Утилизация ионов меди из сточных вод, содержащих другие ионы

UTILIZATION OF COPPER IONS FROM WASTE WATER, WHICH CONTAINS OTHER IONS

Sophia Fux

candidate of Science, assistant professor of Vyatka State University,

Russia, Kirov

Sergey Khitrin

doctor of Science, professor of Vyatka State University,

Russia, Kirov

Anastasia Tetesova

student of Vyatka State University,

Russia, Kirov

Irina Darovskikh

student of Vyatka State University,

Russia, Kirov

Anastasiya Vasilevich

student of Vyatka State University,

Russia, Kirov

АННОТАЦИЯ

В статье предложена утилизация ионов меди сорбционным способом. Проведены эксперименты с целью определения эффективности поглощения ионов природными сорбентами и оценки возможности замены катионитных смол полифепаном. Определено, что полифепан является эффективным сорбентом по отношению к ионам меди, а его использование предполагает увеличение массы сорбента в 10³ раз по сравнению с массой катионитной смолы.

ABSTRACT

The article proposes the utilization of copper ions by the sorption method. Experiments have been carried out to determine the efficiency of ion absorption by natural sorbents and to assess the possibility of replacing cation exchanger resins with polyphepan. It is determined that polyphepan is an effective sorbent with respect to copper ions, and its use implies an increase in the sorbent mass by a factor of 10³ compared with the weight of the cation resin.

Ключевые слова: тяжелые металлы, адсорбция, катионит, полифепан.

Keywords: heavy metals, adsorption, cation resin, polyphepan.

В настоящее время сточные воды различных производств, в том числе машиностроительных и авиастроительных, загрязнены ионами тяжелых металлов (ИТМ). Обычно сточные воды (СВ) предприятий очищаются реагентным способом. Для очистки от ИТМ широко применима суспензия гидроксида кальция, так называемое известковое молоко. Этот метод не позволяет очистить СВ до требуемых характеристик: ПДК_кб (для использования в качестве оборотной воды) или ПДК_рх (для сброса в рыбо-хозяйственный водоток).

Эти стоки требуют более глубокой очистки, которую можно осуществить физико-химическим способом, например, сорбционным. К ним относится процесс адсорбции ИТМ на катионите КУ-2-8-чС. Однако этот процесс имеет существенные недостатки. При регенерации катионита образуется значительное количество СВ другого состава, представляющего смесь уловленных ИТМ, ионов натрия и хлора. Кроме того, требуется применить для перевода в Н-форму большое количество глубоко обессоленной воды. Использование катионита экономически и экологически осложнено высокой стоимостью сорбента и сложностями утилизации отходов.

Этих недостатков лишен природный сорбент – лигнин. В данной работе использован аналог природного лигнина – гидролизный лигнин (ГЛ), получаемый при обработке древесины серной кислотой для отделения водорастворимого полимера целлюлозы и её расщепления на сахара. Следовательно, ГЛ является крупнотоннажным отходом биохимического производства. При химической переработке ГЛ получают полифепан (ПФ), являющийся сорбентом растворимых в водной среде веществ и применяемый в настоящее время в медицине. Кроме того, из ПФ при термической переработке образуется карбонизированный продукт (ПФк), который также является сорбентом. ПФ и ПФк – сорбенты, используемые однократно. Отход сорбентов представляет высококалорийное топливо, используемое в утилизационных котлах наряду с избытком ГЛ. Тяжелые металлы при этом остекловываются силикатными составляющими шлака и не оказывают отрицательного влияния на окружающую среду. В подтверждении этого в таблице 1 представлен состав золы-уноса утилизационного котла, работающего на ГЛ. Шлак котла и зола-унос имеют идентичный состав, так как зола – это мелкодисперсный шлак.

Таблица 1.

Состав шлака и золы-уноса утилизационного котла

Для получения количественных результатов эксперимента применялись модели сточных вод, содержащие ионы Cu²⁺, Zn²⁺ и NH₄⁺ в различных отношениях. Исследование проводилось с помощью математического метода планирования эксперимента с использованием матрицы планирования 2³. По матрицам были составлены различные комбинации составов исследуемых растворов, являющихся факторами планирования матрицы 2³.

