НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КРАСІЛЬНІКОВА ТЕТЯНА МИКОЛАЇВНА

УДК 628.16:628.3:676.088

Синтез коагулянтів із алюмінату натрію та оцінка їх ефективності при очищенні води

Спеціальність 21.06.01 – Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України“

Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України

на кафедрі екології та технології рослинних полімерів

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гомеля Микола Дмитрович,

Національний технічний університет України “

Київський політехнічний інститут”,

кафедра екології та технології рослинних полімерів,

завідувач кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Петрук Василь Григорович,

Вінницький національний технічний університет,

кафедра хімії та екологічної безпеки,

завідувач кафедри;

директор інституту екології та екологічної кібернетики

кандидат технічних наук, доцент

Толстопалова Наталія Михайлівна,

Національний технічний університет України “

Київський політехнічний інститут”,

кафедра технології неорганічних речовин та

загальної хімічної технології, доцент

Захист відбудеться “12” листопада 2007р. о 14:30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп.Перемоги,37, корп.21, ауд.209.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці ім.Г.Денисенка Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп.Перемоги,37.

Автореферат розісланий “11” жовтня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05,

кандидат технічних наук, професор В.Я.Круглицька

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як відомо, потреби людства у воді величезні і щороку зростають. Нажаль, гідроресурси нашої планети поступово виснажуються і погіршуються, насамперед під впливом антропогенної діяльності людини. Дефіцит прісної води вже зараз стає світовою проблемою. Питання водозабезпечення сьогодні певною мірою торкається і нашої держави. Так, найбільш розвинені в промисловому відношенні регіони України відчувають брак високоякісної питної води, малі ріки втрачають статус джерел централізованого і нецентралізованого водопостачання через забруднення. Такі чинники спонукають шукати шляхи і різноманітні засоби для вирішення цієї проблеми. На сучасному етапі як перспективні визначають такі напрямки раціонального використання водних ресурсів: більш повне використання і розширене відновлення ресурсів прісних вод; розробка нових технологічних процесів, що дозволять попередити забруднення водойм; застосування високоефективних методів очистки поверхневих і стічних вод.

Одними з найефективніших методів в практиці водоочищення є реагентні методи, що передбачають застосування реагентів - коагулянтів. Найбільш розповсюджені коагулянти на основі алюмінію. Вони видаляють від 60 до 80% різноманітних шкідливих домішок. На теперішній час в світі все більш широко застосовуються алюмінієві коагулянти високої основності – гідроксохлориди алюмінію. Гідроксохлориди порівняно з найбільш вживаним сульфатом алюмінію, діють в більш широкому діапазоні температур, зменшують час коагуляції в 1,5-3,0 рази, значно зменшують концентрацію залишкового алюмінію у воді. Головною перешкодою до їх широкого використання в Україні є складність технологій отримання і висока вартість вихідної сировини.

Тому на даному етапі актуальним залишається розробка нових методів синтезу високоефективних гідроксохлоридів алюмінію з недорогої, доступної сировини і застосування їх в процесах водопідготовки і очищення стічних вод.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась по пріорітетному напрямку “Збереження навколишнього середовища та сталий розвиток” на замовлення Міністерства освіти і науки України в межах держбюджетних науково-дослідних робіт “Створення нових коагулянтів та флокулянтів для ресурсозберігаючих технологій очищення води та утилізації відходів” (номер державної реєстрації 0102U000736), “Розробка та використання допоміжних хімічних добавок для забезпечення ресурсозбереження у виробництві паперу та картону (номер державної реєстрації 0206U0002373), а також згідно плану основних напрямків наукової діяльності кафедри екології та технології рослинних полімерів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала в створенні нових методів синтезу високоефективних коагулянтів для інтенсифікації процесів освітлення та знебарвлення природних і стічних вод, що дозволить зменшити скид шкідливих речовин в природні водойми, забезпечити вищу ефективність очищення води для потреб споживачів.

Досягнення такої мети потребує вирішення наступних задач:

- вивчення процесів взаємодії гідроксоалюмінату натрію із солями магнію та кальцію для отримання гідроксоалюмінатів магнію та кальцію;

- дослідження процесів взаємодії алюмінатів кальцію та магнію з кислотами для отримання основних солей алюмінію;

- розробка нової технології синтезу високоефективних коагулянтів з доступної дешевої сировини;

- дослідження кінетики процесів освітлення і знебарвлення природних вод і модельних суспензій;

- оцінка ефективності отриманих реагентів в процесах водопідготовки, очищення промислових стічних вод;

- визначення впливу розроблених реагентів на ефективність очищення води в аеротенках.

Об’єкт дослідження – природні, стічні та оборотні води, активний мул біологічних споруд очищення промислових стічних вод, модельні суспензії, нові синтезовані коагулянти.

Предмет дослідження – процеси синтезу коагулянтів, очищення стічних та природних вод, модельних суспензій.

Методи дослідження. При виконанні досліджень були використані спектрофотометричний метод, потенціометричний метод, хімічний і масометричний методи аналізу для ідентифікації отриманих речовин, контролю фізико-хімічних процесів очищення води. Для оцінки експериментальних результатів були використані математичні методи обробки отриманих експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів.

-

сполуками магнію та кальцію та визначено умови синтезу

гідроксоалюмінатів кальцію та магнію в залежності від вихідної

сировини;

-

гідроксоалюмінатів кальцію та магнію без проміжного утворення

гідроксиду алюмінію при температурах 70 - 1000С при атмосферному

тиску;

-

гідроксохлориду і порошку алюмінію;

-

домішок та розроблених реагентів на ефективність освітлення та

знебарвлення води при її відстоюванні та фільтруванні. Показано, що

більш ефективне очищення води забезпечують розроблені 2/3 та 5/6

гідроксохлориди алюмінію.

