Шығыс Қазақстан аймағында орналасқан металл өңдеу және машина жасау кешендерінің ағынды суларының құрамында су қоймасына түскенде адамға да, су экожүйесіне де үлкен қауіп төндіретін қауіптілігі жоғары хром қосылыстары болады.
Өндірістердің көбінде су қоймаларына тазаланбаған ағынды сулардың түспеуін қамтамасыз ететін су тазалау ғимараттары болғанымен, қазіргі таңда бұл мәселені толықтай шешу мүмкін болмай отыр.
Хром иондарынан ағынды суларды терең тазалаудың болашағы зор әдісіне табиғи ортаға кері әсерді төмендетіп, құрамында хром қосылыстары бар ағынды суларды тиімді тазалауға мүмкіндік беретін және өнімнің өзіндік құнына көп әсер етпейтін құны арзан табиғи сорбенттермен сорбциялық тазалау жатады.
Соңғы кезде ағынды суларды тазалауда жоғары сорбциялық сыйымдылығымен, катион алмасу қасиетімен, бағасының төмендігімен және қол жетімділігімен ерекшеленетін бентонитті саз балшығы сияқты табиғи сорбенттерді көп пайдалануда. Қоршаған орта нысандарының ластану көзі болып табылатын ірі өндірістік кәсіпорындарға бентонитті саз балшықтары кен орындарының жақын орналасуын ескере отырып, құрамында хром қосылыстары бар ағынды суларды тазалау үшін сорбенттерді қолдану мүмкіншіліктерін зерттеу экологиялық мәселелерді шешуде бұл материалдарды тәжірибе жүзінде қолдану үшін көкейкестілігі және маңыздылығы бар [1, б. 18].
Шығыс Қазақстанда табиғи алюмосиликаттардың палеогенді қыртыстардан тұратын Маңырақ кен орнына жататын тобы орналасқан. Зайсан қазан шұңқырының оңтүстік бөлігінде Таған, Маңырақ және Диназавр кен орындары бар. Құрамындағы монтмориллонитті минералдарының мөлшері 90%-дан артатын аса құнды саз балшықтары Таған кен орнында табылған [4, б. 47].
Химиялық құрамы бойынша бентонитті саз балшықтар 1 кестеде көрсетілген келесі параметрлермен сипатталады [4, б. 48].
Кесте 1 – Әр түрлі горизонттағы Таған кен орнының бентонитті саз балшықтарының химиялық құрамы
|
Горизонт |
Орташа химиялық құрамы, % |
|||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
SO3 |
|
|
9 |
56.89 |
14.79 |
4.54 |
3.93 |
2.92 |
0.47 |
0.10 |
0.21 |
|
10 |
56.69 |
14.16 |
3.78 |
2.81 |
2.84 |
0.70 |
0.11 |
0.28 |
|
11 |
51.98 |
0.96 |
1.27 |
0.22 |
0.13 |
0.9 |
0.10 |
- |
|
12 |
52.45 |
21.11 |
1.89 |
2.31 |
2.82 |
0.58 |
0.12 |
0.32 |
|
13 |
56.06 |
16.11 |
8.00 |
1.96 |
2.63 |
0.45 |
0.06 |
0.17 |
|
14 |
55.48 |
19.38 |
4.40 |
1.98 |
2.18 |
0.51 |
0.14 |
0.18 |
|
15 |
59.56 |
14.92 |
4.27 |
2.12 |
2.26 |
0.27 |
0.17 |
0.11 |
Кестеде келтірілген мәліметтерден 9, 10, 12, 13, 14 және 15 горизонттар сілтілі металл оксидтерінің аралас құрамымен сипатталатыны туралы қорытынды жасауға болады. 12, 13 және 14 горизонттар сорбенттердің маңызды қасиеттерінің біріне жататын борпылдақтығымен сипатталады.
Шығыс Қазақстанның бентонитті саз балшықтары құрамының өзіндік ерекшеліктері мен негізгі қасиеті бұл материалдардың жоғары сорбциялық және ерекше ионалмасу қабілеттілігін айқындайды.
