Экология/2.
Экологические и метеорологические
проблемы больших
городов и промышленных зон
К.х.н. Перфильев А.В.,
д.т.н. Юдаков А.А., Ксеник Т.В.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук,
Россия
Исследование сорбционной активности
модифицированного перлита при
извлечении из воды
соединений различной природы
Введение
Основой экологической политики в угольной
промышленности является комплексный подход [1], предусматривающий соблюдение
действующих законодательных актов по охране природы, использование
функционирующей системы управления охраной природы, создание и внедрение
экологически безопасных технологических процессов добычи и переработки угля.
Согласно реализации комплекса мер по реструктуризации угольной промышленности
России за период 1992-2010 гг. в Приморском крае произошло массовое закрытие
неликвидных угольных шахт [2]. Шахты Партизанского угольного бассейна были
закрыты и затоплены. После остановки водоотлива, в процессе восстановления
естественного гидродинамического режима и, в особенности, после его
стабилизации, на подработанных шахтами территориях, стали образовываться зоны с
оседанием поверхности и подтоплением. Несмотря на то, что на двух шахтах
(«Нагорная» и «Углекаменская») установлены и в настоящее время действуют
очистные сооружения, в местах проседания происходит самопроизвольный
нерегулируемый выход шахтных вод (ШВ) к поверхности, приводящий к загрязнению
поверхностных вод и почвы.
Фильтрующие загрузки, используемые на
действующих очистных сооружениях, не всегда оказываются эффективными, поэтому
ведется поиск новых фильтрующих материалов, обладающих механическим
задерживанием твердых частиц и сорбционными свойствами. Авторы [3] предлагают
использовать прокаленную опоку для удаления нефтепродуктов, взвешенных веществ,
железа, кальция, магния. В работе [4] исследовалась фильтрационная способность
растительных отходов (рисовой шелухи и золы рисовой шелухи) при очистке ШВ на
ликвидированной шахте «Углекаменская» г. Партизанска. В работах [5, 6] нами
было показано, что вспученный гидрофобизированный перлит характеризуется низкой
насыпной плотностью, высокоразвитой поверхностью, достаточно высокой адсорбционной
ёмкостью и, следовательно, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фильтрующим
загрузкам.
Целью данной работы
являлось исследование процесса очистки ШВ ликвидированных угольных шахт
Партизанского угольного бассейна с помощью модифицированных перлитов Дальнего
Востока России.
Материалы и
методы
Объекты исследования – перлит Начикинского
месторождения, п-ов Камчатка; шахтные воды ликвидированной шахты «Нагорная» г.
Партизанска (Приморский край, Россия).
Методы модификации природного перлита
Вспучивание природного перлита
проводилось в рамках, рекомендуемых в ГОСТ 25226–96 [7]. Первая ступень –
термоподготовка при температуре 350 °С в течение 15 мин, вторая –
кратковременный обжиг образцов при температуре 1050 °С в течение 30 с.
Гидрофобизация поверхности материалов
проводилась по методике [8] в газовой среде углеводородных соединений парами
мазута топочного марки М-100 [9]. Обработка проводилась в опытно-промышленной
установке Института химии ДВО РАН при температуре парообразования
гидрофобизатора. Внесение гидрофобизатора осуществлялось сразу после прогрева
материала. Материал выдерживали в течение 24 ч для полного насыщения
гидрофобизатором и остывания до комнатной температуры.
Далее для краткости введено обозначение: ПВ-гф –
вспученный гидрофобизированный перлит.
Методика фильтрационных
испытаний
Пробы исследуемой воды пропускали через насыпной
адсорбционный фильтр, состоящий из слоев песка и ПВ-гф. Необходимость
использования песка в качестве груза была вызвана высокой плавучестью
исследуемого адсорбента.
Адсорбент и песок были помещены в колонку диаметром
50 мм. Высота нижнего слоя адсорбента составляла 200 мм, верхнего слоя песка –
40 мм. Движение исследуемой воды осуществлялось сверху вниз со скоростью пропускания
56 мл/мин (1,7 м/ч). Фильтрат отбирался в конические колбы, первые порции
фильтрата (50 мл) отбрасывались. Всего было отобрано по 1000 мл фильтрата
с каждой фракции. Песок предварительно промывали дистиллированной водой и
прокаливали в муфельной печи 3 ч при температуре 500 ºС.
Исследование качества ШВ до и после очистки
проводилось по следующим гидрохимическим показателям: цветность [10], мутность
[11], перманганатная окисляемость [12], общее железо [13].
Обсуждение результатов
На рисунке представлены результаты фильтрации ШВ
через слой ПВ-гф различных фракций.
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
Рисунок. Результаты
фильтрации шахтных вод
(0 – до фильтрации; 1–3
– фракция перлита 7–10, 5–7 и 3–5 мм соответственно)
Установлено, что размер гранул ПВ-гф при очистке ШВ влияет
на все определяемые показатели.