-

ефективності очищення промислових оборотних вод методами

відстоювання, фільтрування і методом електрофлотації з викоританням

коагулянтів для зниження водоспоживання паперових та

біохімічних виробництв, зменшення об’ємів стічних вод;

-

механічних фільтрів, та показано, що застосування ГОХА дозволяє

підвищити брудомісткість фільтрів у 2-15 разів;

- визначено вплив розроблених алюмінієвих коагулянтів при їх

застосуванні на стадії механічного очищення води на стан активного

мулу, на розвиток нитчатих бактерій в аеротенках на очисних спорудах

паперових підприємств.

Практичне значення отриманих результатів.

Створено нову технологію отримання гідроксохлоридів алюмінію - коагулянтів для освітлення та знебарвлення природних та стічних вод. Технологію було апробовано на ВАТ “Київський завод РІАП”.

На ВАТ “Київський картонно-паперовий комбінат” випробувано розроблені 1/3, 2/3, 5/6 гідроксохлориди алюмінію для освітлення оборотних та стічних вод виробництва.

Показано можливість ефективного застосування 5/6 ГОХА для зниження вмісту нитчатих форм бактерій в активному мулі аеротенків очисних споруд паперових виробництв.

Особистий внесок здобувача. Критичний огляд літератури та аналіз стану проблеми в вибраній галузі повністю виконані здобувачем. Вибраний напрямок досліджень, методи та методики погоджені з керівником дисертації. Розробка методів отримання коагулянтів, основні експериментальні дані по оцінці ефективності синтезованих реагентів, застосування їх для інтенсифікації процесів освітлення і знебарвлення природних і стічних вод отримані безпосередньо автором. Натурні випробування по синтезу і застосуванню коагулянтів для очищення природної дніпровської та стічної води ВАТ “ККПК”, теоретичні узагальнення виконані разом з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на конференціях:

- “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”/ квітень, 2006, Донецьк.

- “Екологія.Людина.Суспільство.”/ травень, 2006, Київ.

- “Вода: экология и технология.ЭКВАТЭК-2006.”/ червень,2006, Москва.

- “І-й Всеукраїнський з’їзд екологів”/ жовтень 2006, Вінниця.

- “Проблеми безпеки життєдіяльності людини та охорона оточуючого

середовища”/ лютий, 2007,Свалявський р-н, с.Поляна.

- “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціональне використання

водних ресурсів та очистка природних і стічних вод”/ квітень 2007, Миргород.

- “Екологія.Людина.Суспільство.”/ травень, 2007, Київ.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць, з них 5 статей у провідних фахових виданнях, 1 патент, 8 тез доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертація включає вступ, 5 розділів, висновки, список використаних джерел, додатки. Загальний обсяг роботи складає 164 сторінки, включаючи 27 таблиць, 22 рисунки, 3 додатки, об’єм бібліографії –167 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані її мета, задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність одержаних результатів.

Перший розділ присвячено аналізу патентної та науково-технічної інформації про основні методи отримання реагентів та шляхи їх застосування в процесах водопідготовки та очищення стічних вод промислових виробництв. Розглянуто умови використання кожного із представлених методів, показано їх переваги та недоліки.

У другому розділі представлено об’єкти та методи дослідження. Об’єктами дослідження були природні, оборотні та стічні води промислових виробництв, а також модельні суспензії. В розділі приведені методики отримання коагулянтів, оцінки їх ефективності, описується обладнання для проведення експериментів.

Третій розділ присвячено розробці нових методів отримання основних солей алюмінію та вивченню процесів інтенсифікації освітлення та знебарвлення природних вод і модельних суспензій.

Для отримання гідроксохлоридів алюмінію (ГОХА) був використаний доступний алюмінат та гідроксоалюмінат натрію, які утворюються в великих кількостях при виробництві алюмінію та при обробці металевого алюмінію в процесі лужного травлення.

Розроблений метод синтезу базується на переведенні гідроксоалюмінату натрію в нерозчинні у воді гідроксоалюмінати кальцію та магнію. При цьому можна використовувати розчини алюмінату натрію різної концентрації, тому що при використанні солей кальцію та магнію можна вилучати гідроксоалюмінат натрію з розведених розчинів. Це важливо при використанні відходів лужного травлення алюмінію.

2NaAl(OH)4 + Me2+ Me[Al(OH)4]2+2Na+ , Ме – Mg2+ ; Ca2+.

Отримання гідроксохлоридів алюмінію при безпосередній взаємодії соляної кислоти з алюмінатом натрію ускладнюється утворенням гідроксиду алюмінію,що погано рзчиняється в соляній кислоті навіть при тривалому нагріванні. Гідроксоалюмінати кальцію та магнію легко взаємодіють з розчином соляної кислоти з утворенням гідроксохлоридів алюмінію. Так, при взаємодії вологого осаду гідроксоалюмінату магнію з 33-% соляною кислотою при температурі 70-1000С і атмосферному тиску утворюється 1/3 гідроксохлорид алюмінію. Синтез 2/3 ГОХА відбувався при температурі 80-900С і атмосферному тиску до повного розчинення осаду гідроксоалюмінату кальцію в соляній кислоті.

Mg[Al(OH)4]2 + 6HCl 2Al(OH)Cl2 + MgCl2 + 6H2O

Ca[Al(OH)4]2 + 4HCl 2Al(OH)2Cl + CaCl2 + 4H2O

Проведений елементний аналіз розчинів на вміст алюмінію, хлориду, кальцію або магнію, залежно від типу ГОХА, підтвердив хімічний склад 1/3 та 2/3 гідроксохлоридів алюмінію.

