Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Михайлов Г.Г. 1 Лонзингер Т.М. 1 Морозова А.Г. 1 Скотников В.А. 1

---

1 ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»

Изучен процесс сорбции катионов тяжёлых металлов синтезированным неорганическим композиционным сорбентом. При взаимодействии композиционного сорбента с ионами загрязнителей происходит сложный многостадийный процесс, результатом которого является включение загрязнителей в структуру сорбента с последующей минерализацией, поэтому обратный переход тяжёлых металлов в очищаемую среду невозможен без применения специальных технологий. Одновременно сорбент нейтрализует кислые промышленные стоки. Данные экспериментов показывают, что композиционный сорбент практически полностью поглощает из воды катионы тяжёлых металлов, снижая их концентрацию до нормативных значений. Результаты исследований подтвердили высокую эффективность композиционного сорбента при иммобилизации катионов тяжёлых металлов на загрязнённых объектах Карабашского промышленного района Уникальные свойства нового материала позволяют использовать его для реабилитации природных объектов.

Статья в формате PDF

5894 KB

композиционный сорбент

активные наноцентры

поверхностные новообразования

иммобилизация катионов тяжелых металлов

1. Захарова Е.А. Мелиорация земель в системе управления развитием агропредприятия / Е.А. Захарова, Д.С. Линиченко // Экономика сельского хозяйства России. – 2015. – № 6. – С. 71–77.

2. Григорьева Е.А. Сорбционные свойства глауконита Каринского месторождения: дис. … канд. хим. наук. – Челябинск, 2004. – С. 31–35.

3. Морозова А.Г., Лонзингер Т.М., Михайлов Г.Г. Композиционный сорбент на основе силикатов кальция // Патент России № 2481153.2013. Бюл. № 13.

4. Доклад об экологической ситуации в Челябинской области за 2014 год. Министерство экологии Челябинской области, 2015. URL: http://ekollog.ru/doklad-ob-ekologicheskoj-situacii-v-chelyabinskoj-oblasti-v-20.html.

5. Хлынина Н.Г. Изучение сорбционных свойств сорбентов в статических условиях / Н.Г. Хлынина, И.С. Алексейко // Вестник КрасГАУ. – 2008. – № 1. – С. 92–99.

Технологические процессы получения чёрных и цветных металлов связаны с образованием больших объёмов твёрдых и жидких отходов, которые содержат опасные для природной среды загрязнители – тяжёлые металлы. Загрязнения распространяются на значительные площади, переносятся с грунтовыми водами и оказывают негативное влияние на окружающую среду, порой полностью её разрушают. Растёт число заболеваний у населения промышленных областей, связанных с влиянием техногенных загрязнений на атмосферу, водные ресурсы, почву. Проблема реабилитации природных объектов с целью снижения экологической опасности стала актуальной [1]. Но её решение требует значительных материальных затрат. Современные сорбционные технологии ориентированы на использование природных и синтезированных материалов. Природные алюмосиликаты (глинистые минералы, цеолиты и др.) широко используются в технологических процессах и при ликвидации загрязнений на небольших ограниченных территориях, так как обладают низкой сорбционной ёмкостью [2]. Практическое использование известных сорбентов связано с решением технологических проблем по их «зарядке» обменными катионами, своевременной замене при достижении максимальной обменной ёмкости и последующей утилизации. Синтезированный в университете композиционный сорбент обладает низкой стоимостью, не требует дополнительных затрат при использовании, обеспечивает экологическую безопасность для окружающей среды при выводе его из эксплуатации [3].

Цель исследования

Оценка возможности использования композиционного сорбента для реабилитации природных водных объектов. В качестве природного объекта для испытаний были выбраны водоёмы Челябинской области, в которых концентрируются как атмосферные, так и литосферные загрязнения. Росгидромет проводит оценку степени загрязнения воды по показателю удельного комбинированного индекса загрязненности воды (УКИЗВ). Для выбранных природных объектов этот показатель равен 2,94–7,19 [4], что соответствует грязной и экстремально грязной воде.

Материалы и методы исследования

Объектом исследований являются системы композиционный сорбент и вода природных объектов, загрязнённых техногенными отходами.

Композиционный сорбент [3] имеет cостав и структуру, которая обеспечивает необратимое удерживание в кристаллической решётке катионов тяжёлых металлов.