Жергілікті табиғи сорбенттердің қолдану аясын ағынды суларды тазалауда сорбенттердің қасиеттерін мақсатты түрде өзгерту үшін олардың әртүрлі модификациялары мен олардың композицияларын алуға болатыны арттырады.
Табиғи сорбенттердің сыйымдылық және кинетикалық сипаттамаларын жақсартудың болашағы зор тәсіліне модификациялау жатады. Бентонитті саз балшық негізіндегі сорбенттерді модификациялау бентонитті саз балшығын шығынын және сорбенттің құнын төмендетеді.
Бентонитті саз балшықтары минералды шикізаттың ең маңызды түрі болып есептелетіні белгілі, бірақ табиғи балшықтың қасиеті оны тәжірибеде қолдануының мүмкіндігін шектейді. Монтмориллонитті саз балшығының модификациялануы бөлшектерінің ішкі және сыртқы кремнийоттекті бетінің химиялық ортасының өзгеруімен, қабаттарының арасындағы суды шығару мен сілтілі катиондардың органикалық немесе басқа неорганикалық катиондарға ауысуымен жүреді.
Көптеген кәсіпорындарда қосымша өндіріс қалдығы ретінде ағаш үгінділері түзіледі. Соған байланысты ағаш үгінділерін ағынды суларды тазалау үшін және белсенді кешен бентонитті қосу арқылы жаңа сорбциялық материал алу үшін қолдану экономикалық тиімді болады.
Бұл бағытта бізбен Шығыс Қазақстанның Таған кен орнының 11 және 14 горизонттарының бентонитті саз балшықтары мен ағаш үгінділерінің негізінде модификацияланған сорбенттерді таңдалып және зерттелді [3, б. 14].
Суды тазалау жүйесінде су тазалау үшін түйіршіктелген және ұнтақ құрылымды сорбенттер кеңінен қолданады. Түйіршіктелуді бентонитті саз балшықтың ағаш үгінділері сияқты басқа сорбентермен композит алу үшін қолдануға ыңғайлы. Заттарға түйіршік пішінін беру оларды оңай тасымалдауға, сақтауға жағдай жасайды және шикізат пен дайын өнім шығынын азайтады.
Біздің жүргізген зерттеулерімізде модификация үрдісі бентонитті саз балшықтарын алдын-ала термиялық белсендіру, ағаш үгінділерін реагентті белсендіру, содан кейін барып алынған компоненттерді араластырумен жүргізіледі.
Бентонитті саз балшықтары және қарағайдың үгінділері өлшемі 0,1 елеуіштен өткізу арқылы жүзі пышақ сынды үгіткіште ұнтақталды. Композициялардың құрамы, сорбент пен құрамында хромы бар ерітіндінің байланыс уақыты, қаттының сұйыққа қатынастары (Қ:С) таңдалды.
Бентонитті саз балшықтарының концентрациясы 10% тұз қышқылымен бел сендірілуін 24 сағат бойы бөлме температурасында жүргізгеннен кейін дистильденген сумен сутек көрсеткіші 6-7 болғанға дейін шаяды.
Ал ағаш үгінділері муфельді пеште 550 6500С температурада термо белсендіруден өткізілді. Ағаш үгінділерін термо өңдеу жүргізудің себебі, олар күйдіру кезінде күлге айналады да сәйкесінше олардың сорбциялық сыйымдылығы және басқа да қасиеттері жоғарылайды. Және де бұл кезде ішкі қабаттарының саны мен өл-шемі өскенде ағаш үгінділерінің ұлғайған меншікті беткі қабаты пайда болады.
Модификацияланған түйіршіктелген сорбентті жасау үшін бентонитті саз балшықтың ағаш үгіндісіне 1:1 қатынасындағы композициялары дайындалды. Түйіршектелген сорбентті жасу үшін дистильденген су қолданылды.
Модификацияланған сорбенттерді ағынды судың бастапқы С0=100 мг/дм3 концентрациясында сорбциялық тазалау 3 және 6 сағат аралығында статикалық режімде жүргізілді. Зерттеулердің нәтижелері 2 кестеде келтірілген.