Також був розроблений метод отримання високоосновного 5/6 гідроксохлориду алюмінію шляхом взаємодії металевого алюмінію з 2/3 гідроксохлоридом алюмінію. В цьому випадку розчин 2/3 ГОХА взаємодіяв з порошком металевого алюмінію при перемішуванні і температурі 90-1000С до повного розчинення порошку. Процес перебігав за такою реакцією:

2Al(OH)2Cl + 2АІ + 6H2O>2Al2(OH)5Cl + 3H2^

Склад отриманого коагулянту підтвердили аналізом на вміст алюмінію і хлориду.

Для оцінки ефективності розроблених коагулянтів були досліджені процеси освітлення та знебарвлення природної води, зокрема дніпровської і деснянської. Враховуючи невисоку каламутність природних вод (від 3 до 73 мг/дм3) в дослідженні були використані висококаламутні суспензії бентоніту та каоліну, а також модельні розчини гумату натрію.

При освітленні дніпровської води (табл.1) найнижчих значень каламутності в процесі відстоювання було досягнуто за допомогою високоосновних 5/6 ГОХА, як розробленого за новою методикою, так і отриманого з металевого алюмінію. Найбільш вживаний в Україні сульфат алюмінію виявився в цьому випадку неефективним. Проте, після фільтрування ефективність освітлення води як для гідроксохлоридів, так і для інших алюмінієвих коагулянтів (АІ2 (SO4)3, Аква-аурат®30) зросла до 82-100% - залежно від дози коагулянту.

Більш ефективними алюмінієві коагулянти виявились при освітленні модельних суспензій бентоніту (табл.2) та каоліну. Так, найвищу ефективність освітлення суспензії бентоніту було зафіксовано при використанні нових синтезованих 2/3 та 5/6 ГОХА. При освітленні висококаламутної (285 мг/дм3) суспензії каоліну переконливі результати показав також 1/3 ГОХА. Застосування для доочищення суспензій процесу фільтрування дозволило підвищити ефективність освітлення до 99-100%. Необхідно зазначити, що збільшення ефективності освітлення як при відстоюванні так і при фільтруванні відбувалось при переході від сульфату алюмінію до більш основних гідроксохлоридів алюмінію.

Таблиця 1. Освітлення дніпровської води (М=73 мг/дм3,К=163 град, рН=8,0)

Коагулянт | Д,

мг/

дм3 | М, мг/дм3 | К, град. | Zм, % | Zк, % | АІ3+, мг/дм3

І | ІІ | І | ІІ | І | ІІ | І | ІІ

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11

холостий | - | 37,3 | 24,3 | 113 | 79,5 | 49 | 66 | 51 | 31 | -

Al2(SO4)3 | 2

5

10

30 | 28,0

30,0

41,8

36,3 | 4,25

9,25

13,3

0,0 | 126

163

189

181 | 52

81,3

110

26 | 62

59

43

50 | 94

87

82

100 | 23

-

-

- | 68

56

33

84 | 0,015

0,017

0,010

0,000

Al(OH)2Cl | 2

5

10

30 | 28,0

33,8

32,3

30,0 | 3,5

8,5

7,0

2,37 | 126

177

159

148 | 55,5

77,8

35,3

28,5 | 62

54

56

59 | 95

88

90

97 | 23

-

2,5

9,2 | 66

52

78

83 | 0,029

0,040

0,010

0,005

Al2(OH)5СІ | 2

5

10

30 | 35,0

36,8

25,0

19,0 | 3,0

78

6,0

0,0 | 140

179

130

105 | 48

72

24

15 | 52

50

66

74 | 96

89

92

100 | 14

-

21

36 | 71

56

85

91 | 0,030

0,031

0,019

0,000

Продовж.табл.1.

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11

Al2(OH)5Cl

метал. | 2

5

10

30 | 33,0

37,0

22,0

13,5 | 2,0

7,7

8,7

0,0 | 140

173

118

78 | 48

71,8

74

16,8 | 55

49

70

82 | 97

89

88

100 | 14

-

28

52 | 71

56

55

90 | 0,020

0,019

0,012

0,010

"Аква –Аурат ® 30" | 2

5

10

30 | 29,5

33,5

32,3

17,5 | 3,0

7,5

6,5

1,0 | 12,6

77,3

15,8

98,5 | 55,5

75,8

28,5

24 | 60

54

56

76 | 96

90

91

99 | 23

-

3,0

40 | 66

53

83

85 | 0,014

0,070

0,100

0,000

I – після відстоювання протягом двох годин;

ІІ – після відстоювання та фільтрування.

Таблиця 2. Вплив коагулянтів на ефективність освітлення суспензії бентоніту в

водопровідній воді (М=90 мг/дм3)

