсілді басқа түздардың ерітінділеріне де қолдануға болатындығы ешқандай күмән туғызбайды. Сондықтан, өндіріс калдықтары болып табылатын, әртүрлі. ерітінділерден, ионитті мембраналарды қолданып, оны жетілдіріп және аздаған өзгерістер еңдіре отырып, көптеген экологиялық проблемаларды шешуге болады.
Сурет 25. Катионитті мембрананы қолдану арқылы натрий хлориді ерітіндісінен хлор және сілті алуға болатын электролизердың схемасы
Бақылау сұрақтары:
1. Өте таза ас тұзын қалай алуға болады.
2. Тұзды ерітінділерден қышқылдарды және сілтілерді алу.
3. Бір ионитті мембрананың жұмыс істеу қызметі.
Әдебиеттер:
1. Баешов А., Журинов М.Ж., Баешова А.К. Электрохимия негіздері. Оқулық. -Түркістан: ХҚТУ, 2001. – 182 б.
2. Жатқанбаев Ж. Экология негіздері. Оқулық. – Алматы: «Зият», 2004 ж. -212 б.
3. Голицын А.Н. Основы промышленной экологии. –М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 240 с.
Дәріс №16 Мыс электролизі өндірісінің қалдық ағынды суларын және қолданылған электролиттерді, ионитті мембраналар арқылы өңдеу
Жоспары:
1. Мыс электролизі өндірісінің қалдық ағынды сулары.
2. Мыс электролизі өндірісінің қолданылған электролиттері.
3. Ионитті мембраналар арқылы қалдық ағынды суларын өңдеу.
1. Мыс электролизі өндірісінің қалдық ағынды сулары. Мысал ретінде, электрорафинация цехынан шыққан қолданылған ағынды су проблемасын қарастырайық. Электролиз кезінде алынған мыс катодын, ыстық сумен жуады. Бұл қышқыл ағынды суда - мыс, никель иондары бар, ал олардың әр қайсысы сәйкестігінше- рН=5,3 және 6,7-ге дейін ғана ағынды суда ион түрінде бола алады. Ерітіндінің рН-ының мәндері бұдан жоғары болса, мыс пен никельдің гидроксидтері түзіледі.
2. Мыс электролизі өндірісінің қолданылған электролиттері. Қолданылған ерітіндіні мыс иондарынан тазалаудың ең кең тараған түрі - ол темір стружкаларын қолданатын цементация әдісі. Бұл тәсілді, әдетте ерітіндіде мыс иондарының концентрациясы көптеу болған жағдайда қолданып, мысты металл ұнтақтары түрінде бөліп алуға болады. Қалған металл иондарын бөліп алу үшін, ағыңды суды нейтралдап, одан соң кальций гидроксидін қосу арқылы, ерітіндінің рН-ын 8-9-ға жеткізіп, онда калған мыс, никель және ерітіндіге цементация кезінде өткен темір катиондарын тұнбаға түсіреді.
Реагентті әдістерді қолдану, экономикалық және экологиялық тұрғыдан тиімсіз.
Біріншіден, ерітіндіні иондардан тазалау негізінде түзілген металл гидроксидтерін жинап, оларды белгілі жерге тасып, қоршаған ортаны бұзбайтындай етіп сақтау қажет. Бұлардың бәрі көптеген шығынды кажет етеді және қымбат металдар пайдаға аспай, тұнба ішінде қалады.
Екіншіден, реагентті әдістердің эффективтілігі, нейтралдаушы реагенттердің қосу режиміне тікелей байланысты. Оптимальды рН-тың мәні өр металл үшін әр түрлі. Оның устіне металл иондарының ерітіндіден толық қанбаға түсуін қадағалау өте күрделі. Сондықтан металл иондарының, атынды сумен бірге қоршаған ортаға түсіп, оны ластау қауіптілігі әркашанда мумкін болып турады.
Үшіншіден, косылған реагенттер судың құрамын өзгертіп, оны өндірісте қайта қолдануга мумкін етпей қояды.
