научная статья по теме ОЧИСТКА ШАХТНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОЧИСТКА ШАХТНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2009, № 6, с. 59-62

УДК 662.732:661.183.5

ОЧИСТКА ШАХТНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ © 2009 г. Е. Б. Лесникова, Н. И. Артёмова, В. П. Лукичёва

ФГУП "Институт горючих ископаемых — научно-технический центр по комплексной переработке твердых горючих ископаемых", Москва E-mail: lesnikova_gumaty@mail.ru Поступила в редакцию 02.06.2009 г.

Для очистки шахтных вод Кизеловского бассейна были испытаны шесть углеродсодержащих сорбентов (УС), полученных из бурых углей. В лабораторных условиях определены основные физико-химические характеристики, режимы процесса очистки кислых шахтных вод. Получены характеристики исходных углей и отработанных УС. Показано, что применение данного способа очистки приводит к снижению общей жесткости и содержания сульфатов на 15—27%, а также к практически полному удалению вредных катионов металлов из шахтных вод. Результаты анализа отработанных УС показали, что они могут быть утилизированы методом термического окисления.

Количество сточных и сбросных вод, в том числе содержащих вредные неорганические и органические соединения, возрастает из года в год. Сброс кислых шахтных или рудничных вод, а также кислых сточных вод многих производств, содержащих минеральные кислоты и катионы металлов (в том числе тяжелых и радиоактивных), в природные водоемы приводит к серьезным нарушениям гидробиологического режима водоемов, поскольку токсичность этих металлов по отношению к живым организмам весьма высока.

Проблема загрязнения окружающей среды вредными веществами, содержащимися в шахтных водах, обострилась в результате ликвидации ряда действующих угольных шахт. Типичным примером являются кислые шахтные воды Кизе-ловского угольного бассейна, где на несколько порядков повышено содержание железа, алюминия, свинца, меди, цинка, серебра, никеля, кобальта и др. [1, 2].

Ликвидация шахт в период 1990-х годов не решила, а только усилила экологические проблемы. Откачка кислых шахтных вод на поверхность была прекращена, однако после восстановления уровня подземных вод в этих районах в течение нескольких лет происходил "самопроизвольный излив" шахтных вод, что привело к значительному загрязнению рек на протяжении десятков километров. В настоящее время фиксируются превышения ПДК по концентрации железа и других металлов на водозаборах, расположенных ниже по течению от мест поступления шахтной воды. Прогноз развития ситуации показал, что поступление загрязнителей в реки региона за счет "самопроизвольного излива" шахтных вод на поверхность в ближайшее время будет только увеличиваться.

В табл. 1 приведен состав и количество кислых шахтных вод Кизеловского бассейна, данные ко-

торой свидетельствуют о том, что в прилегающие водоемы изливается до 850 м3/ч кислых шахтных вод, загрязненных катионами металлов, а также сульфатами и хлоридами, что наносит огромный ущерб окружающей среде. Аналогичная ситуация, сложившаяся на многих угледобывающих предприятиях России, требует разработки эффективных и экономичных технологий очистки воды.

Применение экономичных природных угле-родсодержащих сорбентов (УС) нового поколения на основе гуминовых кислот позволяет нейтрализовать и очищать кислые шахтные и технологические сточные воды. Полифункциональные гуминовые вещества углей, являясь природными слабокислотными катионитами, обладают фильтрующими и комплексообразующими свойствами. В соответствии с общими свойствами ионообменных высокомолекулярных веществ и данными по структуре бурых углей, поглощение ионов гуминовыми кислотами обусловлено следующими причинами:

— образованием солей и фенолятов за счет функциональных групп природного ионообменника;

— реакцией обмена между катионами кальция или натрия гуматов углей и катионами тяжелых металлов;

— образованием комплексов различной устойчивости между гуминовыми кислотами углей и солями тяжелых металлов;

— образованием на отдельных активных участках макромолекул ионита мономолекулярных слоев поглощаемого вещества за счет сорбционных сил.

Сложность структуры и полифункциональный состав ионообменников на основе гуминовых кислот бурых углей определяет их комплексные свойства — как катионитов, так и анионитов. Соответствующая химическая обработка может усилить их ионообменные свойства [3, 4].