Основой сорбента является мелкодисперсный силикат кальция, связанный в пористую структуру органоминеральным связующим. Под воздействием катионов тяжёлых металлов на поверхности сорбента постоянно появляются активные наноцентры, которые обеспечивают высокую сорбционную ёмкость гранул. Важным преимуществом разработанного материала является способность в процессе сорбции нейтрализовать кислые промышленные стоки. Утилизации композиционного сорбента не требуется. Сорбент даже при его полном насыщении может оставаться на очищаемом объекте, не оказывая отрицательного воздействия на окружающую среду.

Водоёмы Карабашского промышленного района Челябинской области были выбраны в качестве объекта исследования из-за высокой степени экологической опасности для населения. Река Миасс является основным источником питьевой воды для города Челябинска. Собирая воду из водоёмов Карабашского городского округа, река насыщается катионами тяжёлых металлов. Данные Министерства экологии Челябинской области по качественному составу основных загрязнителей воды реки Миасс представлены в виде диаграммы (рис. 1).

Как видно из диаграммы, содержание тяжёлых металлов (марганца, меди, цинка) в реке Миасс превышает предельно допустимые концентрации в 15–35 раз.

Результаты исследования и их обсуждение

Композиционный сорбент использовали для очистки проб воды, отобранных в 12 точках из водоёмов Карабашского промышленного округа. В табл. 1 показаны места отбора проб воды для исследования и ее физико-химические показатели.

Полученные экспериментальные данные показывают, что по содержанию катионов тяжёлых металлов отобранные пробы воды значительно превышают среднегодовые показатели. Для вещества 2 класса опасности – свинца наблюдается превышение ПДК в 4,6–260 раз. Содержание веществ 3 класса опасности в отобранных пробах многократно превышает предельно допустимые значения: медь – превышение ПДК в 39,7–161 раз; железо – превышение ПДК в 1,3–3811 раз; марганец – превышение ПДК в 1,2–450,5 раз; никель – превышение ПДК в 6,5–141,5 раз; цинк – превышение ПДК в 1,4–323,9.

Процесс сорбции изучали в стационарном режиме при массовом соотношении композиционный сорбент – сорбат равном 1:30. Размер гранул сорбента составлял 1–3 мм. Через заданные промежутки времени из исследуемых систем сорбент – сорбат отбирали пробы и определяли химический состав сорбата на атомно-эмиссионном спектрометре Optima 2100 DV. Одновременно проводили контроль величины водородного показателя воды. Поверхность сорбента после завершения процесса сорбции изучали методом электронной микроскопии.

На рис. 2 приведены данные, полученные при сорбции катионов свинца.

Результаты экспериментов показывают, что катионы свинца интенсивно поглощаются из проб воды композиционным сорбентом. Через 3 суток в пробах воды 5, 6, 6–1, 7, 8 с высокой средней и низкой степенью загрязнения концентрация свинца достигает практически нулевых значений. Более медленно процесс проходит в сильно загрязнённой пробе 4–1, где степень очистки через неделю контакта с сорбентом достингает 73 %, и 85 % в пробе 4 с содержанием свинца близким к ПДК.

Аналогичные данные получены при очистке воды композиционным сорбентом от катионов цинка. В высококонцентрированных растворах степень извлечения зависит от исходной концентрации цинка в водном растворе. Через 3 суток контакта содержание цинка в пробе 4 снизилось на 100 %, в пробе 4–1 на 60 %, в пробе 6–1 на 50 %, в пробе 6 – на 45 %, в пробе 5 – на 31 %. При увеличении времени контакта с сорбентом произошло дальнейшее снижение концентрации цинка в пробах воды. Степень сорбции для проб 4 и 6–1 составила 100 %, для пробы 4–1 – 80 %. Для проб воды с номерами 5 и 6, концентрация цинка в которых превышает ПДК в 220–330 раз, в течение недели удалось снизить содержание цинка на 45–54 %.

Для водных объектов Карабашского городского округа характерно высокое содержание железа, марганца и меди, относящихся к умеренно опасным (3-й класс опасности). На рис. 3 показано изменение концентрации катионов железа в исследованной воде после контакта с композиционным сорбентом и результаты взаимодействия композиционного сорбента с пробами воды из природных водоёмов.