Исследуемые растворы (сточные воды машиностроительного производства) проходили очистку до 1 ПДК_кб. ПДК_кб ионов меди и цинка в воде составляет 1 мг/л, ПДК_кб ионов аммония 0,5 мг/л. В качестве параметра эксперимента использовался объем пропущенной модели сточной воды до уровня 1 ПДК_кб. Все растворы представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Концентрации ионов Cu²⁺, Zn²⁺, NH₄⁺ в исследуемых растворах

С помощью специальной программы проведены расчеты и получены уравнения регрессии, представленные в таблице 3.

Таблица 3.

Уравнения регрессии модели 2³

Интерпретация полученных результатов.

По полученными результатами можно сделать вывод, что данные воспроизводимы, следовательно, модель адекватна. Исходя из коэффициентов b₀ уравнений регрессии, сорбция ионов меди уменьшается в ряду: катионит, ПФк, ПФ.

ПФ. В СВ, полученной для утилизации катионов из сточных вод при помощи ПФ, все коэффициенты значимы. На кривую регрессии ионов Сu²⁺ в ПФ в сравнении с другими отдельно взятыми катионами наибольшее влияние оказывают ионы Сu²⁺: с ростом концентрации ионов влияние Cu²⁺ уменьшается. Увеличение концентрации ионов цинка и аммония также уменьшает исследуемый параметр; эти факторы влияют чуть меньше, чем концентрация меди. Кроме отдельных катионов, на сорбционную способность влияет сочетание любых двух факторов. С ростом концентрации ионов влияние взаимодействия любых двух катионов на исследуемый параметр растет. Наибольшее действие оказывает совместное взаимодействие Cu²⁺ и NH₄⁺. Также на поглотительную способность ПФ оказывает эффект воздействие всех трех катионов. Аналогично влиянию отдельно каждого иона, одновременное увеличение концентрации Cu²⁺, Zn²⁺ и NH₄⁺  в СВ отрицательно влияет на параметр оптимизации. Сравнив величины коэффициентов b_i, можно сделать вывод, что влияние совокупности ионов Cu²⁺ и NH₄⁺ превышает влияние отдельных ионов и сочетания всех трех ионов, что обусловлено образованием устойчивого комплекса [Cu(NH₃)₄]²⁺ [1, с. 32].

ПФк. В уравнении регрессии все коэффициенты зна­чимы. На процесс адсорбции в ПФк оказывают воздействие отдельно взятые катионы Cu²⁺, Zn²⁺ и NH₄⁺ таким образом, что при увеличении их концентраций влияние данных ионов уменьшается. В количественном выражении воздействие ионов меди на выходной параметр значительно выше (примерно в 2 раза) по сравнению с другими ионами. Влияние взаимодействия любой пары ионов увеличивает исследуемый параметр. Наиболее сильный эффект на сорбционную способность ПФк оказывает сочетание катионов цинка и меди. Взаимодействие всех трех ионов отрицательно сказывается на поглотительной способности ПФк. Таким образом, увеличение концентрации ионов Cu²⁺ и Zn²⁺ наиболее интенсивно влияет на сорбционную емкость ПФк.

Катионит. Значения коэффициентов уравнений больше практиче­ски на два порядка по сравнению с ПФ и ПФк, что говорит о большей сорбционной способности данного сорбента. На адсорбционную способность катионитной смолы влияют ионы NH₄⁺, Zn²⁺, Cu²⁺. Влияние данных единичных факторов отрицательно, больше всего, как и в предыдущих случаях, оказывают эффект ионы меди. Также на исследуемый параметр воздействует парное сочетание ионов Cu²⁺ и Zn²⁺. С ростом взаимодействия данных ионов обменная емкость смолы увеличивается. Как видно из уравнения регрессии, влияние иона меди превышает влияние остальных факторов на параметр оптимизации, т. е. при увеличении концентрации меди адсорбционная способность смолы падает.

По полученным результатам можно сделать следующие выводы:

1) ПФ и ПФк являются эффективными сорбентами по отношению к ионам меди;

2) использование природных сорбентов вместо катионитных смол предполагает увеличение массы ПФ и ПФк в 10³ раз по сравнению с катионитом, однако это не является проблемой ввиду того, что лигнин является крупнотонажным отходом.

3) наибольшее влияние на адсорбционную способность сорбентов оказывают ионы меди либо в отдельности, либо в сочетании с другим ионом;

4) просматривается влияние отдельно рассматриваемых катионов в отрицательную сторону и попарного сочетания любых двух ионов в положительную сторону на исследуемый параметр.

Список литературы:

1. Янсон Э.Ю. Комплексные соединения: учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1968. 160 с.