Кесте 2 Модификацияланған сорбенттерді қолдану арқылы хром иондарынан бастапқы концентрациясы С0=100 мг/дм3 мөлшеріндегі ағынды суды тазалау нәтижесі
|
Модификацияланған сорбенттің құрамы |
Өңдеу уақыты, сағат |
Қ:С |
СС 3+,мг/дм3 r |
α, % |
|
№1 композиция |
3 |
1:100 |
65 |
35 |
|
1:20 |
0,62 |
99,38 |
||
|
6 |
1:100 |
50 |
50 |
|
|
1:20 |
0,15 |
99,85 |
||
|
№2 композиция |
3 |
1:100 |
95 |
5 |
|
1:20 |
1,7 |
98,3 |
||
|
6 |
1:100 |
41 |
59 |
|
|
1:20 |
0,3 |
99,7 |
2 кестеден бентониттің үгіндіге 1:1 қатынасында, Қ:С 1:20 қатынасында және 3 сағат өңдеуде №1 композицияны қолданып тазалауда жоғары тиімділікке (99 % жоғары) жететіні көрсетілген.
Тұз қышқылымен белсендірілген модификацияланған сорбенттердің құры-
лымдық ерекшеліктерін айқындау үшін Д. Серікбаев атындағы ШҚМТУ «ІРГЕТАС» инженерлік профильді зерт-ханасында электронды микроскоптық зерт-теулерді жүргіздік. Зерттеу нәтижелері 1 суретте келтірілген.
а) б)
Сурет 1 – Тұз қышқылымен белсендірілген модификацияланған сорбенттің электрондымикроскопиялық түсірлімі (а) және оның спектралды құрамы (б)
Тұз қышқылымен белсендірілген модификацияланған сорбенттің құрылымында кремний иондары басым болады. Алюминий, темір және басқа да иондардың жоғары концентрациялары бентонит қабаттарының қалыптасу үрдісінде жыныс түзуші минералдар элементтері ұстап қалу жүреді. Берілген көрсеткіштер сорбентте тұрақты емес және сынаманың алу орнына байланысты болады.
Сонымен, бентонитті саз балшықтар және үгінділер негізіндегі модификацияланған түйіршіктелген сорбенттер 100 мг/дм3 және одан жоғары концентрацияларда және сорбенттің тазаланатын құрамында хром қосылыстары бар сұйықтыққа (Қ:С) 1:20 қатынасында тазалаудың жоғары тиімділігін көрсетеді.
Жоғарыда аталған модификацияланған сорбенттерді сорбциялық тазалаудан кейін кеуектілік құрылымын және беттік қабатының химиялық қабатын өзгерте отырып қайтадан қолдану мақсатында сорбентті регенерациялаудан өткізеді.
Регенерациялау әдісі химиялық, төменгі температуралық термиялық және термиялық болып үш бағытта іске асырылады. Термиялық регенерация экономикалық және технологиялық тұрғыда іске асуы күрделі болатындықтан химиялық регенерация, яғни сорбентті химиялық реагенттермен 110оС – тан аспайтын температурада өңдеуді ұсынуға болады.
«Казмеханобр» институтында жүргізілген Ш.Б. Батталованың зерттеулері табиғи бентонит саздарын 20%-дық күкірт қышқылының ерітіндісімен реагентті өңдеудің тиімділігін көрсетті [2, б. 16].
Осы факторды негізге ала отырып, біздің жүргізілген эксперименттік зерттеулерімізде Өскемен «Арматура зауыты» АҚның гальваникалық өндірісінің ағынды суларын тазалауда қолданылған модификацияланған сорбенттерді 1-3 сағат уақыт аралығында регенерациялау кезінде агент ретінде күкірт қышқылының әртүрлі концентрациялы ерітінділері (5%, 10%,
20%) алынды [3, б. 32].
