Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТИОНИТА СФ-5 В ПРАКТИКЕ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ ОТ ИОНОВ ЦИНКА И КАДМИЯ

Пимнева Л.А. 1 Загорская А.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Актуальной задачей экологии является рациональное использование водных ресурсов. В статье рассмотрены условия применения катионита СФ-5 для извлечения ионов цинка и кадмия из сточных вод. Основная масса цинка мигрирует через гидросферу. Накопление и передача ионов тяжелых металлов по пищевой цепочке представляет собой серьезную экологическую проблему для Тюменского региона. Мониторинг состояния водоемов показал превышение содержания ионов цинка в два раза. Данная научная работа рассматривает процессы сорбции и десорбции ионов кадмия и цинка на промышленном сорбенте СФ-5, а также пути интенсификации процесса извлечения. Процесс сорбции и десорбции проводили в динамических условиях. Оценены обменные емкости, которые показали, что с увеличением содержания соляной кислоты происходит уменьшение сорбции металлов. Определена глубина извлечения ионов металлов из растворов с кислой средой. Полученные экспериментальные данные по сорбции показали осложнение ионного обмена процессами комплексообразования ионогенных групп с катионами цинка и кадмия. Десорбцию и регенерацию катионита проводили соляной и серной кислотой, а также аммонийными солями этих кислот. Результаты по сорбции использовали для расчета площади контакта катионита с расходом сточной воды. Показана взаимосвязь процесса сорбции и десорбции. В статье предложен расчет необходимого оборудования для проведения очистки сточных вод, оценена ионообменная емкость катионита при различных условиях, приведены условия десорбции загрязнений и регенерации катионита. Расчеты показали, что для очистки заданного количества стоков до ПДК потребуется 6 ионообменных колонн. Проведенные исследования показали эффективное удаление ионов цинка и кадмия с использованием катионита СФ-5.
катионит
кинетика сорбции
кадмий
цинк
1. Доклад об экологической ситуации в Тюменской области в 2021 г. Правительство Тюменской области. Тюмень, 2022. [Электронный ресурс]. URL: https://admtyumen.ru/files/upload/OIV/D_nedro/Доклад%20об%20экологической%20ситуации%20в%20Тюменской%20области%20в%202021%20году.pdf (дата обращения: 15.05.22).
2. Сайт компании ООО «Тюмень Водоканал». [Электронный ресурс]. URL: http://vodokanal.info (дата обращения: 15.05.22).
3. Чиркова В.С., Собгайда Н.А., Алферов И.Н., Рзазаде Ф. Очистка сточных вод гальванического цеха (на примере ООО ЭПО «Сигнал» г. Энгельс) // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. № 10. С. 460–463.
4. Комарова И.В., Галкина Н.К., Анфилов Б.Г., Шептовецкая К.И., Кац Э.М., Хамизов Р.Х. Многократное использование регенерационного раствора как способ реализации безотходной ионообменной технологии очистки сточной воды // Сорбционные и хроматографические процессы. 2008. Т. 8. Вып. 1. С. 37–43.
5. Пестрецов С.И., Родина А.А. Аппаратурно-технологическое оформление процесса ионно-обменной очистки сточных вод гальванических производств // Вопросы современной науки и практики. 2012. № 2 (40). С. 327–332.

Актуальной задачей экологии является рациональное использование водных ресурсов. В окружающей среде происходят превращения веществ, при этом металлы не исчезают, а вступают в различные взаимодействия. Наблюдения за состоянием поверхностных вод водотоков Тюменской области показывают их загрязненность [1]. Юг Тюменской области располагается таким образом, что главные водные артерии берут начало в развитых индустриальных регионах (Челябинская область, Башкирия, Свердловская область). Выше водозаборных сооружений г. Тюмени находятся 17 крупных металлургических предприятий, сточные воды которых сбрасываются в источник централизованного водоснабжения г. Тюмени (рис. 1).

Pimneva1.pdf

Рис. 1. Основные источники промышленных стоков бассейна р. Тура [2]

Многие промышленные предприятия имеют в своем составе гальванические цеха для нанесения металлических покрытий [3]. При работе возникает необходимость утилизации отработанных растворов и сточных вод после промывки металлических изделий. К группе токсичных металлов относятся медь, марганец, цинк, кадмий, кобальт, никель, железо и хром. Вклад в загрязнение водоемов ионами металлов представлен на рис. 2. Основная масса цинка мигрирует через гидросферу. Цинк составляет более 30 % от общего количества загрязнений, его фоновая концентрация в поверхностных водоемах в среднем в два раза превышает ПДК и колеблется от 1,7 до 3,2 мг/дм3 [1].

