Использование модифицированных отходов переработки макулатуры для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов
Использование модифицированных отходов переработки макулатуры для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов
Аннотация
В рамках представленной работы исследованы физико-химические и сорбционные свойства модифицированных отходов целлюлозно-бумажной промышленности – скопа. Модификацию проводили путем термообработки исходного скопа при температурах 300, 325, 350 и 375°C, после чего образцы подвергали ультразвуковой обработке. В статических условиях проведены эксперименты по очистке модельных растворов, содержащих ионы Cu2+, Cr6+ и Fe3+ с применением модифицированных образцов скопа, рассчитана степень сорбции по отношению к рассматриваемым ионам тяжелых металлов. Установлено, что высокотемпературная обработка рассматриваемых отходов повышает эффективность очистки модельных растворов от ионов тяжелых металлов: например, степень сорбции ионов Cu2+ после термообработки при 325°C составила 82%, что более чем на 50% больше, чем у образца скопа, который не подвергался воздействию высоких температур; степень сорбции ионов Cr2+ – 86%, ионов Fe3+ – 70%. Установлено, что модификация термообработанного скопа ультразвуковыми колебаниями в течение короткого времени (не более 5 мин) приводит к увеличению степени сорбции в среднем на 6%, при увеличении продолжительности ультразвуковой обработки до 20 минут – степень сорбции снижается до 10%.
1. Введение
Ежегодно в процессе производства бумаги и картона фильтры водоочистных сооружений на целлюлозно-бумажных комбинатах собирают и аккумулируют большое количество отходов скопа, которые далее размещаются на временных площадках или специализированных полигонах, занимая огромные площади. Основные перспективные направления применения скопа были описаны ранее в работах , , , . В свою очередь, отходы скопа могут быть использованы для решения проблем связанных с очисткой сточных вод от различных загрязняющих веществ путем применения этих отходов в качестве сорбционного материала , .
Сорбционный материал, полученный из скопа, обладает преимуществом относительной дешевизны, а его использование в перспективе снижает негативное воздействие на окружающую среду . Для улучшения сорбционных характеристик отходов скопа в рамках представленной работы были применены хорошо известные методы физической модификации сорбционных материалов: высокотемпературная термическая обработка , , и воздействие ультразвуковыми колебаниями , , .
2. Материалы и методы исследования
Образцы скопа были отобраны на временной площадке хранения отходов на территории целлюлозно-бумажного комбината и подготовлены в соответствии с методикой . Исследованию сорбционных свойств скопа и продуктов его переработки предшествовало определение его основных физико-химических характеристик: влажности, насыпной плотности, водородного показателя (рН), удельной электрической проводимости (УЭП) и общей минерализации (сухого остатка) водных вытяжек. Измерение общей минерализации, удельной электропроводности и рН водного экстракта скопа и модифицированных сорбционных материалов на его основе производили с применением комбинированного прибора марки «Анион 7051» в соответствии с инструкцией к прибору.
Влажность образцов скопа измеряли с помощью влагомера марки «AND ML-50» по методике . Определение содержания органической части проводили методом озоления в соответствии с методикой , для чего образцы исходного скопа высушивали при температуре 100-105°C, далее выдерживали в муфельной печи до полного золообразования при температуре 500°C. Для получения сорбционных материалов скоп подвергали термической обработке в муфельной печи при температурах ниже полной зольности (300, 325, 350 и 375°C). Эффективность сорбции термообработанных образцов скопа, определяли с использованием модельных растворов, содержащих ионы тяжелых металлов (Cu2+, Cr6+ и Fe3+) в соответствии с , .
Ультразвуковую обработку скопа проводили в ультразвуковой ванне марки «Сапфир» при частоте 35 кГц и температуре 25°C в течение 5, 10 и 20 минут. Исследование сорбционных характеристик образцов, полученных в результате физической модификации, выполняли с помощью атомно-эмиссионного спектрометра марки «Agilent 720 ICP-OES» согласно методике .
3. Основные результаты и обсуждение
На начальном этапе были проведены исследования физико-химических свойств исходного скопа. Плотность влажного и сухого образцов скопа составила 490 кг/м3 и 294 кг/м3 соответственно. Во влажном (свежем) скопе органическая часть составляет 22%, а неорганическая – 18%. В пересчете на сухую массу (высушенную при температуре 100 – 105 °С) на органическую часть в сухом скопе приходится около 55% от общей массы, а на неорганическую – 45%. Результаты измерений показателей общей минерализации, удельной электрической проводимости и рН водных экстрактов скопа представлены в таблице 1.
На следующем этапе работы были исследованы сорбционные свойства различных образцов скопа по отношению к ионам тяжелых металлов: Cu2+, Cr6+ и Fe3+. Результаты исследования сорбционных характеристик образцов скопа приведены в таблице 2.