Коагу

лянт |

Доза, мг/дм3

(по Al2O3) | pH | М, мг/дм3 | Zм, %

I | II | I | II

Холостий | - | 7,65 | 26,0 | 0 | 71,1 | 100,0

Al2(SO4)3 | 2 | 7,82 | 22,0 | 0 | 75,6 | 100,0

Al2(SO4)3 | 5 | 7,73 | 25,0 | 0 | 72,2 | 100,0

Al2(SO4)3 | 10 | 7,69 | 26,0 | 0 | 71,1 | 100,0

Al2(SO4)3 | 20 | 7,38 | 33,5 | 0 | 62,8 | 100,0

Al2(SO4)3 | 30 | 6,84 | 32,5 | 0 | 63,9 | 100,0

Al2(OH)5Cl | 2 | 7,93 | 24,3 | 0 | 73,1 | 100,0

Al2(OH)5Cl | 5 | 7,79 | 28,0 | 0 | 68,9 | 100,0

Al2(OH)5Cl | 10 | 7,83 | 26,0 | 0 | 71,1 | 100,0

Al2(OH)5Cl | 20 | 7,91 | 23,7 | 0 | 73,6 | 100,0

Al2(OH)5Cl | 30 | 7,52 | 12,4 | 0 | 86,2 | 100,0

Al(OH)2Cl | 2 | 772 | 25,3 | 0 | 71,9 | 100,0

Al(OH)2Cl | 5 | 7,67 | 27,7 | 0 | 69,2 | 100,0

Al(OH)2Cl | 10 | 7,53 | 25,0 | 0 | 72,2 | 100,0

Al(OH)2Cl | 20 | 7,41 | 5,25 | 0 | 94,2 | 100,0

Al(OH)2Cl | 30 | 6,85 | 1,50 | 0 | 98,3 | 100,0

NaAl(OH)4 | 2 | 7,75 | 26,0 | 0 | 71,1 | 100,0

NaAl(OH)4 | 5 | 7,89 | 23,0 | 0 | 74,4 | 100,0

NaAl(OH)4 | 10 | 8,00 | 23,0 | 0 | 74,4 | 100,0

NaAl(OH)4 | 20 | 8,15 | 31,3 | 0 | 65,3 | 100,0

NaAl(OH)4 | 30 | 8,22 | 32,7 | 0 | 63,6 | 100,0

I – після відстоювання протягом двох годин;

ІІ – після відстоювання та фільтрування.

Враховуючи високий ефект освітлення води і модельних суспензій на стадії відстоювання ми вважали за доцільне дослідити кінетику освітлення природної води (рис.1) та модельних суспензій в залежності від дози та типу алюмінієвого коагулянту. Для цього визначали каламутність води протягом 12 годин з інтервалом в 1 годину.

За результатами кінетичних досліджень було виявлено, що швидкість освітлення зростає з часом та при збільшенні дози коагулянту і при переході від сульфату алюмінію до гідроксохлоридів алюмінію, які забезпечували високу ефективність освітлення води на рівні 70-100% незалежно від методу їх отримання. Найнижчі значення каламутності при очищенні дніпровської води і модельних суспензій каоліну і бентоніту були зафіксовані при застосуванні 2/3 та 5/6 ГОХА. Необхідно зазначити, що найефективніше процес освітлення відбувався у перші 4-6 годин експерименту.

Наряду з освітленням важливе значення при очищенні води також має процес знебарвлення. Тим більше, що процеси знебарвлення природної води при існуючих технологіях водопідготовки досить часто відбуваються неефективно, навіть при застосуванні подвійних доз коагулянту – сульфату алюмінію. Тому було порівняно вплив сульфату алюмінію, ГОХА та інших алюмінієвих коагулянтів на знебарвлення природної води (рис.2) та модельних розчинів гумату натрію. В результаті експерименту виявлено, що ефективність процесу знебарвлення зростає зі збільшенням дози коагулянту від 5 до 30 мг/дм3 та при збільшенні основності коагулянту. Підвищити ефективність очищення як дніпровської води так і розчинів гумату натрію вдається за рахунок застосування процесу фільтрування на стадії доочищення. При цьому розроблені ГОХА забезпечують ступінь освітлення понад 92%.

Рис.1 Залежність значень каламутності дніпровської води (М=73 мг/дм3) від

часу відстоювання при дозі коагулянту 5 мг/дм3 (а) і при 30 мг/дм3 (б): 1-холостий,

2-AI2 (SO4)3, 3-AI(OH)2CI, 4-AI2(OH)5CI

Рис.2 Залежність ефективності знебарвлення дніпровської води від часу відстоювання

при дозі коагулянту 5 мг/дм3 (а) і 30 мг/дм3 (б): 1-холостий, 2-AI2 (SO4)3,

3-AI(OH)2CI, 4-AI2(OH)5CI

Слід зауважити, що застосування методу фільтрування на стадії доочищення води дозволяє не тільки скоротити час освітлення або знебарвлення води, а й значно підвищити ступінь очищення. Однак високі ступені очистки природної води при фільтруванні були досягнуті за умов, коли маса затриманого бруду була значно нижчою за брудомісткість фільтру. Проте саме вплив коагулянтів на брудомісткість фільтрів в значній мірі визначає ефективність процесу очищення води. Тому було досліджено як змінюється брудомісткість піщаного насипного фільтру при очищенні висококаламутної модельної суспензії каоліну в водопровідній воді (табл.3).

Таблиця 3. Визначення брудомісткості піщаного фільтра при очищенні модельної суспензії каоліну

Коагулянт |

Доза, мг/дм3

(по Аl2O3) | Vфільтрату / Vпіску | М, мг/дм3 | Zм,

% | Брудомісткість г/м3

Початкова | Кінцева

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

Холостий |

- | 12,5 | 168,0 | 90,0 | 46,43 | 975

Al2(SO4)3 | 2

10

20 | 12,5

12,5

75 | 168,0

168,0

190,0 | 36,0

5,0

15,5 | 78,57

97,02

91,84 | 1650

2037

14056

Al(OH)Cl2 | 2

10

20 | 12,5

62,5

125 | 168,0

170,0

270,0 | 30,0

5,0

9,0 | 82,14

97,06

96,67 | 1725

1056

33637

Продовж.табл.3

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

Al(OH)2Cl | 2

10

20 | 87,5

25

12,5 | 177,0

217,5

217,5 | 30,0

23,5

11,5 | 83,05

89,20

94,71 | 15112

5143

2572

Al2(OH)5Cl | 2

10

20 | 25

12,5

12,5 | 120,0

120,0

190,0 | 38,0

9,0

136,0 | 68,33

92,5

28,42 | 2525

1387

675

"Аква – Аурат® 30" | 2

10

20 | 25

37,5

50 | 190,0

190,0

177,0 | 9,0

31,5

5,0 | 95,26

88,68

97,18 | 4637

6856

8787

Як видно з табл.3 брудомісткість фільтру зростає при застосуванні коагулянтів, при чому з ростом дози брудомісткість також зростає. Значно збільшити брудомісткість вдалося при застосуванні 1/3-, 2/3 ГОХА та сульфату алюмінію. Високоосновні коагулянти, зокрема 5/6 ГОХА, виявились менш ефективними, що очевидно обумовлено перезарядкою поверхні фільтруючого завантаження при додаванні таких реагентів.

