Соотношение сорбционной и осадительной стадии при использовании гранулированного сорбента с активными наноцентрами на основе металлургических шлаков

В работах [1, 2] решены задачи получения гранулированного сорбента на основе саморассы-пающегося шлака и изучена природа его сорбционного взаимодействия с растворами тяжелых металлов. Поскольку сорбционный процесс включает в себя нанопроцессы перехода катионов кальция в раствор и частичную миграцию катионов кремния и алюминия в пределах устойчивости алюмокремнекислородного каркаса, при длительном взаимодействии сорбата и сорбента наблюдается накопление мелкодисперсных продуктов, осаждающихся из растворов.

Целью работы является изучение состава и структуры осадков, их количества при длительном сорбционном взаимодействии активных наноцентров гранулированного сорбента с концентрированным раствором тяжелых металлов. Состав модельного раствора приведен в табл. 1.

Таблица 1

Состав модельного раствора

Методика исследования

Исследование структуры и состава осадков проводили методами электронно-микроскопического и микрорентгеноспектрального анализа на микроскопе JEOL JSM 6460 LV. Сорбционноосадительный процесс изучали в статическом режиме при соотношении твердое / жидкое = 1 : 10. Раствор периодически перемешивали (1 раз в сутки). Фракционный состав исходных гранул:

3,2–2,0 мм         80 %

2,0–1,0 мм         20 %

Определение концентраций катионов, участвующих в сорбционно-осадительном взаимодей- ствии, проводили через определенные промежутки времени до установления равновесного значения pH.

После цикла сорбционного взаимодействия гранулы извлекали из модельного раствора, осадки отделяли фильтрованием, высушивали при 105 °С до постоянной массы и определяли соотношение дисперсного осадка и гранул весовым методом.

Результаты и обсуждение

После завершения сорбционного процесса количество осадка составило 2,54 % по отношению к массе гранул. Масса гранул по сравнению с исходной увеличилась на 2,68 %.

За 200 часов контакта гранул с модельным раствором наблюдается полное (100 %) извлечение катионов Ce3+, Fe3+, Cu2+, а также катионов Ni2+ (90,3 %), Zn2+ (96,31 %) и Mn2+ (89,5 %). Уве- личение массы гранул после длительного контакта с модельным раствором является макропроявлением их сорбционной способности. Образование мелкодисперсных осадков свидетельствует о наличии осадительной стадии водоочистки. Морфологические особенности и состав осадков, образующихся при взаимодействии активных центров гранулированного сорбента с модельным раствором, представлены на рис. 1 и в табл. 2.

а)                                                                         б)

в)

Рис. 1. Внешний вид (а) и морфологические особенности (б, в) мелкодисперсного осадка

Результаты микрорентгеноспектрального анализа

Таблица 2

Краткие сообщения

Рентгенографически в составе осадков идентифицируются CaSO 4 ·0,5H 2 O, Fe 2 O 3 , CaCO 3 . На основании экспериментальных результатов можно заключить, что в осадок прежде всего выпадает сульфат кальция и оксид железа. Одновременное присутствие в мелкодисперсной составляющей катионов железа, меди, цинка, церия, марганца, кальция, кремния свидетельствует о том, что сорбируемые катионы входят в состав силиката кальция, кристаллизующегося из модельного раствора. По данным химического анализа порошкообразного осадка и гранул сорбента в составе осадка удерживаются 0,1–0,2 % от общего содержания катионов тяжелых металлов. Осадок легко отделяется от гранул и не представляет экологической опасности, так как необратимо удерживает сорбируемые катионы.

Выводы

Сорбционный процесс реализуется путем реакционной диффузии и обменных топохимических реакций с участием активных наноцентров, а также совместного осаждения катионов тяжелых металлов и гидросиликатов кальция из исследуемых растворов. Технология получения гранулированного сорбента позволила до минимума сократить стадию осаждения и активировать сорбционный топохимический процесс.