Таблица 1. Состав кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна

Точка излива шахтной воды Производительность, м3/ч Концентрация, мг/л

рН железо общее алюминий жесткость, мг-экв/л сульфаты хлориды

ш. им. Ленина 850 3.0 355 95 12.8 1800 50

шурф № 58 100 3.0 500 125 14 2300 30

шурф № 524 430 3.0 390 90 11 1740 25

ш. Нагорная 45 2.7 200 80 8.5 1280 40

ш. Центральная 250 2.7 1700 370 25.5 6680 70

ш. им. 1 Мая 250 2.9 280 35 4.4 1050 8

ш. им. Крупской 10 3.1 290 100 12 1730 45

ш. Усьва-3 100 3.0 150 60 2.5 750 5

ш. им. Чкалова 50 2.9 150 65 2.7 800 3

ш. Таежная 180 3.0 465 85 10 1950 35

ш. Скальная 80 3.0 100 30 9 970 85

Таблица 2. Характеристика исходных углей и отработанных УС

Наименование месторождения Технический анализ, % Элементный анализ, % на йа/

Ж" А ^зо4 8? С Н N О й

Березовское, гуминовые кислоты - 4.4 0 0.31 70.1 4.4 0.8 24.4

Березовское, уголь 12.4 7.0 0.1 0.40 71.7 4.8 0.8 22.3

Березовское, отработанный сорбент 15.6 55.3 3.29 3.34 26.9 2.3 0.4 24.4

Тюльганское, уголь 16.8 14.9 0.3 0.79 69.0 5.7 0.6 23.8

Тюльганское, отработанный сорбент 11.4 64.4 4.59 4.75 18.8 2.4 0.2 24.3

Тюльганское, отсев - 22.6 0.2 0.49 68.1 6.4 0.7 24.3

Тюльганское, отработанный сорбент 10.2 74.1 4.72 4.96 12.8 1.75 0.1 -

Щелочные растворы гуминовых кислот способны обменивать №-форму на катионы металлов с большей скоростью по сравнению с твердыми угольными катионитами. Данное явление можно объяснить гомогенным характером реакций ионного обмена, способностью растворимых гуминовых веществ с большой скоростью образовывать нерастворимые комплексы с металлами переменной валентности за счет различных кислородсодержащих и других активных функциональных групп, действие которых в твердых гуминовых веществах пространственно затруднено. Кроме того, гуматы щелочных металлов с полярными функциональными группами, являясь растворимыми в воде веществами, могут работать в качестве флокулянтов и значительно ускорять реакцию осаждения по аналогии с применяемой в промышленности полиакриловой кислотой.

Очистка в данном процессе происходит при коагуляции (флокуляции) щелочного углеродсо-держащего сорбента, добавленного в кислые шахтные воды, и при переходе его при нейтрализации в нерастворимый в воде осадок. При этом связываются и также переходят в нерастворимое состояние ионы металлов, в том числе тяжелые и радиоактивные металлы, железо, шестивалентный алюминий и хром. Одновременно происхо-

дит очистка от органических примесей — нефтепродуктов, красителей и т.д. [5—7].

Экономически целесообразно получать в качестве УС щелочной экстракт из бурых углей с содержанием гуминовых кислот более 30%. В данной работе УС получали из бурых углей Канско-Ачинского и Южно-Уральского бассейнов. Для очистки сточных вод применяли раствор с концентрацией гуматов 2—6%. В лабораторных условиях определены основные физико-химические характеристики и режимы процесса очистки кислых шахтных вод. Характеристика исходных углей и отработанных УС приведена в табл. 2.

Для очистки шахтных вод Кизеловского бассейна были испытаны шесть образцов УС, полученных из бурых углей путем их обработки щелочью при перемешивании в течение 30 мин при комнатной температуре. При проведении опытов по очистке в 1 л шахтной воды добавляли УС до достижения рН среды 6.5—7, тщательно перемешивали и отфильтровывали. Окончание процесса коагуляции определялось по началу процесса седиментации. Результаты проведенного исследования показывают, что процесс коагуляции завершается через 10—15 мин после добавления в воду УС и нейтрализации шахтной воды.

В опыте № 1 в качестве УС использован щелочной экстракт бурого угля Березовского месторожде-

ОЧИСТКА ШАХТНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ

61

Таблица 3. Соотношение компонентов при приготовлении углеродсодержащих сорбентов

№ УС на основе углей месторождений Расход

угля щелочи воды

г/л т/сут* г/л т/сут* мл/л м3/сут*

1 Березовского (гуминовые кислоты) 0.7 0.175 14 3.500 55.3 13.82

2 Березовского 0.7 0.175 14 3.500 55.3 13.82

3 Тюльганского 0.7 0.175 14 3.500 55.3 13.82

4 Тюльганского, отсев 0.7 0.175 14 3.500 55.3 13.82

5 Березовского 12.7 3.175 12.7 3.175 228.4 57.10

6 Тюльганского 12.5 3.125 12.5 3.125 225.0 56.25

* При очистке 250 м3 шахтной воды в сутки.

Таблица 4. Результаты очистки шахтной воды от катионов металлов

Вода Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Опыт 4

Элемент концен- концен- степень концен- степень концен- степень концен- степень ПДК,

трация, трация, извлече- трация, извлече- трация, извлече- трация, извлече- мг/л

мг/л мг/л ния, % мг/л ния, % мг/л ния, % мг/л ния, %

Mg 318.7 16.5 95 49.3 85 8.2 97 8.2 97

Al 233.4 0.04 100 0.49 100 0.6 10 1.3 99 0.5

V 0.04 0 100 0 100 0 100 0 100 0.1

Mn 54.5 0.06 100 0.06 100 0.02 100 0 100 0.1

Fe 3786 0.2 100 0.20 100 0.19 100 0.08 100 0.3

Co 1.7 0 100 0 100 0 100 0 100 0.1

Ni 27.1 0 100 0 100 0 100 0.07 100 0.1

Cu 0.06 0.03 50 0.04 33 0 100 0.01 83 1.0

Zn 1.19 0.13 89 0 100 0 100 0.02 98 5.0

Y 1.22 0 100 0 100 0 100 0 100

Th 0.08 0 100 0 100 0 100 0 100

U 0.08 0 100 0 100 0 100 0 100

ния, отделенный от твердого остатка (раствор гума-тов); в опыте № 2 — суспензия угля Березовского месторождения в растворе щелочи; в опытах № 3 и № 4 — суспензии угля и отсева Тюльганского бурого угля с повышенной зольностью, соответственно. В опытах № 5 и № 6 использованы суспензии углей Березовского и Тюльганского месторождений с большим количеством угля. Соотношение компонентов при приготовлении углеродсодержащих сорбентов приведено в табл. 3.

Анализ исходной и очищенной воды проводили с использованием масс-спектрометрии для элементного и изотопного анализа с ионизацией в индуктивно связанной плазме на приборе Plasma Quard и атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой и авт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком