Использование принципов геоники в практике водоочистки

Ипанов Дмитрий Юрьевич, аспирант вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превышающих 10-7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до 10-5 мм. Проникая в почву, вода растворяет различные вещества, обогащаясь солями, органическими остатками и изменяя свой газовый состав. Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть как экзогенными (их источник – водные объекты на поверхности суши и влага атмосферы), так и эндогенные (их источник – недра Земли) [2].

Экзогенные подземные воды попадают в горные породы либо в процессе просачивания (инфильтрация) поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадконакопления). Просачиваясь сквозь толщу земной коры, вода соприкасается с такими породами, как пески, глины, песчаники, мел, мергели, алевриты и др. Все эти породы в той или иной мере обладают адсорбционными, коагуляционными, ионообменными, флокуляцион-ными и другими свойствами, способствующими удалению из воды вредных примесей и обогащению многими микроэлементами. Вода, проникающая в нижние горизонты, по своему составу значительно отличается от поверхностных вод. В качестве примера можно привести минеральные воды некоторых месторождений (табл. 2). Согласно новейшим представлениям о видах воды в горных породах в настоящее время выделяются следующие основные виды: парообразная; прочносвязанная (адсорбированная, гигроскопическая) и рыхлосвязанная (вода поверхностных слоев, пленочная); капиллярная; свободная (гравитационная); твердая. Кроме того, в минералах установлена химически связанная вода (конституционная и кристаллизационная) [4].

Таблица 1. Состав воды р. Оскол и Тихая Сосна [1]

Вещество или показатель химического состава воды	Единица из-мере-ния	Концентрация веществ в водном объекте
		р. Оскол	р. Тихая Сосна
взвешенные вещества	мг/дм3	4,484	10,2
хлориды	мг/дм3	18,68	44,1
сульфаты	мг/дм3	57,16	98,8
сухой остаток	мг/дм3	-	609,5
ХПК	мг/дм3	14,61	15,2
БПК 5	мг/дм3	5,039	2,47
азот аммонийный	мг/дм3	0,075	0,45
азот нитритный	мг/дм3	0,03	0,09
азот нитратный	мг/дм3	1,029	14,2
фосфаты по р	мг/дм3	0,2	0,44
железо общее	мг/дм3	0,07	0,21
нефтепродукты	мг/дм3	0,098	0,04
СПАВ	мг/дм3	0,0015	0
медь	мг/дм3	0,0004	-

Таблица 2. Составы минеральных вод [3]

Вещество или показатель химического состава воды	Ед. изм.	Концентрация веществ в минеральной воде
		Ессентуки № 4	Ессентуки № 17	Нарзан	Боржоми	Славяновская, Смирновская	Лысогорская
минерализация	мг/дм3	8000-10000	12000-18500	1800-3000	5000-7500	3000-4000	13000-19000
гидрокарбонаты	мг/дм3	3600-4500	6000-8000	1000-1500	3500-5000	1200-1500	400-1200
сульфаты	мг/дм3	< 25	< 50	300-500	< 10	800-1000	5500-9000
хлориды	мг/дм3	1500-1900	2200-4200	100-150	250-500	250-350	2200-3700
кальций	мг/дм3	< 150	< 200	300-400	20-150	250-350	350-550
магний	мг/дм3	< 75	< 300	80-120	20-150	< 50	500-900
натрий	мг/дм3			130-200	1000-2000
калий	мг/дм3			130-200	1,0
натрий+калий	мг/дм3	2500-2900	3200-6000			600-800	2800-4500

В ходе эндогенных процессов под воздействием тепловой энергии, давления земных недр и геологических процессов происходит выделение воды из горных пород. В частности, выделение воды из кристаллогидратов можно продемонстрировать на примере следующих схем: t

CuSO 4 ∙ 5 H 2 O → CuSO 4 + 5 H 2 O;

t

CaSO 4 ∙ 2 H 2 O → CaSO 4 + 2 H 2 O;

t

Na 2 CO 3 ∙ 10 H 2 O → Na 2 CO 4 + 10 H 2 O;

t

Ca(HCO 3 ) 2 ∙ 5 H 2 O → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O;

t

Mg(OH) 2 ∙ → MgO + H 2 O и др.