Наибольшее снижение цветности (на 12,5 %) отмечено при
использовании более крупной фракции. На более мелкой фракции цветность ШВ наоборот
возрастает. Цветность воды обусловлена присутствием в ней гумусовых веществ,
коллоидными соединениями железа, а также окрашенными сточными водами [14].
Поскольку причины, обусловливающие цветность воды, разнообразны, эффективность
обесцвечивания её во многом зависит от установления природы цветности.
Мутность воды обусловлена наличием в ней взвешенных частиц
глины, песка, органических веществ и т. п. Между содержанием взвешенных веществ
в воде и её мутностью нет прямой зависимости, т. к. мутность воды зависит не
только от количества взвешенных веществ, но и от степени их дисперсности.
Наибольшее снижение мутности отмечено при использовании фракции
ПВ-гф 5–7 мм. Видно также, что с уменьшением фракции адсорбента мутность также
снижается, что объясняется более эффективным задерживанием взвешенных частиц в
каналах фильтрующего слоя.
С уменьшением фракции ПВ-гф происходит более эффективное
удаление легкоокисляемых органических веществ. При очистке с использованием
самой мелкой исследуемой фракции (3–5 мм) перманганатная окисляемость снижается
в 3,4 раза.
Как
показано на рисунке, применение ПВ-гф более мелких фракций эффективно и для
обезжелезивания ШВ. Содержание железа общего при использовании фракций 3–5 и
5–7 мм снижается почти в 8 раз.
Выводы
После затопления
нерентабельных угольных шахт Партизанского бассейна в регионе возникла проблема
загрязнения грунтовых и поверхностных вод. Как показали наши исследования, необходим
поиск и внедрение новых сорбентов на уже имеющиеся очистные сооружения. Одним
из таких сорбентов, полученных из местных природных материалов, может быть
предложенный нами перлит, модифицированный путем вспучивания и гидрофобизации.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой
поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, по
постановлению П 218, договор № 02.G25.31.0035-225 от 12 февраля 2013 г. между
Открытым акционерным обществом «Дальневосточный завод «Звезда» и Министерством
образования и науки Российской Федерации.
Список литературы
1. Малышенко В.С., Каплунов
Ю.В., Красавин А.П., Харионовский А.А. Совершенствование природоохранных работ
в угольной промышленности: обзор / ЦНИЭИуголь. – М., 1992. – 98 с.
2. Долгосрочная программа
развития угольной промышленности России на период до 2030 года. – М., 2012. http://www.rosugol.ru/upload/pdf/dpup_2030.pdf.
3. Резников
Ю.Н. Шахтные и карьерные воды : Кондиционирование, использование, обессоливание
и комплексная защита окружающей среды при реструктуризации угольной
промышленности на территории приоритетного развития Донецкого и Макеевского
районов Донбасса : Отчет о НИР (промежуточный) : М-во образования и науки
Украины, ДонНТУ : Руководитель Матлак Ю.Н. / Резников Е.С. – Книга 1. – Н-6-99.
– Донецк, 2002. – 92 с.
4. Арефьева О.Д., Земнухова
Л.А., Иванова М.А. Очистка шахтных вод на ликвидированной шахте «Углекаменская»
г. Партизанска // Экология и промышленность России. – 2010. – Сентябрь. – С. 44.
5. Перфильев А.В. Получение
и свойства органоминеральных гидрофобных адсорбентов на основе природных
алюмосиликатов : дисс. … канд. хим. наук / ФГБУН Институт химии ДВО РАН. –
Владивосток, 2012. – 153 с.
6. Perfilev A.V., Ksenik T.V., Yudakov A.A. The research of adsorptive
characteristics of expanded hydrophobic aluminosilicates // 5th
Baltic Conference on Silicate Materials, 23–25 May 2011, Riga : Book of
abstracts. – Riga : RTU Publishing House, 2011. – С. 23–24.
7. ГОСТ 25226-96. Щебень и
песок перлитовые для производства вспученного перлита. Технические условия. –
М., 1998.
8. Юдаков А.А., Зубец В.Н.
Теория и практика получения и применения гидрофобных материалов. – Владивосток:
Дальнаука, 1998. – 182 с.
9. ГОСТ 10585-99. Топливо
нефтяное. Мазут. Технические условия. – Минск: Межгос.
совет по стандартизации, метрологии и сертификации; М.: Изд-во стандартов,
2005. – 7 с.
10.
ГОСТ
3351-74. Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности
(с изменением № 1). – М.: Изд-во стандартов, введ. 01.07.1975. – 28
с.
11. РД 52.08.104-2002.
Методические указания. Мутность воды. Методика выполнения измерений. – М.,
введ. 01.07.2002. – 12 с.
12. ГОСТ 23268.12-78. Воды
минеральные питьевые лечебные, лечебно-столовые и природные столовые. Метод
определения перманганатной окисляемости. – Введ. 01.01.1980. – 4 с.
13. Присяжнюк А.В.
Методическое руководство по мониторингу вод. – Владивосток, 2000. – 69 с.
14. Доливо-Добровольский
Л.Б., Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия и микробиология воды. – Киев: Вища
школа, 1971. – 306 с.