WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1 Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(21)2003 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/hydroterm-17.pdf ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛАХ Годымчук А.Ю., Решетова А.А.

ГНУ «НИИ высоких напряжений при ТомПУ», г. Томск godim@hvd.tpu.ru факс: (3822) 41-85-60 тел: (3822)41-91-01 Загрязнение наземных водоемов привело к необходимости использования для питьевых целей подземных вод, характеризующихся высоким содержанием солей тяжелых металлов [1]. В настоящее время одной из острых проблем технологии водоподготовки является разработка эффективных сорбционных способов извлечения растворимых примесей тяжелых металлов.

Существует большой класс природных сорбентов-минералов, которые из-за недостаточной изученности не нашли широкого промышленного применения [2-4]. Между тем, высокие сорбционные свойства, дешевизна и широкая распространенность в природе делают их экономически целесообразным сырьем в технологиях водоподготовки [5,6].

В данной работе для изучения физико-химических, в том числе и сорбционных свойств были выбраны природные кальций-магниевые минералы карбонатных и силикатных пород. Значительное сродство карбонатов и силикатов к катионам тяжелых металлов позволяет рассматривать эти природные минералы в качестве потенциальных сорбентов-ионообменников.

Экспериментальная часть Минералы для исследований подготавливались определенным образом, для чего куски пород подвергались дроблению. Затем отобранная фракция (1-3 мм) каждого минерала отмывалась дистиллированной водой от пылевидной составляющей и высушивалась при температуре 1000С (±50С.

Для характеристики структурных, механических и сорбционных свойств образцов минералов применялся ряд независимых методов исследования. Фазовый состав пород идентифицировался с помощью рентгенофазового анализа, который проводился на ДРОН-3М (CuKизлучением).

Определение микроструктурных характеристик поверхности минералов производилось с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-840 фирмы «Jeol» (Япония) (увеличение 200, 1000 и 5000 раз), снабженного рентгеновским микроанализатором LINK, на котором определяли элементный состав поверхностного слоя частиц.

Для оценки механической прочности минералов определялась истираемость. С этой целью образец массой 10 г (фракция 1,0 3,0 мм) помещался в сосуд со 100 мл дистиллированной воды и встряхивался (частота колебаний 50 Гц) в течение 10 мин. Затем от минералов, высушенных при 1000С до постоянного веса, отбиралась фракция с размером частиц менее 0,5 мм – истираемость.

Для расчета водопоглощения минералов подготовленные образцы (см. выше) взвешивались, кипятились в дистиллированной воде в течение часа. По прошествии суток образцы вынимались из воды, подсушивались 5 минут для удаления поверхностной влаги и взвешивались.

Твердофазные превращения пород изучались при помощи дифференциального термического анализа на дериватографе Q-1500D (скорость нагрева 100С/мин, чувствительность записи кривой DTA 1/10) в интервале температур 200С–10000С. Предварительный анализ результатов термогравиметрического исследования и литературных данных показал целесообразным проводить обработку минералов прокаливанием образцов в атмосфере воздуха при 500, 600, 700 и 800 0С в течение 2-х часов.

Эксперимент по изучению поглощающих свойств проводили при комнатной температуре.

Обменную емкость минералов (N) оценивали по сорбции ионов железа (II) и марганца (II) из сульфатных растворов. К 100 мл модельного раствора добавляли 0,5 г подготовленного измельченного образца и, периодично перемешивая, выдерживали двое суток (время наступления равновесия), после чего отбирали пробу воды. Содержание железа и марганца в воде определяли фотоколориметрически в виде окрашенных комплексов.

Величину удельной сорбционной емкости N (мг/г) рассчитывали по уравнению:

C - C 1 N = V m где С1 – исходная концентрация металла в растворе, мг/л; С2 – концентрация металла в водном растворе в равновесных условиях, мг/л; V – объем раствора, мл; m – масса сорбента, г.

Обсуждение результатов В табл.1 приведены некоторые характеристики исследуемых минералов.

Установлено, что эффективно процесс сорбции начинает протекать при следующих значениях рН воды: для Fe – рН=6,5-7,5 на силикатных породах, рН=2,5-3,0 на карбонатных породах и для Mn – рН>6 – на силикатах, рН>7 – на карбонатах. Такая зависимость объясняется тем, что чем меньше значение рН, тем больше поверхностного слоя переходит в раствор (происходит растворение минерала). Процесс вымывания на силикатных породах препятствует ионному обмену, а на карбонатных – умеренное растворение сопровождается связыванием ионов тяжелых металлов на поверхности.

Таблица Состав и физико-химические характеристики исследуемых минералов Основная фаза Состав поверхно- Водопо- ИстираМинерал (примесь) сти прокаленных глощение, мость, пород % % Кварц SiO2 SiO2 1,37 0,Волластонит CaO’SiO2 CaSiO3, SiO2 1,39 0,(SiO2) Диопсид CaO’MgO’2SiO2 CaSiO3, MgSiO3, 1,60 0,(SiO2) SiOТремолит 2CaO’5MgO’8SiO2’H2O CaSiO3, CaCO3, 5,44 1,(CaCO3) СаО Доломит CaCO3’MgCO3 CaСO3, MgO 2,79 0,(Mg(ОН)2) Мрамор CaCO3 CaCO3, СаО 1,07 0,Результаты проведенных экспериментов по сорбции на необработанных образцах показывают, что все минералы сорбируют примеси железа и марганца, но в различной степени. Отличия объясняются различным составом и строением минералов. По данным микроанализа на поверхности отмытых образцов всех минералов имеется элемент Fe и Mn, причем на доломите и волластоните наблюдается падение относительного содержания Са в поверхностном слое.