Ионитті мембраналардың селективті қасиетгері, металл иондарының концентрапиясы аз, ағынды суларды тазалауға және оларды өндірісте кайт-а қолдануға мумкіншілік береді. Құрамында мыс иондары бар қолданылған қышкыл ағынды суды, ионитті мембраналары бар электролизерден өткізіп, суды өндірісте қайта қолдануға болады, ал судың құрамындағы металл иондары және қышқылдар бөліп алынады.
Электрод кеңістіктері анионитті мембранамен бөлінген электролизердің катод кеңістігіне, құрамында мыс (ІІ)-сульфат иондары бар колданьшган қышқыл агынды суды жіберетін болсақ, электролиз негізінде мыс иондарын және күкірт қышқылын бөліп алуға болады (26 сурет). Электролиз кезінде, катодта мыс (II) иондары, мыс ұнтағын түзе тотықсызданады және электродта сутегі газы бөлініп, қышқыл ерітіндінің рН-ы жоғарылай бастайды. Сульфат-иондары, анионитті мембрана арқылы анод кеңістігінде жинақталып, кукірт қышқылы ерітіндісін тузеді. Мыс (II) және сульфат-иондарынан тазаланған нейтральды суды сүзіп, өндірісте қайта қолданады.
Көрсетілген анионитті мембранасы бар электролизді мысты электрорафинация кезінде қолданылған электролитті залалсыздандыру үшін де қолдануға болады. Зерттеушілер осындай екі камералы электролизерді, өндірістік жағдайда, қолданылған мыс электролитін өңдеу үшін пайдаланған.
Сурет 26. Құрамында күкірт қышқылы және мыс иондары бар қолданылған суды, анионитті мембранасы бар электролизер арқылы өңдеу
Католит кеңістігіне мына құрамдағы электролит құйылған, г/л: H2S04-150-180; Cu(ІІ)-40-45; ал анолит кеністігіне су жіберіп отырған. Электролиз кезінде катодта - металл түріндегі мыс, ал анолитте - концентрлі күкірт қышқыл ерітіңдісі тузілген. Электродтағы ток тығыздығы - 209-752 А/м2, ал мембранада 165-575 А/м2 болыл, ал күкірт қышқылы бойьшша ток бойынша шығым. 100 % шамасьшда болған және электр энергиясының шығыны 350-490 кВт-сағ/м3. Электролиз кезінде электролиттің нейтралдануы журеді.
Құрамында күкірт қышқылы, мыс (II), никель иондары бар қолданылған электролитгерді залалсыздандыру және олардың құрамындағы қажетті заттарды : бөліп алу проблемаларын, анод және катод кеңістіктерін, анионит және катионитті мембраналарды қолдан негізінде шешуге болады (27 сурет).
Сурет 27. Құрамында күкірт қышқылы, мыс, никель иондары бар қолданылған ерітіндіні электролиз әдсісі арқылы залалсыздандыру және құрамындағы пайдалы заттарды бөліп алу.
Қолданылған электролит орта камераға беріледі. Катод кеңістігіне күкірт қышқыл ерітіндісі, ал анод кеңістігіне су беріліп отырады. Электролиз кезінде - катодта мыс иондары разрядталып металл түрінде бөлінеді (мыс иондарының концентрациясы көп кезінде компакты металл, ал концентрациясы азайған кезде мыс ұнтағы түрінде), ал потенциалының мәні теріс болғандықтан, никель (II) иондары катодта тотықсыздана алмайды ол катод кеңістігінде никель сульфаты түрінде жинақталып, ол катод кеңістігінен бөліп алынып тұрады. Анод кеңістігіне анионитті мембрана арқылы сульфат-иондары өтіп, анод бетінде жинақталған сутегі иондарымен әрекеттесіп, күкірт қышқылы түзіледі. Орта камерадағы, коптеген иондардан тазарған ерітіндіні өндірістік электролитке қайта қосуға болады.
Келтірілген мысалдар негізінде, әрбір ондіріс қалдықтарының ерекшеліктерін ескере отырып ионитті мембраналарды қолдану арқылы, ортурлі қалдықтарды өңдеуте болатындығын түсінуге болады.
Бақылау сұрақтары:
1.Мыстау өндірісінің технологиялық сызбасын келтір.
2. Мыс электролизі өндірісінің қалдық ағынды суларының түзілуі.
3. Мыс электролизі өндірісінің қолданылған ерітінділерін тазалау.
Әдебиеттер:
1. Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. –М.: Строй издат, 1990. – 352 с.
2. А.А.Баешов, Ж.К. Дарибаев, Б.С.Шакиров. Экология негіздері. Алматы. 2002 ж.
3. Баешов А., Журинов М.Ж., Баешова А.К. Электрохимия негіздері. Оқулық. -Түркістан: ХҚТУ, 2001. – 182 б.
Дәріс № 17. Түсті және ауыр металдардың қоршаған ортаға түсуінің антропогендік көздері және оларды залалсыздандыруда қолданылатын технологиялар.
Жоспары:
1. Түсті және ауыр металдардың қоршаған ортаға түсуінің антропогендік көздері
2. Сұйық қалдықтарды залалсыздандыруда қолданылатын технологиялар.
3. Ауыр металдардың қоршаған ортаға тигізетін әсері.
1. Түсті және ауыр металдардың қоршаған ортаға түсуінің антропогендік көздері. Су қоймаларын негізінен көп мөлшерде ауыр және түсті металдар иондарымен ластайтын өндірістерге: қара және түсті металлургия, химия және мұнай химиясы, машина жасау, жеңіл өнеркәсіп кәсіпорындары жатады.
Кара және түсті металлургия кәсіпорындарының ластанған ағызынды суларының құрамында - минералды заттар, жүзгіндер, флотореагенттер, (ксентогонаттар, цианидтер), ауыр металл тұздары (мыс, қорғасын, мырыш, никель, сынап, хром, темір және т.б.), мышьяк, хлоридтер т.б. заттар көп мөлшерде кездеседі.
Ауыр және түсті метал иондарын химия және мұнай химиясы өндірістерінің ағызынды суларында, басқа зиянды заттармен; мұнай өнімдері, азот қосылыстары, хлоридтер, сульфаттар, жалпы фосфор, цианидтер, роданидтер, кадмий, кобальт, мырыш, мыс, сынап, қорғасын, күкіртсутек, күкірткөміртек, спирттер, бензол, формальдегид, фенол, фурфурол, БАЗ, карбамид, пестицидтер және т.б. заттармен бірге ағызынды суларда кездеседі.
Машина жасау кәсіпорындарының гальваникалық және қышқылмен өңдеу цехтарының ағызынды сулары құрамында өте көп мөлшерде ауыр, түсті метал иондары және сульфаттар, хлоридтер, мұнай өнімдері, цианидтер, фосфор және т.б. заттармен ластанған. Бұл зиянды заттар ағызынды су құрамына технологиялық процестер нәтижесінде өңделген метиздер мен бөлшектердің жуып тазалау нәтижесінде ластанады.
Жеңіл өнеркәсіп кәсіпорындарының ішінде мата тоқу және тері өңдеу фабрикаларының ағызынды суларында зиянды ауыр метал иондарынан басқа да зиянды қосылыстар: жүзгін заттар, сульфаттар, хлоридтер, фосфор мен азот қосылыстары, нитраттар, БАЗ, темір, мыс, мырыш, никель, хром, қорғасын, фтор, күкіртсутек, метанол, формальдегид, өсімдік және жануарлар майлары және т.б. қосылыстарымен ластанған сулар көп мөлшерде түзіледі.