Отже, алюмінієві коагулянти забезпечують не лише підвищення ефективності фільтрування, але і сприяють підвищенню брудомісткості фільтрів, яка зростає залежно від типу обраного реагенту в 2-15 разів.

В четвертому розділі приведено результати застосування алюмінієвих коагулянтів для очищення промислових стічних вод біохімічного виробництва на прикладі стоків ВАТ “Стиролбіотех” та стічних вод целюлозно-паперового виробництва на прикладі оборотних та стічних вод ВАТ “Київський картонно-паперовий комбінат”.

При освітленні висококаламутних стічних вод біохімічного виробництва, нові розроблені 2/3- та 5/6-гідроксохлориди алюмінію знижували каламутність з 775 мг/дм3 до 35 і 75 мг/дм3 відповідно (табл.4). Найвищого ефекту освітлення вдалося досягти при застосуванні високих доз коагулянту - 70, 100 мг/дм3 по АІ2О3.

Таблиця 4. Освітлення стічної води ВАТ “Стиролбіотех” (М=775 мг/дм3, рН=7,7)

Коагулянт | Доза (по АІ2О3), мг/дм3М,

мг/дм3Z, % | Залишковий вміст АІ3+, мг/дм3

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | холостий

- | 385 | 50 | -

Al2(SO4)310

30

70

100 | 425

385

335

95 | 45

50

57

88 | 0,250

0,140

0,090

0,035

Продовж.табл.4

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Al(OH)Cl2 | 10

30

70

100 | 425

325

130

95 | 45

58

83

88 | 0,110

0,070

0,050

0,030

Al(OH)2Cl10

30

70

100 | 385

110

35

30 | 50

86

95

96 | 0,090

0,040

0,010

0,000

Al2(OH)5Cl10

30

70

100 | 470

346

75

30 | 39

55

90

96 | 0,040

0,010

0,005

0,000

Аква-аурат®30 | 10

30

70

100 | 365

280

190

95 | 53

64

76

88 | 0,070

0,031

0,010

0,000

Стічні води целюлозо-паперових виробництв також характеризуються високою каламутністю, обумовленою значним вмістом завислих речовин. Тому ми дослідили як впливають алюмінієві коагулянти на освітлення стічних вод картонно-паперового комбінату, концентрація завислих речовин в яких досягала 3400 мг/дм3 (рис.3). Висока каламутність води обумовлювала високі дози коагулянтів. Так, найвищу ефективність очищення води забезпечували відомі Аква-аурат®30, 5/6 ГОХА, виготовлений з металевого алюмінію і 2/3 ГОХА. Дані реагенти при дозах 90-120 мг/дм3 підвищили ступінь освітлення до 98-99,5%.

Рис.3 Вплив типу та дози коагулянту на залишкову каламутність (а) та ступінь освітлення (б) стічної води ВАТ „ККПК” (М=7700 мг/дм3):1- Аква-аурат®30, 2 - AI2(OH)5CI мет., 3 - AI(OH)2CI, 4 - АІ(ОН)СІ2 , 5 - AI2 (SO4)3

Проте, враховуючи високу вихідну каламутність, залишкова каламутність освітленої води була досить високою і перевищувала 50 мг/дм3.

Більш ефективного освітлення води можна досягнути при застосуванні методу флотації (табл.5). Як видно з таблиці після електрофлотаційного очищення найкращі результати по освітленню води були досягнуті за допомогою 5/6 ГОХА, оториманого за розробленою методикою. Так, ефективність освітлення при дозах коагулянта 70-100 мг/дм3 досягала 78,8-96,4%. Інші коагулянти виявились менш ефективними. В той же час було виявлено, що ступінь освітлення води після флотації значно зростає при фільтруванні відфлотованої води через піщаний фільтр.

Таблиця 5. Освітлення попередньо відстояної оборотної води ВАТ "ККПК"

електрофлотацією (М = 280 мг/дм3)

Коагулянт | Д, мг/дм3 |

М, мг/дм3 | Z, %

I | II | I | II

холостий | - | 365 | 92,5 | 0 | 67,0

Al2(SO4)3 | 10

70

100 | 405

420

380 | 297,5

275

240 | 0

0

0 | 0

1,8

14,3

Al2(OH)5Cl

метал. | 10

70

100 | 442

250

70 | 317

178

55 | 0

10,7

75,0 | 0

36,4

80,4

Al2(OH)5Cl | 10

70

100 | 470

60

10 | 363,6

0

9 | 0

78,8

96,4 | 0

100

96,8

Al(OH)2Cl | 10

70

100 | 590

200

75 | 375

5

17,5 | 0

28,6

73,2 | 0

98,2

93,8

Продовж.табл.5

"Аква - Аурат®30" | 10

70

100 | 470

175

65 | 365

0

15 | 0

37,5

76,8 | 0

100

94,6

I – після флотації; II – після флотації з подальшим фільтруванням.

В даному розділі також розглядалась проблема погіршення стану активного мулу біологічних споруд очищення стічних вод комбінату. Відомо, що в літній період на комбінаті спостерігається явище спухання активного мулу, що заважає нормальній роботі очисних споруд. Спухання мулу в даному випадку пов’язане з бурхливим розвитком нитчастих мікроорганізмів, які в великих кількостях містяться в мулі очисних споруд картонно-паперового комбінату. Тому була проведена спроба застосування алюмінієвих коагулянтів, зокрема нових синтезованих гідроксохлоридів для пригнічення розвитку нитчатих мікроорганізмів.

Для цього попередньо освітлену алюмінієвими коагулянтами стічну воду комбінату змішували з активним мулом Бортничівської станції аерації (БСА). Як відомо, нитчаті бактерії в активному мулі БСА відсутні, але активно розвиваються при його змішуванні зі стічними водами комбінату.

