2.1.1. Выбор сорбционных материалов для исследования и характеристика их адсорбционных свойств

Для разработки конструкции ионообменного фильтра наиболее важным является правильный выбор сорбционных и ионообменных материалов, обеспечивающих необходимую глубину очистки от органических и ионных примесей. Загрузочные материалы должны обладать развитой пористой структурой, химической стойкостью, механической прочностью и соответствовать экономическим критериям (дешевизна и доступность).

На основании анализа литературных сведений и предварительных экспериментов по очистке фильтрационных вод полигонов от комплексных соединений металлов, ионов металлов и гуминовых веществ был выбран малоизученный природный материал уральского месторождения – диатомит, обладающий коагулирующими и ионообменными свойствами, а также некоторые виды отходов производств - шлак, недожог, отходы производства активированного угля БАУ.

Диатомит представляет собой минерал на основе оксида кремния состава: SiO₂ – 81-92 %; Al₂O₃ – 2-6 %; Na₂O – 1-2 %; Fe₂O₃ – 3-5 %; CaO – 0,3-0,5 %. Его плотность составляет 600 см³/г. Диатомит обладает более высокой межзерновой пористостью и удельной поверхностью, а также меньшей объемной массой по сравнению с песком, поэтому его применение для очистки фильтрационных вод позволяет значительно улучшить технологические параметры фильтрационных установок. В качестве фильтрационного материала можно также использовать отсевы, образующиеся на горных выработках.

Каменноугольные шлаки содержат оксиды кремния, кальция, что объясняет их высокую осветляющую и сорбционную способность.

Сорбент-Н, представляющий собой недожог, образованный при сжигании отходов целлюлозно-бумажной промышленности и лесозаготовительных предприятий в котельных установках, режим работы которых по основным параметрам (температура, концентрация топочных газов) близок к условиям процесса активации древесных углей. Недожог обладает достаточно развитой поверхностью, мезо-пористой структурой и, соответственно, высокой адсорбционной способностью по отношению к органическим соединениям. [21]

Для всех исследуемых образцов по стандартным методикам [22] были определены основные физико-химические характеристики: гранулометрический состав, насыпная плотность, а также для сорбента-Н и отхода угля – адсорбционная активность по метиленовому голубому, свидетельствующая о наличии мезо- и микропор. Результаты исследования представлены в таблице 8.

Таблица 8.

Основные физико-химические характеристики

фильтрующих материалов

Материал	Насыпная плотность, г/дм3	Суммарный Объем пор по влагоемкости, см3/г	Адсорбционная активность по метиленовому голубому, мг/г
Сорбент-Н	160-180	0,5-0,6	80-100
Шлак	750	0,45-0,5	25
Отход Угля	330	0,8	60-70
Диатомит	600	0,4-0,5	30

2.1.2. Выбор модельных растворов и их приготовление. Определение концентрации железа и меди в растворе

Как показывает анализ состава фильтрационных вод, они всегда содержат гуминовые соединения, гуматы металлов, поэтому эти соединения и были выбраны для исследования ионообменных и сорбционных процессов очистки фильтрационных вод.

Гумусовые вещества представляют собой комплекс органических веществ – продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Источником ароматических соединений могут быть структурные единицы, освобождающиеся при распаде лигнина и дубильных веществ, и полифенолы, являющиеся продуктами жизнедеятельности и обмена веществ микроорганизмов. Источником азотсодержащих соединений – протоплазма микроорганизмов, участвующих в процессах распада и синтеза органических соединений.

Почвенные гумусовые вещества – это специфические высокомолекулярные, полифункциональные, азотсодержащие соединения циклического строения и кислотного характера.

Гуминовыми кислотами называют соединения, вымываемые из почвы щелочами, фосфорнокислым, щавелевокислым или фтористым натрием и другими растворителями и осаждаемые из полученных растворов минеральными кислотами в виде темно-коричневого осадка.

В настоящее время известно несколько эмпирических формул гуминовых кислот:

C₆₀H₅₂O₂₄(COOH),

С₆₄Н₄₁О₄(СООН)₄ОСН₂ОН,

С₆₉Н₅₈О₃₈,

С₅₉Н₄₁О₁₇(СООН)₄(ОН)₃СН₃О

В водных растворах гуминовые кислоты образуют ассоциаты молекул (мицеллы), которые трудно удаляются традиционными методами очистки: биохимические, фильтрация на АУ и др. Кроме того, гуминовые и фульвокислоты образуют прочные комплексы с ионами тяжелых металлов (меди (II), кадмия (II), железа (II) и (III), никеля (II) и др.).Крупные комплексные ионы металлов также практически не извлекаются ионообменными полимерными смолами и микропористыми неорганическими ионообменными материалами (цеолиты, силикагели, алюмогели).

Для приготовления модельных растворов гумусовых веществ 1 кг подзолистой почвы (основной тип почвы Пермского региона) заливали 3 л воды и выдерживали в течение 7 дней для экстракции гуминовых соединений. Из полученного экстракта готовили растворы гуминовых соединений с определенной цветностью (100 ^оЦ, 200 ^оЦ ). Цветность определяли по стандартной хромато-кобальтовой шкале

Ионы железа (III) и меди (II) являются типичными ионными примесями фильтрационных вод объектов складирования твердых бытовых отходов, поэтому в работе была проведено исследование по возможности извлечения гидратированных ионов и гуматов этих металлов из модельных растворов.

Модельный раствор готовили следующим образом: к экстракту почвы с известной цветностью добавляли растворы солей в определенном соотношении и выдерживали в течение трех часов, после чего определяли цветность и содержание ионов металлов.

Концентрация железа в растворе определяется комплексонометрическим методом [22], который основан на взаимодействии ионов железа с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в сиреневый цвет комплексного соединения.

Концентрация меди в растворе также определяется комплексонометрическим методом с индикатором мурексидом.

Для разработки эффективных методов очистки фильтрационных вод и правильного выбора сорбционных и ионообменных материалов исследования проводили на модельных растворах и реальных сточных водах.