Өндірістік ағызынды сулар шаруашылық - тұрмыс ағызынды суларымен салыстырғанда, еріген заттар мөлшерінің жоғары болуымен сипатталады. Бұл еріген заттардан суды тазалау үшін әртүрлі әдістер қолданылады:
-ағызынды суларды механикалық тазалау әдісінде судағы жүзіп жүрген ірі және майда дисперсті, қатты және сұйық қоспалардан ажыратады. Ірі дисперсті қоспалар ағызынды сулардан тұндыру және флотация әдісімен тазартылса, майда дисперсті заттар - фильтрлеу, тұндыру, электрохимиялық коагуляция, флокуляция әдістерін қолдана отырып тазартылады.
- бейорганикалық еріген қосылыстарды ағызынды сулардан реагентті әдіс арқылы тазалағанда - қышқылдар мен сілтілер арқылы бейтараптау, иондарды аз еритін формадағы тұнбаларға өткізу, минералды қоспаларды тұздармен тұндыру, уытты қоспаларды тотықтыру және тотықсыздандыру арқылы уыттылығы төмен заттарға айналдыру, ұшқыр қосылыстардың десорбциясы, кері осмос, электрохимиялық тотығу, электродиализ, ультрафильтрация, ион алмастыру және флотация процестері қолданылады. Ағызынды суларды химиялық тазалау әдістерінің ішінде кең тарағаны бейтараптау әдісі. Көптеген өндіріс ағызынды сулары құрамында күкірт, тұз және азот қышқылдары болады. Бұл ерітінділерді бейтараптау үшін сілті немесе сілтілік ағызынды суларды қосу, доломит, магнезит, әктастар арқылы фильтрлеу арқылы жүргізіледі. Ағызынды суларды химиялық тазалаудан өткізгеннен кейін, биологиялық тазартады.
Тазалау әдісінің кейбір тәсілдерін қолданғанда, су құрамындағы бағалы компоненттерді бөліп алуға болады, бұл өндірістің шығынын азайтудың бір тәсілі болып саналады. Сондықтан тазалау әдістері сол ластанған су құрамындағы зиянды заттардың қасиетіне, олардың сол ортадағы күйіне байланысты тазалау тәсілдері таңдалады.
Ағызынды су құрамындағы ластағыш заттар молекулалық еріген күйде болған жағдайда, тазалауды әртүрлі сорбенттер, аэрация арқылы десорбциялау, суды тотықтырғыштар арқылы (органикалық заттар үшін) тотықтыру тәсілдері қолданылады.
Зиянды заттар диссоциацияланған ион түрінде болған жағдайда, аз еритін қосылыстар түзу немесе өте уытты ионды төмен уытты қосылысқа айналдыру, сутегі немесе гидроксил иондары көмегімен аз диссоциацияланатын молекулаларға айналдыру, электродиализ арқылы ауыр метал иондарын су құрамынан бөліп алу, уытты иондарды зиянсыз сутегі мен гидроксил иондарымен алмастыру және т.б. тәсілдер қолданылады.
Ағызынды суларды өндірісте қайта қолдану үшін органикалық заттармен ластанған суларды активтелген көмір арқылы қайта тазаланса, минерализациясы жоғары суларды- ионалмастырғыш сүзгілерде жұмсартып өндірістік циклде қайта қолданылады. Қайта тазартудан өткен техникалық суларды қолдану таза су мөлшерін 20-25 есеге дейін азайтады.
2. Сұйық қалдықтарды залалсыздандыруда қолданылатын технологиялар. Құрамында органикалық және минералды уытты заттар бар өндірістік ағызынды суларды залалсыздандырудың бір тәсілі отты әдіс. Мұнда, өте жоғары температурада уытты органикалық заттар тотығып толық жанып кетсе, ал минералды заттар балқу арқылы құймаларға айналады, олардың аздаған мөлшері түтін құрамындағы аэрозол немесе бу түрінде циклон аппараттарында ұсталынады.