Першу серію дослідів проводили з використанням активного мулу очисних споруд комбінату, а другу - з використанням активного мулу БСА. Стан активного мулу оцінювався по показнику мулового індексу (МІ). Час контакту коагулянтів з активним мулом складав 4 години.

При проведенні експерименту зразки активного мулу, об”ємом 0,2 дм3 вносили в колби і додавали розраховану кількість освітленої коагулянтами стічної води. Суміш аерували за допомогою мікрокомпресорів, підтримуючи вміст кисню в воді на рівні 5-6 мг/дм3. Показник МІ та наявність нитчатих мікроорганізмів визначали через певний проміжок часу.

В ряді дослідів коагулянти в визначених дозах (10-100 мг/дм3 по АІ2О3) вносили безпосередньо в мулову суміш очисних вод ККПК.

Результати експерименту з використанням активного мулу Бортничівської станції аерації представлені в таблиці 6.

Таблиця 6. Вплив коагулянтів на суміш стічних вод ВАТ „ККПК” та активного мулу

Бортничської станції аерації(М=5750 мг/дм3, Сзм=2790 мг/дм3, Сам= 7,0 г/л, МІ=155см3/г)

Коагулянт | Доза по АІ2О3

мг/дм3 | Час аерації

год | Муловий індекс

см3/г | Наявність нитчастих мікроорганізмів

холостий | - | 4 | 121 | +++

AI(OH)CI2 | 30

70

100 | 4

4

4 | 125

110

153 | +

±

±

AI(OH)2CI | 30

70

100 | 4

4

4 | 144

118

153 | ++

±

±

Продовж.табл.6

1 | 2 | 3 | 4 | 5

AI2(OH)5CI | 30

70

100 | 4

4

4 | 132

135

150 | +

-

-

АІ2(SO4)3 | 30

70

100 | 4

4

4 | 118

105

101 | ±

-

-

Примітка:

- відсутність нитчатих форм

± нитки зустрічаються рідко

+ поодинокі нитки

++ нитчаті форми зустрічаються часто

+++ нитчаті форми по усьому полі зору

Як видно з табл.6, використання коагулянтів покращує показники активного мулу після аерації. Відмічено зниження мулового індексу, значення якого знаходяться в межах від 101 до 153 см3/г (при дозах коагулянту 30-100 мг/дм3) та зниження вмісту нитчатих бактерій за рахунок пригнічення їх розвитку. Найвища ефективність спостерігалась при застосуванні 5/6 ГОХА та сульфату алюмінію. Вже при дозі коагулянту 70 мг/дм3 відмічалося повне зникнення нитчатих форм. До зменшення кількості нитчастих мікроорганізмів призводить і використання 2/3 ГОХА та 1/3 ГОХА.

За результатами експерименту можна рекомендувати до застосування для боротьби з нитчатими формами мікроорганізмів в активному мулі 5/6 ГОХА та 2/3 ГОХА. Рекомендовані ефективні дози реагентів 70-100 мг/дм3 по АІ2О3 .

У п’ятому розділі наведено принципову технологічну схему одержання гідроксохлоридів алюмінію з гідроксоалюмінату натрію (рис.4).

Технологія синтезу 1/3 та 2/3 ГОХА базується на двохстадійному отриманні коагулянтів. На першій стадії в реакторі 1 отримують з алюмінату натрію алюмінат кальцію. При цьому можна використовувати розчини алюмінату натрію з широким діапазоном концентрацій, що дає можливість утилізувати його відходи, що утворюються при травленні алюмінію. На другій стадії (реактор 2 ) при розчиненні алюмінату кальцію у 33-%соляній кислоті отримують концентрований розчин 1/3 чи 2/3 ГОХА (в залежності від співвідношення реагентів). 5/6 ГОХА отримують в реакторі 3 з 2/3 ГОХА та металевого алюмінію.

В даному розділі проведено економічну оцінку ефективності застосування розробленого 2/3 ГОХА при освітленні природної та стічної води. Економічний ефект при очищенні природної води станції водопідготовки, продуктивністю 36000000 м3/рік склав 0,01 грн/м3, а при очищенні стічної води цеху картону зі скидом стічних вод 4300000 м3/рік – 0,134 грн/м3. Річний економічний ефект склав 346114 грн і 573823 грн для станції водопідготовки та цеху очищення стічних вод виробництва картону відповідно. Згідно проведеного аналізу зменшення витрат на очистку відбувається за рахунок вищої ефективності розробленого коагулянту порівняно із застосовуємим сульфатом алюмінію.

Рис.4 Принципова технологічна схема синтезу 2/3 і 5/6 гідроксохлоридів алюмінію з алюмінату натрію: 1,2,3 – реактори з мішалкою; 4- лєнточний фільтр; 5,6 – резервуари розчинів коагулянтів 2/3 і 5/6 ГОХА відповідно; 7- збірник фільтрату; 8,9,10 – насоси; 11,12,13,14 – мірники реагентів; 15- дозатор алюмінієвого порошку; 16 – фільтрат на очисні споруди; 17,18 – розчин коагулянтів на фасування; 19 –32 –вентилі.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено новий метод отримання гідроксохлоридів алюмінію, оснований на взаємодії алюмінату натрію з солями кальцію і магнію на першій стадії та розчиненні отриманих гідроксоалюмінатів у соляній кислоті на другій стадії.

2. Вивчено вплив відомих алюмінієвих коагулянтів та розроблених гідроксохлоридів на процеси освітлення природних вод. Показано, що ефективність освітлення при відстоюванні підвищується із зростанням вихідної каламутності природної води та із підвищенням дози коагулянту. Ефективність очищення зростає із підвищенням основності коагулянтів.

3. Вивчено процеси фільтрування природної води і показано, що розроблені гідроксохлориди освітлювали воду на рівні відомих алюмінієвих коагулянтів, а в деяких випадках переважали їх.