Pimneva2.pdf

Рис. 2. Доминирующие металлы в составе загрязнений водных объектов Тюменской области

Сточные воды содержат соли токсичных тяжелых металлов, которые передаются по пищевой цепочке и представляют опасность для живых организмов. Задача снижения концентрации ионов тяжелых металлов в водоёмах Юга Тюменской области является актуальной и связана с внедрением доступных и эффективных технологий, позволяющих не только извлекать ионы металлов, но и повторно использовать их в смежных технологических цепочках. Таким образом, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами требует извлечения их из производственных растворов и рециклинга их в дальнейшем в основных или вспомогательных производственных процессах.

Эффективным методом извлечения металлов является ионный обмен с применением комплексообразующих ионитов, которые обладают высокой избирательной способностью и чистотой разделения.

Цель исследования – определение условий сорбции и десорбции ионов цинка и кадмия из модельных растворов катионитом СФ-5.

Материалы и методы исследования

Для исследования использовали катионит СФ-5 пористой структуры в водородной и солевой (аммонийной) формах. Крупность зерен была 0,25–0,50 мм (воздушно-сухом состоянии). Сорбция изучалась в динамических условиях. В колонку сечением 1,4 см2 загружали 6,0 г катионита, что соответствовало высоте слоя 16,5 см2, затем пропускали растворы сульфатов цинка и кадмия в присутствии соляной кислоты и в ее отсутствие. В проводимых опытах скорость фильтрации была 1,0 мл/(см2∙мин). Объем растворов, выходящий из колонки, отбирался по 25 мл.

В промышленных условиях для очистки загрязненных вод используют аппараты непрерывного действия (адсорберы), в которых происходит извлечение тяжелых металлов. Принцип действия заключается в том, что адсорбент движется навстречу поступающему раствору. Для работы технологического процесса необходимо провести технологический расчет аппарата и определить кинетические параметры процесса сорбции.

Результаты исследования и их обсуждение

В процессах нанесения покрытий используют растворы солей с добавлением неорганических и органических кислот. При этом растворы приобретают кислую среду, рН растворов может изменяться от 4,5 до 1,0 в зависимости от концентрации кислоты. Отработанные растворы попадают в сточные воды, которые необходимо утилизировать для извлечения ценных компонентов. Для этих целей применяют катиониты и аниониты [4].

Фосфорнокислый катионит СФ-5 диссоциирует по двум ступеням. Каждая ступень характеризуется показателем кажущейся константой ионизации рК1 = 3,1 и рК2 = 8,4. Полная обменная динамическая емкость катионита 15,84 мг/г. По значениям констант ионизации можно оценить связь ионогенной группы с катионом водорода. На рис. 3 наблюдается проявление конкурентной сорбции ионов водорода.

На рис. 3 видно, что с увеличением концентрации соляной кислоты сорбция ионов металлов уменьшается. В результате эксперимента получили значения обменной емкости для аммонийной формы катионита несколько выше, чем водородной формы. Для растворов, не содержащих соляную кислоту, значение обменной емкости приближается к значению обменной емкости катионита. Это подтверждает, что сорбция происходит в виде простых катионов:

Pimneva001.wmf

Таким образом, процесс сорбции будет зависеть от ионной формы катионита, прочности образующихся комплексных соединений иона металла с функциональной группой и рН среды растворов.

Для извлечения сорбированных ионов металлов из катионита требуется подобрать условия, при которых происходит легкость и полнота десорбции. Скорость и полнота вымывания сорбированных ионов металлов определяется не только свойствами иона, но и свойствами десорбирующих растворов. Десорбция ионов и регенерация катионита растворами кислот и солей представляет наибольший интерес.

На рис. 4 представлены выходные кривые сорбции ионов цинка и кадмия. Полученные в эксперименте выходные кривые ионов металлов имеют обычный вид.

Рассматривая результаты опытов по сорбции, необходимо отметить осложнение ионного обмена процессами комплексообразования ионогенных групп с катионами цинка и кадмия. Полученные результаты по сорбции позволяют рассчитать площадь контакта катионита с расходом сточной воды, общее количество ионов, поглощенных в колонке за 1 час.