Таблица 1 - Показатели общей минерализации, электропроводности и рН водных экстрактов скопа
Наименование образца | УЭП ± Δ, мкСм/см | Минерализация (по NaCl) ± Δ, мг/дм3 | рН ± Δ, ед. рН |
Скопa | 313±15 | 150±8 | 7,9±0,2 |
Скопс | 960±50 | 471±24 | 7,2±0,2 |
Примечание: Скопa - исходный образец скопа; Скопс – сорбционный материал, полученный путем обработки исходного скопа при температуре 325°С
По результатам измерений концентраций ионов тяжелых металлов в исходном растворе и остаточных концентраций после контакта исследуемых образцов с модельным раствором была рассчитана степень сорбции. Установлено увеличение показателя степени сорбции у образцов подвергнутых термической обработке, что согласно литературным данным , может быть связано с изменением структуры сорбционных материалов. Оптимальную степень сорбции показали образцы скопа, полученные при температуре термообработки 325°C.
Таблица 2 - Результаты очистки модельных растворов с применением различных образцов скопа
Наименование образца | Концентрация до адсорбции (мг/л) | Концентрация после адсорбции (мг/л) | Степень сорбции, % | ||||||
Cu2+ | Cr6+ | Fe3+ | Cu2+ | Cr6+ | Fe3+ | Cu2+ | Cr6+ | Fe3+ | |
Скопa | 63,0 | 14,3 | 30,0 | 45,0 | 9,4 | 23,2 | 29 | 34 | 23 |
Скопb | 42,0 | 3,1 | 11,4 | 33 | 78 | 61 | |||
Скопc | 11,4 | 1,9 | 9,0 | 82 | 86 | 70 | |||
Скопd | 9,6 | 2,3 | 18,4 | 85 | 83 | 38 | |||
Скопe | 11,2 | 2,6 | 15,5 | 82 | 82 | 48 | |||
Примечание: Скопb - сорбционный материал, полученный путем обработки исходного скопа при температуре 300°С; Скопd - сорбционный материал, полученный путем обработки исходного скопа при температуре 350°С; Скопe - сорбционный материал, полученный путем обработки исходного скопа при температуре 375°С
Для выявления влияния ультразвука на сорбционную активность, образец скопа, обработанный при температуре 325°C, подвергали воздействию ультразвуковых колебаний мощностью 150 Вт/см2 и частотой 35 кГц в водной среде в течении различных временных промежутков (5, 10 и 20 минут). После ультразвуковой обработки исследовали сорбционные свойства образцов скопа согласно методике и далее рассчитывали степень сорбции. Результаты очистки модельных растворов от ионов тяжелых металлов образца Скопс после ультразвуковой обработки приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты сорбционной очистки модельных растворов с применением образца скопа после ультразвуковой обработки
Время обработки, мин | Концентрация до адсорбции (мг/л) | Концентрация после адсорбции (мг/л) | Степень сорбции, % | ||||||
Cu2+ | Cr6+ | Fe3+ | Cu2+ | Cr6+ | Fe3+ | Cu2+ | Cr6+ | Fe3+ | |
5 | 63,0 | 14,3 | 30,0 | 7,40 | 1,25 | 6,80 | 88 | 91 | 77 |
10 | 12,3 | 2,40 | 10,7 | 80 | 83 | 64 | |||
20 | 15,5 | 3,10 | 12,4 | 75 | 78 | 59 | |||
По результатам проведенных экспериментов было установлено, что ультразвуковая обработка образца скопа в течении 5 минут приводит к незначительному увеличению степени извлечения ионов тяжелых металлов, степень сорбции при этом возрастает в среднем на 6%. При увеличении времени обработки ультразвуковыми колебаниями до 10 минут степень сорбции снижается более чем на 4%; при 20 минутной ультразвуковой обработки – степень сорбции снижается на 10% по сравнению с исходным образцом.
4. Заключение
В рамках представленной работы были изучены физико-химические и сорбционные свойства образцов модифицированных отходов скопа. На первоначальном этапе скоп подвергался термической обработке при температурах 300, 325, 350 и 375°C. Дальнейшую модификацию термообработанных образцов проводили под воздействием ультразвуковых колебаний с постоянной мощностью и частотой. После каждого этапа модификации были определены физико-химические характеристики скопа, а также сорбционные свойства по отношению к ионам Cu2+, Cr6+ и Fe3+. Установлено, что высокотемпературная обработка образцов скопа повышает эффективность очистки модельных растворов от ионов тяжелых металлов: степень извлечения ионов Cu2+ составила 82%, ионов Cr6+ – 86%, ионов Fe3+ – 70%. Установлено, что дальнейшая модификация скопа ультразвуковыми колебаниями приводит к незначительному увеличению степени сорбции (в среднем на 6% при 5 минутном воздействии ультразвука). При увеличении продолжительности ультразвуковой обработки до 20 минут наблюдается снижение (до 10%) показателя степени сорбции по сравнению с исходным образцом.
Таким образом, проведенные исследования позволяют рассматривать модифицированные образцы скопа как перспективный материал для очистки загрязненных водных растворов от ионов тяжелых металлов. Использование скопа в качестве сорбционного материала позволит сократить количество отходов, отправляемых на утилизацию, что в свою очередь должно привести к снижению платы за негативное воздействие на окружающую среду при размещении отходов на специализированных полигонах.