АҚШ Лос-Аламосс ұлттық зертхананың ғалымдары Флорида халықаралық университеті мен Майами университетінің ғалымдарымен бірлесіп уытты сұйық қалдықтарды залалсыздандыруда электрондық жеделтіткішті қолдану арқылы залалсыздандыру әдісін жасады. Дейд аймағының қалалық қалдық суының жұқа қабатын (380 л/мин) сканирленетін электронды сәуле арқылы өңдеу кезінде, өте қауіпті - бензол, үшхлорэтилен, фенол және т.б. зиянды заттардың ыдырағаны анықталды. Бұл тәсіл активтенген көмір арқылы сорбциялау тәсілінен көп арзан болып табылады.
Жер беті суларын интенсивті пайдалану олардың химиялық құрамының өзгеруіне алып келді. Олар су бассейіндеріне, көптеген химиялық элементтермен әртүрлі қосылыстармен ластанған өндірістік, тұрмыстық және атмосфералық ағызынды сулар арқылы ластануда.
Ауыз су ретінде қолдануға болатын яғни құрамындағы тұз мөлшері 1 г/л-ден төмен сулар қорының 20 пайызы, өндірістік ағызынды суларға жатады. Олардың құрамында: ерімейтін минералды заттар (10-900 мг/л), әртүрлі мұнай өнімдері (3-800 мг/л), ауыр металдар мынадай мөлшерлерде кездеседі: темір -(0,5-500 мг/л), хром - (0,07-95 мг/л), мырыш - (0,1-15 мг/л), никель - (0,01-3,6 мг/л), мыс - (0,15-32 мг/л), қорғасын - (0,01-5 мг/л) мөлшерлерінде кездеседі.
Өндірістік сулардың құрамында кездесетін өте уытты заттарға цианидтер-(0,05-10 мг/л), фенолдар- (45 мг/л-ге дейін), хром (VІ)- (0,15-3,5 мг/л) жатады.
Жер асты суларының мөлшерінің көбеюі, әдетте жер бетіне жақын қабатта булану процесінің жылдамдауына алып келіп типоморфты элементтердің өзара орынбасуына (Ca2+, HCO3- иондарының Na+, Cl-, SO42-) яғни гумус қабатының тұздануына соқтырады. Жиі кездесетін бұл процес тұзды қабаттың ауыр металдармен (Pb, Zn, Cr, V, Cu, Nі) жинақталынуымен қатар жүреді. Бұл жағдайларда қарастырылып отырған өңірдің өсімдіктер биомассасы азаюына, қатты тұзданған жағдайда өсімдіктердің түрлері өзгереді.
Қоршаған ортаның ауыр және түсті металдармен ластануы, супертоксиканттардың эколого- аналитикалық мониторингіне жатады. Себебі, бұлардың өте аз мөлшері (іздері) тірі организмдер үшін жинақталынатындықтан уытты. Органикалық зиянды заттар ыдырау арқылы залалсызданатын болса, ауыр металдар табиғи ортада бірегей таралады. Ауыр металдардың организмдегі орны бір жағынан физиологиялық процестердің жақсы жүруі үшін өте қажет болса, ал олардың өте көп мөлшері уытты болып келеді.
Одан басқа, металдардың қоршаған ортадағы әсері көбінесе экологиялық жүйелердегі металдардың жалпы концентрациясына, олардың миграциялық формасының спецификасына байланысты әр элементтің қосар үлесі арқылы есептелінеді. Миграциялық процестер мен ауыр металдардың уыттылығын түсіну үшін олардың қоршаған ортадағы жалпы жиынтықты мөлшерін анықтау жеткіліксіз. Физикалық тотыққан, тотықсызданған, метилденген, хелаттарған және т.б. құрылысы мен химиялық құрамындағы метал формаларын дифференциялдау қажет. Биоортада жинақталатын, жоғары биохимиялық активтілік көрсететіні қозғалғышты форма болып табылады. Біз қарастырып жатқан ауыр металдардың негізгі биохимиялық қасиеттері мен ЗЖЖК төмендегі кестеде көрсетілген..