География и геология / 6. Природопользование и экологический мониторинг

Д.т.н., проф. Свергузова С.В., аспирант Ипанов Д. Ю.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

Исследование возможности очистки фосфат- и металлосодержащих водных растворов с помощью пыли электродуговых сталеплавильных печей (ЭДСП)

Разработка недорогих и эффективных способов очистки сточных вод является актуальной задачей. Особенное внимание специалистов в области водоочистки в последнее время привлекают отходы промышленных предприятий, которые в силу своих физико-химических особенностей могут проявлять свойства реагентов, сорбентов, коагулянтов. Нами для очистки растворов, содержащих ионы PO₄^3-, Ni²⁺ и Cu²⁺ предлагается использовать пыль ЭДСП Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) Белгородской области.

Модельный раствор содержал ионы, перечисленные в табл 2. Значение рН раствора до очистки составляло 2.0

Таблица 1

Состав модельного ряда

Ингредиенты	PO4^3-	SO4^2-	CO3^2-	Ni^2+	Al^3+	Fe^2+	Fe^3+	Cu^2+
Концентрации, мг/л	20	700	15	10	10	10	10	10

К модельному раствору добавляли пыль в количестве 2,5 г на 100 мл раствора. Полученную суспензию перемешивали в течение 30 мин, затем фильтровали через бумажный фильтр, в фильтрате определяли концентрацию ионов РО₄^3-, SO₄^2-, Al³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺. Ионы SO₄^2-, СО₃^2- определяли в связи с тем, что они часто присутствуют в различных сточных водах, а ионы Al³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺ - по той причине, что они входят в состав исходной пыли ЭДСП и в кислой среде могут перейти в раствор. Поскольку в состав пыли входят также силикаты различных металлов, при растворении пыли вероятен переход силикат-ионов в раствор и образование поликремниевых кислот. Как известно, поликремниевые кислоты обладают высокоразвитой поверхностью, способной адсорбировать взвешенные вещества и ионы металлов. Поэтому в процессе очистки с помощью пыли ЭДСП образование поликремниевых кислот способствует повышению эффективности очистки.

Процесс образования поликремниевых кислот можно кратко описать схемой:

- растворение силикатов:

а) CaSiO₃ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂SiO₃

б) Ca₂SiO₄ + 4H₂O → 2Ca(OH)₂ + H₄SiO₄

- диссоциация кремниевых кислот

а) H2SiO3 ↔ H^+ + HSiO3^- HSiO3- ↔ H^+ + SiO3^2-

б) H4SiO4 ↔ H^+ + Н3SiO4^- H3SiO4^- ↔ H^+ + HSiO4^2- H2SiO4^2- ↔ H^+ + HSiO4^3- HSiO4^3- ↔ H^+ + SiO4^4-

- Поликонденсация кремниевых кислот

а)

б)

Возможно также протекание процесса гидролиза силикатов, например:

2CaSiO₃ + 2HOH ↔ Ca(HSiO₃) + Ca(OH)₂

Ca(HSiO₃) + HOH ↔ H₂SiO₃ + Ca(OH)₂

Затем – процесс поликонденсации кремниевой кислоты, как описано выше.

Результаты анализа фильтрата после очистки представлены в табл. 2.

Таблица 2
Состав фильтрации после очистки
Ингредиенты	PO4^3-	SO4^2-	Fe^2+	Fe^3+	Al^3+	Ni^2+	Cu^2+	Mn^2+	Si
Концентрация, мг/л	0,23	403,83	<0,05	0,44	0,43	0,77	0,66	0,081	17,8
Эффективность очистки, %	98,9	42,3	-	-	95,7	99,3	99,4	-	-

Из результатов, представленных в табл. 2 видно, что при условиях эксперимента происходит эффективная очистка модельных растворов по всем ингредиентам, а определенная часть силикат-ионов переходит в раствор вследствие растворения силикатов.

В ходе исследований было установлено также, что содержание силикат-ионов в растворе (в пересчете на Si) тем выше, чем ниже значение рН исходного раствора (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость содержания кремния в растворе от исходного значения рН водной среды

Таким образом, было доказано присутствие в водной среде после добавления пыли ЭДСП силикат-ионов, что подтверждает возможность образования поликремниевых кислот и адсорбции на их поверхности загрязняющих веществ. Эффективность очистки растворов для ионов РО₄^3- составляет 98,9 %, для ионов металлов – от 95,7 % (Al³⁺) до полного отсутствия в растворе. Это подтверждает возможность использования пыли ЭДСП для очистки водных сред от фосфатов и ионов тяжелых металлов.