4. На прикладі освітлення висококаламутних модельних суспензій бентоніту та каоліну у воді показано, що ефективність процесу зростає зі збільшенням дози коагулянту, і при застосуванні розроблених 2/3- та 5/6 гідроксохлоридів алюмінію досягає найвищих значень – 90-98%.

5. Досліджені процеси знебарвлення природних вод і модельних розчинів гумату натрію та показано, що найвищий ефект знебарвлення досягається за допомогою 2/3 гідроксохлориду алюмінію.

6. Показано, що при використанні алюмінієвих коагулянтів, незалежно від способу їх отримання підвищується брудомісткість насипних фільтрів в 2-15 разів.

7. Встановлено, що при освітленні промислових стоків з високою каламутністю методом відстоювання з використанням алюмінієвих коагулянтів ефективність процесу зростає при переході від сульфату алюмінію до гідроксохлоридів алюмінію, та при збільшенні доз реагентів від 20 до 100 мг/дм3.

8. Вивчені процеси очищення оборотних вод паперового виробництва методом відстоювання і електрофлотації і показано, що ефективність процесу зростає з підвищенням дози коагулянту та при фільтруванні води.

9.Визначено вплив алюмінієвих коагулянтів на стан активного мулу біологічних споруд очищення стічних промислових вод. Показано, що стічні води ВАТ “ККПК” стимулюють розвиток нитчатих бактерій в активному мулі аеротенків, що призводить до суттєвого погіршення процесу очищення води. Використання гідроксохлоридів алюмінію при освітленні води перед аеротенками в дозах 30-100 мг/дм3 дозволяє запобігти утворенню нитчатих бактерій в активному мулі.

10. Розроблено технології отримання гідроксохлоридів алюмінію з алюмінату натрію у дві стадії, а також технологію отримання 5/6 гідроксохлориду з 2/3 ГОХА і алюмінієвого порошку.

11.Показано, що економічний ефект за рік по станції водопідготовки продуктивністю 36000000 м3/рік склав 346114 грн, для цеху картону зі скидом стічних вод 4300000 м3/рік - 573823 грн.

12. Було випущено та випробувано дослідну партію коагулянту 2/3 гідроксохлориду алюмінію на ВАТ “Київський завод “РІАП”. Натурні випробування розроблених гідроксохлоридів алюмінію при освітленні стічних вод паперового виробництва були проведені на ВАТ “Київський картонно-паперовий комбінат”.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1.Гомеля Н.Д., Красильникова Т.Н., Яцюк Л.А. Получение и оценка эффективности новых алюминиевых коагулянтов в процессах обесцвечивания воды // Экотехнологии и ресурсосбережение.- 2006, № 3, с.51-55. Внесок здобувача: експериментальні дослідження по визначенню впливу алюмінієвих коагулянтів на процеси знебарвлення природних вод, модельних розчинів гумату натрія.

2. Гомеля М.Д., Красільнікова Т.М., Яцюк Л.А. Отримання коагулянтів із гідроксоалюмінату натрію для інтенсифікації освітлення води // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, 2006, №4, с.150-157. Внесок здобувача: розроблено метод синтезу коагулянтів 1/3 та 2/3 гідроксохлоридів алюмінію з алюмінату натрію. Досліджено вплив розроблених коагулянтів на інтенсифікацію освітлення природних вод, модельних суспензій.

3. Гомеля Н.Д., Красильникова Т.Н. Оценка эффективности новых алюминиевых коагулянтов в процессах осветления сточных вод.// Екологія довкілля та безпека життєдіяльності .- 2006, №4, с.52-56. Внесок здобувача: вивчено процеси освітлення стічних вод целюлозно-паперового виробництва на прикладі стоків від картоноробної машини ВАТ “Київський картоно-паперовий комбінат”.

4. Гомеля Н.Д., Красильникова Т.Н. Оценка эффективности новых алюминиевых коагулянтов при очистке сточных вод. // Экотехнологии и ресурсосбережение .- 2007, № 1, с.53-56. Внесок здобувача: проведено порівняльну оцінку ефективності відомих алюмінієвих коагулянтів і розроблених гідроксохлоридів при очищенні стічних вод ВАТ “ККПК” методами відстоювання і фільтрування. Визначено вплив коагулянтів на ефективність біохімічного очищення стічної води.

5.Гомеля М.Д., Красільнікова Т.М., Романенко С.М. Застосування гідроксохлоридів алюмінію в процесах освітлення стічних вод // Екологія і ресурси. – 2007, №16, с. 41-45. Внесок здобувача: розробка методу синтезу та визначення ефективності високоосновного 5/6 ГОХА при очищенні стічних вод ВАТ “Стиролбіотех” у дві стадії.

6. Пат.19598 Україна, МПК С01F 7/52, C01F 7/56, C01F 7/60. Спосіб отримання алюмінієвих коагулянтів для очищення води./ Гомеля М.Д., Красільнікова Т.М.. (Україна).- №u200607782; Заявл.11.07.2006; Опубл.15.12.2006, Бюл.№12 – 3с. Внесок здобувача: створення методу одержання 1/3, 2/3, 5/6 гідроксохлоридів алюмінію з алюмінату натрію і визначення ефективності розроблених коагулянтів при освітленні природних вод.

7.Гомеля Н.Д., Красильникова Т.Н. Получение коагулянтов из гидроксоалюмината натрия и оценка их эффективности в процессах осветления воды.// 7 международный конгресс “Вода:экология и технология”ЭКВАТЭК 2006, Москва, 30 мая-2 июня 2006.,с.551.Внесок здобувача: досліджено процеси освітлення маломутних природних вод при застосуванні відомих алюмінієвих і розроблених гідроксохлоридів алюмінію.