Pimneva3.pdf

Рис. 3. Сорбция ионов Zn2+ (а) и Cd2+ (б) из 0,2 М растворов, содержащих HCl катионитом СФ-5 в H+ – (1) и NH4+ – (2)

Pimneva4.pdf

Рис. 4. Выходные кривые сорбции ионов цинка (а) и кадмия (б) из 0,2 М растворов, содержащих HCl катионитом СФ-5 в NH4+-форме. Концентрация HCl, моль/л: 0,0 (1); 0,1 (2); 0,5 (3); 1,0 (4); 2,0 (5)

Процессы сорбции взаимосвязаны с процессами десорбции и характеризуют обратимость ионного обмена. Для десорбции ионов и регенерации катионита использовали соляную и серную кислоты, соли этих кислот. Десорбция из комплексообразующих катионитов определяется факторами: характера связей между катионом и ионогенной группы, сродство катиона десорбирующего реагента к катиониту, тип и концентрация электролита, рН среды.

Основной реакцией ионного обмена при десорбции будет

Pimneva002.wmf

Pimneva002.wmf,

протеканию способствует протонирование ионогенных групп и, как следствие, сдвиг реакции ионного обмена в правую сторону. Поэтому для большего проявления различий перед десорбцией сорбировалось по 10 мг катионов цинка и кадмия при общей обменной емкости слоя катионита в колонке 15,84 мг ∙ 6 г = 95,04 мг.

На рис. 5 представлены кривые десорбции цинка и кадмия.

Кинетика ионного обмена рассматривается с позиции общей теории гетерогенных реакций. Процесс ионного обмена заключается в химическом превращении, который протекает в твердой фазе. Кроме того, происходит процесс переноса массы вещества из одной фазы в другую. В основе ионного обмена лежит простая химическая реакция

Pimneva003.wmf.

Процесс переноса вещества позволяет определить лимитирующую стадию. Для комплексообразующих катионитов лимитирующей стадией является диффузия сорбированного иона в зерне.

Для определения эффективности внедрения ионообменной очистки в практику очистки промышленных стоков смоделируем количество ионообменных колонн и оценим необходимое количество ионообменной смолы СФ-5 при очистке 100 м3/ч сточных вод. Результаты по сорбции использовали для расчета площади контакта катионита с расходом сточной воды. В качестве базовых выражений для расчета были использованы формулы (1)–(7) [5].

Pimneva5.pdf

Рис. 5. Кривые вымывания ионов цинка (а) и кадмия (б) растворами: 1 М HCl (1), 2 M Н2SO4 (2), 1 M HF (3)

Расчет ионообменных колонн для извлечения цинка

Параметр

Единица измерения

Значение

Расход сточных вод, Q

м3/ч

100

Скорость фильтрации, V

м/ч

8

Высота слоя катионита, Hk

м

3

Требуемый объем катионита, Vk

м3

150,76

Исходная концентрация загрязнения, Cex

мг/дм3

2

Предельно допустимая концентрация загрязнения, Сen

мг/дм3

0,01

Количество регенераций в сутки, n

-

2

Ионообменная ёмкость, Ek

мг*экв/г

15,84

Требуемая масса катионита, М

кг/ч

12,56

Продолжительность фильтроцикла, t

ч

12

В качестве объекта изучения были выбраны очищенные сточные воды с исходным содержанием цинка 2 мг/дм3. Очистка производилась до ПДК хозяйственно-питьевых водоемов, 0,01 мг/дм3. Основные и промежуточные результаты расчета приведены в таблице.

В результате расчета было установлено, что для очистки заданного количества стоков до ПДК потребуется 6 ионообменных колонн с диаметром 2 м и высотой рабочего ионообменного слоя 3 м. Эффективность очистки сточных вод в данном случае составляет 99,5 %.

Заключение

В результате проведенных исследований было установлено, что СФ-5 эффективен для удаления ионов кадмия и цинка. Эффективность извлечения ионов может быть увеличена за счет температуры сточных вод и модификации катионита ионами аммония. Очистка с использованием катионита СФ-5 может внедряться в действующие технологических схемы подготовки сточных вод на стадии заключительной очистки перед сбросом сточных вод в водоемы.


Библиографическая ссылка

Пимнева Л.А., Загорская А.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТИОНИТА СФ-5 В ПРАКТИКЕ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ ОТ ИОНОВ ЦИНКА И КАДМИЯ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 9. – С. 87-91;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37897 (дата обращения: 18.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674