Алынған қойыртпақты сұзіп, сүзіндідегі Сr3+ иондарының мөлшерін Д. Серікбаев атындағы ШҚМТУ «ІРГЕТАС» инженерлік профильді зертханасында атомды-абсорбциялық әдіспен анықтадық. Сорбциялық тазалауда жақсы нәтиже көрсеткен 3 сағаттық режімде өңделген сорбентті регенерациялаудың тәжірибелік зерттеу нәтижелері 3 кестеде келтірілген.
Тәжірибелік зерттеулерде №1 композицияны 10% -дық күкірт қышқылымен регенерациялағанда 1 және 2 сағаттық өңдеуге қарағанда 3 сағаттық өңдеу жақсы нәтижелер көрсетті.
Кесте 3 Ағынды суларды тазалаудың II сатысынан кейінгі модификацияланған сорбенттерді күкірт қышқылдық регенерациялаудың нәтижелері (C0Cr3+=0,62 мг/дм3)
|
Сорбенттің түрі |
Регене- рация уақы-ты, сағат |
Регенерация түрі – күкірт қышқылды |
|||||
|
H2SO4 -5% |
H2SO4 -10% |
H2SO4 20% |
|||||
|
3+ CCr |
α,% |
3+ CCr |
α,% |
3+ CCr |
α,% |
||
|
№1 композиция |
1 |
0,215 |
65,32 |
0,154 |
75,16 |
0,635 |
24,19 |
|
2 |
0,112 |
81,93 |
0,085 |
86,29 |
0,287 |
53,71 |
|
|
3 |
0,06 |
90,32 |
0,042 |
93,22 |
0,114 |
81,61 |
|
|
№2 композиция |
1 |
0,314 |
49,35 |
0,281 |
54,67 |
0,513 |
17,25 |
|
2 |
0,197 |
68,22 |
0,136 |
78,06 |
0,219 |
64,67 |
|
|
3 |
0,092 |
85,16 |
0,072 |
88,38 |
0,183 |
70,48 |
|
Күкірт қышқылды регенерациядан өткен бентонитті саз балшықтары мен ағаш үгінділерінің негізіндегі модификация-
ланған сорбенттердің құрылымдық ерекшеліктері электронды-микроскопты түсірілім негізінде 2 суретте көрсетілген.
а) б)
Сурет 2 – Күкірт қышқылды регенерациядан кейінгі модификацияланған сорбенттің электронды-микроскопиялық түсірлімі (а) және оның спектралды құрамы (б)
Электрондымикроскопиялық түсірлім бойынша бентонит саз балшықтарын күкірт қышқылымен химиялық регенерациялау кезінде, магний, темір, алюминий оксидтерінің еруі және жоғары дисперсті аморфты керемнеземнің түзілуі болатынын байқауға болады.
Сонымен, құрамы әртүрлі су ерітінділерінен хром қосылыстарын алу үшін модификацияланған сорбенттерді қолдану мен олардың қасиетін регенерациялау арқылы қалпына келтіру арқылы металл өңдеу және машина жасау кешендерінің хром қосылыстары бар ағынды суларын тазалаудың болашағы зор сорбциялық әдісін жетілдіру жер асты және жер үсті суларының жағдайын жақсартуға экологиялық және экономикалық тұрғыда үлесін қосады.
ӘДЕБИЕТТЕР
- Адрышев А.К., Жаманбаева М.К., Идришева Ж.К., Даумова Г.К. О способе очистки хромсодержащих стоков гальванических производств// Материалы XI международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», 18-21 сентября 2012 г. – с. 18-20.
- Батталова Ш.Б. Физико-химические основы получения и применения катализаторов и адсорбентов из бентонитов. Алма-Ата, 1986. 168 с.
- Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка технологии очистки хромсодержащих стоков в машиностроительной, легкой промышленности с использованием модифицированных природных сорбентов» (промежуточный) / Адрышев А.К., Даумова Г.К., Жаманбаева М.К. и др. Усть-Каменогорск: ВКГТУ им. Д. Серикбаева, 2013 г. – 69 с.
- Сапаргалиев Е.М., Кравченко М.М. и др. Бентонитовые глины и их многопрофильное использование //Вестник ВКГТУ – 1999, №2. – с. 47-55