8. Красільнікова Т.М. Використання алюмінієвих коагулянтів для інтенсифікації процесів освітлення природної води// “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”, Донецьк, квітень, 2006, с.104-105. Внесок здобувача: експериментально досліджено процеси очищення природної води методом відстоювання і доочищення води фільтруванням.

9. Красільнікова Т.М., Яцюк Л.А. Эффективность алюминиевых коагулянтов в процессах обесцвечивания днепровской воды и модельных растворов гумата натрия// Збірка тез доповідей учасників ІХ міжнародної науково-практичної конференції “Екологія.Людина.Суспільство.” Київ, травень, 2006,с.92.Внесок здобувача: вивчено вплив деяких алюмінієвих коагулянтів на знебарвлення води.

10. Красільнікова Т.М., Яцюк Л.А. Випробування нових алюмінієвих коагулянтів при освітленні природних вод та модельних суспензій// Збірка тез доповідей учасників ІХ міжнародної науково-практичної конференції “Екологія.Людина.Суспільство.”Київ, травень, 2006,с.93.Внесок здобувача: випробувано нові розроблені ГОХА при освітленні висококаламутних суспензій бентоніту та каоліну в залежності від типу та дози коагулянту.

11. Гомеля М.Д., Красільнікова Т.М. Оценка эффективности новых алюминиевых коагулянтов в процессах осветления сточных вод// тези доповідей міжнародної науково-практичної конференції “І Всеукраїнський з’їзд екологів”, Вінниця,4-7 жовтня, 2006р,с.199. Внесок здобувача: експериментально досліджено застосування алюмінієвих реагентів при освітленні стічних вод картоно-паперових виробництв.

12. Гомеля М.Д., Красільнікова Т.М.Застосування гідроксохлоридів алюмінію в процесах освітлення стічних вод// матеріали конференції “Проблеми безпеки життєдіяльності людини та охорони оточуючого середовища”,Свалявський р-н, 26 лютого – 2 березня 2007, с.112-114. Внесок здобувача: застосування ГОХА для очищення стічних вод біохімічного виробництва.

13.Гомеля М.Д., Красільнікова Т.М., Романенко С.М. Вивчення впливу алюмінієвих коагулянтів на роботу біологічних очисних споруд ВАТ “Київський картоно-паперовий комбінат”//матеріали конференції “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціональне використання водних ресурсів та очистка природних і стічних вод”, Миргород, квітень 2007, с.64-66.Внесок здобувача: досліджено вплив ГОХА на стан нитчатих мікроорганізмів в активному мулі очисних споруд ВАТ “ККПК”.

14.Красільнікова Т.М., Романенко С.М. Дослідження кінетики освітлення дніпровської води при застосуванні алюмінієвих коагулянтів.// Збірка тез доповідей учасників Х міжнародної науково-практичної конференції “Екологія.Людина.Суспільство.” Київ, травень, 2007,с.117.Внесок здобувача: проведено кінетичні дослідження процесів освітлення дніпровської води при застосуванні алюмінієвих коагулянтів.

АНОТАЦІЇ

Красільнікова Т.М. “Синтез коагулянтів із алюмінату натрію та оцінка їх ефективності при очищенні води”. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – екологічна безпека. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Розроблено нові методи синтезу високоефективних коагулянтів – гідроксохлоридів алюмінію з використанням доступної сировини. Визначено умови інтенсифікації процесів освітлення і знебарвлення природних вод за допомогою коагулянтів.

Встановлено, що ефективність освітлення зростає при використанні методу фільтрування на стадії доочищення води. Показано, що використання коагулянтів сприяє значному підвищенню брудомісткості насипних фільтрів.

Проведено оцінку ефективності розроблених гідроксохлоридів алюмінію при очищенні стічних вод промислових підприємств. Вивчено процес очищення оборотних вод паперового виробництва методами відстоювання та електрофлотації. Визначено вплив алюмінієвих коагулянтів на стан активного мулу біологічних споруд очищення промислових стічних вод.

Запропоновано технологічну схему отримання гідроксохлоридів алюмінію з алюмінату натрію.

Ключові слова: гідроксохлориди алюмінію, освітлення, знебарвлення, каламутність, кольоровість, фільтрування, брудомісткість, оборотні води, електрофлотація, активний мул.

Красильникова Т.Н. “Синтез алюминиевых коагулянтов из алюмината натрия и оценка их эффективности при очистке воды”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – экологическая безопасность. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке эффективных реагентов – коагулянтов, полученных из дешевого и доступного сырья для процессов очистки природных и сточных вод.

Разработаны новые методы получения гидроксохлоридов алюминия из гидроксоалюмината натрия путем переведения его в нерастворимые в воде гидроксоалюминаты кальция и магния и при последующей обработке последних соляной кислотой. Процесс происходит при атмосферном давлении и температуре 70-1000С. В зависимости от соотношения реагентов получают 1/3 или 2/3 ГОХА.

Также был разработан метод получения высокоосновного 5/6 ГОХА путем взаимодействия полученного из гидроксоалюмината кальция 2/3 ГОХА с порошком металлического алюминия при температуре 90-1000С.

Эффективность полученных коагулянтов определяли при осветлении и обесцвечивании днепровской воды при отстаивании и фильтровании. Установлено, что при осветлении природной воды эффективность очистки возрастает при переходе от сульфата алюминия к более основным гидроксохлоридам.

Для определения более полной оценки разработанных коагулянтов были изучены процессы осветления и обесцвечивания модельных суспензий бентонита и каолина, а также модельных растворов гумата натрия. Определено, что эффективность осветления возрастает с ростом дозы коагулянта и при переходе от сульфата алюминия к гидроксохлоридам. Показана эффективность применения метода фильтрования после процесса отстаивания для доочистки воды и модельных суспензий.

В работе было определено влияние алюминиевых коагулянтов на грязеемкость насыпного фильтра. Показано, что применение коагулянтов позволяет увеличить грязеемкость фильтра в 2-15 раз в