Экология/ 2. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон

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

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

К вопросу о возможности использования пыли электросталеплавильного производства для очистки фосфатсодержащих вод

Водные экосистемы, в которых живые компоненты представлены водорослями, простейшими и т.д., как правило, быстро реагируют на загрязненность [1].

Фосфаты, поступающие в водные объекты со сточными водами, представляют серьезную угрозу для водных экосистем, поскольку избыточное содержание фосфатов в воде вызывает усиленную эвтрофикацию вод. Одним из худших последствий эвтрофикации является вызванное этим феноменом изменение содержания кислорода в воде. Гидробионты испытывают серьезные трудности при жизни в таких водных объектах, поскольку ночами весь или почти весь кислород воды растения используют на дыхание, ничего не оставляя рыбам и другим представителям водной фауны [2]. Поэтому разработка эффективных и недорогих способов очистки сточных вод от фосфатов является актуальной задачей.

Нами для очистки фосфатсодержащих вод предложено использовать отход сталеплавильного производства – пыль электродуговых сталеплавильных печей (ЭДСП) Оскольского электрометаллургического комбината Белгородской области (Россия).

Исходя из данных химического анализа состава пыли ЭДСП, в ней содержится до 14 % СаО, находящегося в пыли в свободном виде и в виде силикатов кальция типа CaSiO₃ и Ca₂SiO₄. Кроме того, в пыли содержатся в незначительных количествах оксиды Mg, Mn(II), Al, Fe(II), Fe (III), Cu, Sn, Zn, Pb. При добавлении к пыли раствора H₂SO₄ (0,1 н) происходит растворение соединений металлов по схемам:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

MeSiO₃ + H₂SO₄ → MeSO₄ + H₂SiO₃ ↓

Me₂SiO₄ + 2H₂SO₄ → 2MeSO₄ + H₂SiO₄ ↓

MeO + H₂SO₄ → MeSO₄ + H₂O

Me₂O₃ + 3H₂SO₄ → Me₂(SO₄)₃ + 3H₂O

В результате, образуется суспензия, содержащая металлы в ионном виде.

При обработке данной суспензией модельных металл- и фосфатсодержащих растворов возможно образование малорастворимых соединений в результате обменных реакций:

Ca²⁺ + PO₄^3- → Ca₃(PO₄)₂ ↓ Fe³⁺ + PO₄^3- → FePO₄↓

Mg²⁺ + PO₄^3- → Mg₃(PO₄)₂ ↓ Ni²⁺ + 2OH^- → Ni(OH)₂ ↓

Mn²⁺ + PO₄^3- → Mn₃(PO₄)₂ ↓ Cu²⁺ + 2OH^- → Cu(OH)₂ ↓

Al³⁺ + PO₄^3- → AlPO₄ ↓ 2Ni²⁺ + 2OH^- → (NiOH)₂CO₃ ↓

Fe³⁺ + PO₄^3- → Fe₃(PO₄)₂↓ 2Cu²⁺ + 2OH^- + CO₃ → (CuOH)₂CO₃ ↓

О возможности образования перечисленных осадков можно судить по величинам их произведений растворимости (ПР) (табл.) [3].

Таблица

Произведения растворимости

Вещество	ПР	Вещество	ПР
Ca3(PO4)2	2,0∙10^-29	FePO4	1,3∙10^-22
Mg3(PO4)2	1,3∙10^-^13	Ni(OH)2	2,0∙10^-15
AlPO4	5,75∙10^-19	Cu(OH)2	2,2∙10^-20

Образовавшийся осадок легко удалить из раствора отстаиванием или фильтрованием.

Кроме протекания перечисленных реакций возможна также очистка за счет сорбционных процессов. Обоснованием такого предположения является большая удельная поверхность пыли (64,6 м²/г) и наличие на поверхности частиц пыли множества шероховатостей, неровностей, сколов, что свидетельствует об энергетической неоднородности поверхности и возможных адсорбционных свойствах пыли. Поэтому нами была исследована возможность сорбционной очистки с помощью пыли ЭДСП.

В связи с тем, что при добавлении пыли в модельные или реальные сточные воды происходит ее частичное растворение, часть ионов Са²⁺ переход в раствор, что делает вероятным образование малорастворимого соединения Са₃(РО₄)₂. Это может искажать результаты исследований процесса адсорбции ионов РО₄^3- на поверхности пыли. Поэтому для данной серии исследований пыль ЭДСП обрабатывали 1,0 н HCl в течение часа, затем оставшуюся часть пыли отмывали до нейтральной реакции. С отмытой пылью ЭДСП проводили исследования процесса адсорбции ионов РО₄^3-.

Определение изотерм адсорбции и десорбции в статических условиях для фосфат-ионов (рис.) на пыли, отмытой 1 н кислотой, показало, что процесс адсорбции ионов РО₄^3- поверхностью пыли протекает в незначительной степени, сорбционная емкость составляет 1,93 мг/г.

Рис. Изотермы адсорбции и десорбции ионов РО₄^3- на поверхности пыли ЭДСП

Поскольку на изотерме адсорбции отсутствуют перегибы, можно предположить, что на поверхности происходит формирование моноадсорбционного слоя. Кривая десорбции расположена вблизи от оси ОХ, поэтому можно предположить, что в данном случае имеет место как физическая, так и химическая адсорбция.

В результате экспериментов по очистке модельных фосфатсодержащих растворов с исходной концентрацией ионов РО₄^3- 30 и 50 мг/л пылью ЭДСП эффективность очистки составляла 95,8 % и 98,7 % соответственно при добавке пыли 1,5 г на 100 мл модельного раствора.

Таким образом, в работе доказана возможность использования пыли ЭДСП для очистки фосфатсодержащих вод.

Литература

1. Водная экосистема [Электронный ресурс]- Режим удаленного доступа: http://ru-ecology.info.

2. Почему фосфаты и нитраты являются загрязняющими воду веществами [Электронный ресурс] - Режим удаленного доступа: http://www.geoglobus.ru.

3. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. – М.: Химия, 1971. – 456 с.