Полученные экспериментальные данные показывают, что с повышением концентрации катионов железа в исследуемых пробах до величины, превышающей ПДК в 193–15000 раз, интенсивность процесса связывания катионов железа сорбентом-фотокатализатором значительно повышается. В исследованных пробах воды через 3 суток контакта концентрация катионов железа снижается до нулевых значений. Дальнейшее увеличение концентрации катионов железа в воде приводит к увеличению продолжительности процесса сорбции. Через 3 суток контакта с сорбентом концентрация катионов железа в пробе 4–1 уменьшается на 43 %, через 7 суток – на 69 %. Очень важным показателем для сильно загрязнённой воды является сорбционная ёмкость. Для катионов железа через 7 суток контакта сорбционная ёмкость композиционного сорбента имеет значение равное 78 мг/г.

При контакте проб воды с композиционным сорбентом при малом загрязнении марганцем через 7 суток наблюдается полное удаление марганца из воды. При высоких концентрациях загрязнителя процесс сорбции протекает с меньшей скоростью. Через 7 суток контакта сорбция катионов марганца из воды достигает 40–80 % в зависимости от состава исследованных проб.

Одним из основных тяжёлых металлов, загрязняющих водоёмы Челябинской области, является медь. Пробы воды, отобранные для исследования, содержат от 0,031 до 161 мг/л катионов меди. Данные экспериментов показывают, что через трое суток контакта сорбента с сильно загрязнённой водой концентрация катионов меди снижается на 31–55 %. Увеличение продолжительности контакта приводит к снижению концентрации катионов меди в пробах воды на 44–100 %. Полученные результаты показывают, что композиционный сорбент в течение 7 суток практически полностью поглощает из воды катионы тяжёлых металлов, снижая их концентрацию до нормативных значений.

Экспериментально доказано, что композиционный сорбент эффективен для очистки природных объектов с низкой и экстремально высокой концентрацией катионов тяжёлых металлов. В отличие от известных сорбентов процесс сорбции для композиционного сорбента не ограничивается определённой областью значений водородного показателя. Он очищает воду от тяжёлых металлов в кислой, нейтральной и щелочной областях. Одновременно с процессом сорбции происходит нейтрализация кислых промышленных стоков (рис. 4). Дополнительные реактивы для нейтрализации не используются.

Химический состав поверхности сорбента свидетельствует о поглощении катионов тяжелых металлов. В количественном отношении преимущество имеют элементы (в частности, железо, цинк и медь), имеющие наибольшую концентрацию в исходных растворах. Электрохимическая, структурная и фазовая неоднородность поверхности сорбента обеспечивает многообразие поверхностных процессов, приводящих к иммобилизации техногенных загрязнений в его структуре, в том числе:

1) формирование смешанных мелкодисперсных агрегатных структур, представляющих собой конгломератные образования силикатов меди, цинка, железа и марганца с сульфатом кальция, как в карбонизированном так и некарбонизированном состоянии;

2) формирование пленочных однородных сульфокарбонатных силикатных новообразований, по-видимому, также смешанных карбонатного 2(2CaO•SiO2)•CaCO3 и сульфатного 2(2CaO•SiO2)•CaSO4 спуритов [5];

3) формирование структурных участков, обедненных кислородом и обогащенных железом, по составу приближающихся к интерметаллидам;

4) формирование столбчатых призматических) кристаллов и пленочных новообразований карбонизированного сульфата кальция.

Проведённые эксперименты моделировали возможность использования композиционного сорбента для очистки водных объектов, загрязнённых техногенными отходами. Опыт использования композиционного сорбента для ликвидации загрязнений тяжёлыми металлами на примере водных объектов Карабашского промышленного района Челябинской области показал его высокую эффективность при различной степени загрязнения воды в кислой, нейтральной и щелочной области рН. Подтверждена способность сорбента к минерализации и необратимому удерживанию катионов тяжёлых металлов в структуре.

Заключение

1. Проведены исследования процесса сорбции катионов тяжёлых металлов композиционным сорбентом из водных объектов с техногенными загрязнениями.

2. Результаты исследований показали высокую эффективность композиционного сорбента при иммобилизации катионов тяжёлых металлов на загрязнённых объектах Карабашского промышленного района. В течение 7 суток в статическом режиме достигнуты нормативные показатели воды по содержанию тяжёлых металлов.

3. Экспериментально доказана возможность эффективного использования композиционного сорбента при реабилитации протяжённых природных объектов, загрязнённых тяжёлыми металлами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (№ 5.5523.2017/8.9), а также правительства Российской Федерации (постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.А03.21.0011.

Библиографическая ссылка