Эти данные дают основание предположить, что сорбция протекает частично по схеме ионного обмена:

Ca, Mg(CO3)2 + 2МeSO4 2МeCO3 + CaSO4 + MgSOCaSiO3 + МeSO4 МeSiO3 + CaSOMe: Fe, Mn В случае с мрамором имеет место осаждение гидроокисей исследуемых металлов за счет увеличения рН: для железа – 3,0-3,5, для марганца – 8,5-9,1 [7].

Осаждение металлов на поверхности кварца и диопсида происходит в результате коагуляции на активных центрах поверхности, т.к. осажденные примеси не удерживаются на поверхности при промывке. Процесс протекает по схеме: примесь осаждается на ранее осажденную примесь, т.е. поверхность кварца и диопсида работает, как механический фильтр, удерживая осадок.

На тремолите наблюдается, по-видимому, картина, схожая с кварцем и диопсидом, но наличие в фазовом составе CaСO3 обуславливает большую степень извлечения из раствора.

Из табл.2 видно, что сорбционные свойства зависят от предварительной обработки минерала. Изменение значений емкости объясняется химическими превращениями, происходящими в поверхностном слое при обработке. Термическая обработка способствует улучшению свойств карбонатных пород, что связано с процессами, происходящими в поверхности образцов при термическом воздействии.

Таблица Значение статической обменной емкости по Fe и Mn Статическая обменная емкость, мг/г NFe – емкость по катионам железа;

МИНЕРАЛ NMn – емкость по катионам марганца.

Исходные Образцы, обработанные при температурах, 0С образцы 500 600 700 доломит NFe 1,13 1,30 1,57 2,50 4,NMn 2,21 2,60 2,65 3,00 3,диопсид NFe 0,95 1,12 0,65 0,18 0,NMn 0,18 0,08 0,00 0,00 0,волластонит NFe 0,34 0,65 0,50 0,20 0,NMn 0,00 0,00 0,01 0,00 0,мрамор NFe 1,00 1,30 1,54 2,56 2,NMn 1,20 1,25 1,27 1,80 2,тремолит NFe 0,53 0,58 1,06 0,59 2,NMn 0,00 0,06 0,20 1,83 3,кварц NFe 0,20 0,25 0,04 0,04 0,NMn 0,06 0,07 0,03 0,01 0,Прокаливание карбонатов способствует разрыхлению породы с образованием структур с большей пористостью и удельной поверхностью (см. рисунок). По данным дифференциальнотермического и рентгенофазового анализа в процессе термообработки происходят и химические превращения, в результате которых образуются аморфный карбонат кальция и оксид магния. Поэтому процесс ионного обмена сопровождается соосаждением гидроксидов металлов:

MgO+H2O Mg(OH)2, Mg(OH)2 + FeSO4 Fe(OH)2 + MgSO4, 2Fe(OH)2 + O2 + Н2О 2Fe(OH)3.

Mg(OH)2 + MnSO4 Mn(OH)2 + MgSO4.

Рис.1 Поверхность исходного доломита Рис.2 Поверхность доломита, обработанного при 8000С Уменьшение степени извлечения на силикатных породах связано как с уменьшением величины удельной поверхности, так и с высвобождением на поверхность частиц по данным РФА при прокаливании диоксида кремния, который препятствует ионному обмену. Исключение составляет тремолит, поверхность которого после обработки в основном содержит примесь карбоната кальция.

Выводы Таким образом, из шести изученных природных минералов доломит является в условиях эксперимента наиболее перспективным для очистки подземных вод от ионов двухвалентного железа и марганца.

Литература 1. Эльпинер Л.И., Зекцер И.С. Междисциплинарный подход к оценке условий использования подземных вод для питьевых целей. Водные ресурсы, 1999, том 26, № 4, с.389-396.

2. Машкова Л.П., Логинова Е.Я., Богдановский Г.А. Использование глины и карбонатных пород при очистке сточных вод в различных условиях эксперимента. // Вестник МГУ. Сер.2 - 1994 - 35, №4, с.346.

3. Наумова Л.Б., Чащина О.В., Горленко Н.П. Сорбция ионов меди и кадмия природными сорбентами. Журнал физической химии. 1994, том 68, №4, с.688-691.

4. Кроик А.А., Шрамко О.Н., Белоус Н.В. Очистка сточных вод с применением природных сорбентов. // Химия и технология воды. – 1999. – 21, №3. – с.5. Казанцева Н.М., Ильина Л.А., Золотова Т.П., Никифоров А.Ю., Никифоров И.А. Использование доломита в очистке сточных вод.//Химия и технология воды. 1996-18, №5, с. 555.

6. Никифоров А.Ю., Ильина Л.А., Сударушкин А.Т. Использование природного минерала доломита и его термомодифицированных форм для очистки сточных вод от катионов тяжелых металлов. // Изв. вузов. Химия и химическая технология. – 1999. – 42, №4. – с.7. Домрачева В.А., Свистунова Я.К., Якушева Л.А., Куликов И.М. Комплексная переработка сырья – решение экологической проблемы. Тезисы докладов междунар. конф. «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды». Иркутск, 1996, том 2, часть 1, с.114-115.

Вестник Отделения наук о Земле РАН - №1(21)Информационный бюллетень Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 2003 года (ЕСЭМПГ-2003) URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/hydroterm-17.pdf Опубликовано 15 июля 2003 г.

© Отделение наук о Земле РАН, 1997 (год основания), При полном или частичном использовании материалов публикаций журнала, ссылка на "Вестник Отделения наук о Земле РАН" обязательна











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.