В момент своего образования в силу геохимических условий вода насыщена самыми разнообразными примесями, среди которых могут быть и токсичные. Просачиваясь сквозь слои разнообразных пород к поверхности земли, вода проходит многочисленные стадии фильтрации, адсорбции, ионного обмена и т.д. Таким образом, в ходе продвижения воды с поверхности вглубь земли и наоборот осуществляются естественные природные процессы очистки с участием различных пород, т.е. процессы, описываемые геоникой.

В отличие от бионики, идея которой заключается в применение знаний о живой природе для решения инженерных задач, цель геоники – разработка общих принципов управления развитием объектов неорганического мира. Реализация нового научного направления позволит не только расширить сырьевую базу и разработать новые технологии производства материалов и водоочистки, но и улучшить комфортность пребывания вида Homo Sapiens в системе «человек-материал-среда обитания». Геоника появилась в конце ХХ в. как одно из направлений кибернетики – науки общих законах управления в системах любой природы – биологической, технической, социальной [5, 6]. В частности, геоника может использовать результаты исследования геологических процессов для решения различных технологических задач. К одной из таких задач относится проблема очистки сточных вод, в особенности, использование в водоочистке отходов различных производств.

Как известно, проблема образования, накопления и возможности повторной переработки промышленных отходов обширна и многогранна. Для решения некоторых аспектов этой всеобъемлющей проблемы нами использованы принципы геоники, основные положения которой разработаны в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова доктором технических наук, чл.-корр. РААСН В.С. Лесовиком [5, 6]. Мы рассматриваем образующиеся отходы, их возникновение, накопление, утилизацию и повторное использование как постоянное изменение и движение материи, как элемент эволюции окружающего мира. Многие твердые промышленные отходы обладают рядом физико-химических свойств, делающих их пригодными к использованию в водоочистке, применяя технологии, аналогичные процессам, протекающим в природе. Так, на кафедре промышленной экологии исследована возможность использования для очистки сточных вод таких отходов предприятий, как электросталеплавильный шлак и пыль электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) Оскольского электрометаллургического комбината, отход производства дисахаридов – дефекат, аспирационная пыль комбината строительных материалов (БКСМ). Все перечисленные отходы являются тонкодисперсными (рис. 1), имеют большую удельную поверхность (табл. 3), обладают высокоразвитой поверхностью (рис. 2) и имеют хорошие сорбционные свойства (табл. 3) [7-9]. Кроме того, благодаря своему сложному многокомпонентному химическому (табл. 4) и фазовому составу (рис. 3), они в определенных условиях способны проявлять реагентные, коагуляционные и флокуляционные свойства.

Таблица 3 . Удельная поверхность отходов промышленности их сорбционная емкость по метиленовому голубому

Наименование отхода	Удельная поверхность, S уд , м2/кг	Сорбционная емкость, мг/г
шлак ОЭМК	465,0	4,82
пыль ЭСПЦ	556,7	3,92
дефекат	872,5	3,49
пыль БКСМ	933,7	4,12

Диаметр частиц, D, мкм

—♦— шлак —■— пыль БКСМ —*— ТД

Рис. 1. Соответствие весовой доли частиц (Р, %) заданным значениям размеров частиц (D, мкм)

б)

Рис. 2. Микроструктура шлака ( а ) и термически модифицированного дефеката ( б )

Все эти характерные особенности делают возможным использование их для очистки сточных вод сложного состава. Так, в лабораторных и промышленных условиях нами установлена возможность достижения высокой эффективности очистки сточных вод от ионов Cr 2 O 7 ^2-, CrO 4 ^2-, Cu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ и других металлов с помощью пыли ЭСПЦ, шлака ОЭМК, пыли БКСМ, отхода производства дисахаридов – де-феката. Показано, что дефекат эффективен также при очистке сточных вод от жиров, нефтепродуктов, СПАВ, красителей. Во всех этих случаях в ходе очистки в растворах протекают процессы, аналогичные протекающим в земной коре при просачивании воды через многочисленные слои различных пород: адсорбция, коагуляция, флокуляция.

Таблица 4. Химический состав некоторых отходов

Вид	Химический						состав,	%
отхода	CaO	SiO 2	Al 2 O 3	FeO	MnO	MgO	Cr 2 O 3	FeO общ	C	S	Zn	прочие
шлак ОЭМК	54,6	25,4	7,1	1,8	0,8	9,4	0,1	2,3	н/о	н/о	н/о	0,3
пыль ЭСПЦ	24,0	18,0	0,3	8,0	3,0	5,0	0,28	43,3	2,5	0,4	1,5	1,72
пыль БКСМ	46,7	47,8	0,7	-	-	2,12	-	0,2	-	-	-	2,5

а)

Примечание: ♦ - y -2CaO - SiO 2 ; * - 3CaO^Al₂O 3 ; + - 3CaO - MgO - SiO₂; V - CaO^Al₂O₃; o - MgO; □ - CaCO₃;

• - Ca(OH)₂; < - FeO; ® - 3CaO - 2SiO 2 ;

б)

Примечание: • – СаСО 3; ■ – SiO 2 в)

Рис. 3. Рентгенофазовый анализ шлака воздушного охлаждения электросталеплавильного производства ( а ), пыли ЭСПЦ ( б ) и дефеката ( в )

Благодаря высокоразвитой поверхности, наличию пор и активных центров в местах дислокации кристаллов при добавлении вышеперечисленных отходов к модельным растворам и сточными водами протекают процессы адсорбции загрязняющих веществ (рис. 4).

Рис. 4. Изотермы адсорбции и десорбции: а – ионов Ni²⁺, Cu²⁺ на поверхности дефеката; б – красителя ОR на поверхности дефеката; в – ионов Fe²⁺ на поверхности шлака; г – ионов Zn²⁺ на поверхности шлака

В связи с повышенной щелочностью водных вытяжек шлака ОЭМК, дефеката, пыли ЭСПЦ и БКСМ (рис. 5) в водных средах возможна реагентная очистка:

Meⁿ⁺ + n(OH^-) →Me(OH) n ↓

120 J

100 J

80 J

40 J

кривая адсорбции ионов Ni кривая адсорбции ионов Cu кривая десорбции ионов Ni кривая десорбции ионов Cu

Cравн, 10 -2 мол

При растворении шлака и пылей в подкисленной водной среде происходит растворение соединений Fe(II), Fe(III), Al и переход ионов Fe2+, Fe3+ и Al3+ в раствор. Известно, что данные ионы являются хорошими коагулянтами, поэтому при их гидролизе происходит коагуляция (слипание) взвешенных частиц в модельных растворах и сточных водах, что приводит к их быстрой седиментации и обеспечивает высокую эффективность очистки вод.

Рис. 5. Изменение рН водной среды при добавлении отходов промышленности (Ø частиц < 40 мкм)

Вследствие присутствия в шлаке и пылях силикатов металлов в кислой среде в растворенное состояние переходят ионы SiO 3 ^2-, SiO 4 ^2- и другие ионы кремниевых кислот. Образующиеся кремнекислоты в водной среде диссоциируют и подвергаются реакции поликонденсации, вследствие чего их развитая поверхность приобретает отрицательный заряд.

СаSiO 3 + 2H⁺ → Ca²⁺ + H 2 SiO 3 ↓

H 2 SiO 3 ↔ Н⁺ + HSiO 3 ^-

Са 2 SiO 4 + 4H⁺ → 2Ca²⁺ + H 4 SiO 4 ↓

H  O    O  HH

Si

H  O    OH

- 2H 2 O

H  O    OH

Si

H  O    O  HH

H 4 SiO4 + ↔ Н⁺ + HSiO 4 ^3-

Коллоидные частицы поликислоты, благодаря своему поверхностному заряду, притягивают к себе ионы и дипольные молекулы и обратимо связывают их, поэтому этот процесс можно приравнять к действию ионитов.

Fe2+, Zn2+ [FeOH]+, [ZnOH]+

Fe3+, [FeOH]2+

[Fe(OH) 2 ]⁺

H

H

H O Fe

Выводы: принципы геоники позволяют успешно использовать закономерности геологических и геохимических процессов в практике водоочистки.