Цеолиты: очистка сточных вод природными минералами

Промышленная отрасль России и мира активно развивается. Однако, она приносит значительные риски образования экологических катастроф из-за загрязнения окружающей среды сточными водами. Поэтому очистка сточных вод цеолитами активно разрабатывается и исследуются все новые возможности использования адсорбционных систем с ними.

Проблема поиска оптимальной адсорбционной системы

Адсорбционные системы и сами адсорбенты позволяют снизить экологические риски, энергоемкость проблем и отказаться от применения специальных сорбентов. При этом, они позволяют соблюсти принципы «зеленой экономии», что подразумевает обеспечение высокой степени минимизации отходов, включая токсичные и вредные вещества при очистке сточных вод. Также, в рамках этого принципа разрабатываются меры и способы для дальнейшего выделения полезных веществ.

В виде средства для адсорбционного очищения сточных вод от органических соединений использовались различные вещества, как по строению, так и происхождению. В исследованиях применяли элементы органического и неорганического происхождения. При этом, адсорбционная очистка воды проводится с помощью порошкообразных или зерненных адсорбентов как периодично, так и непрерывно.

В ходе исследований бралось во внимание не только эффективность очистки сточных вод, но и экономическая целесообразность. В результате последнего, ученые обратили внимание на недорогие адсорбентные минералы. К ним относятся природные алюмосиликаты.

Проблемы адсорбции органических соединений

Очистка сточных вод является одной из самых актуальных проблем современности. Для этого уже разработано огромное количество методик и технологий, благодаря которым снижается антропогенная нагрузка на водные объекты. В качестве заключительного этапа такого процесса является доочистка стоков с помощью сорбентов. Однако, в большинстве на рынке представлены природные сорбенты в виде многокомпонентных составов, которые имеют селективные сорбционные характеристики по отношению определенного типа загрязнителей. В ходе разработок были найдены материалы, позволяющие комплексно очищать загрязнители вплоть до их полного вывода из сточных вод. Правда, у них крайне высокая стоимость.

Адсорбцию рассматривают в качестве эффективного экономического метода, позволяющего удалить загрязняющие примеси из воды. Она имеет несколько положительных факторов:

1. Обеспечение высокой степени очистке.
2. Минимизация или полное отсутствие отходов и загрязнений в системе.
3. Стабильная степень очистке даже в случаях, когда происходят неожиданные залповые выбросы загрязнений.
4. Экономичность за счет многократности применения сорбента.

Адсорбционные способы используются для обеспечения глубокой очистки стоков от органических веществ, после проведения биохимической очистки. Также они применяются в местных установках при небольшой концентрации таких веществ и отсутствию их биологического разложения. Также причиной может быть высокая концентрация токсинов. Возможности адсорбции связаны с пористой структурой. При этом:

• Внутренняя поверхность в порах должна быть задействована для процесса.
• Ширина устья должна обеспечивать проникновение молекул адсорбтива.

В результате конкуренции процессов взаимоотношения воды и адсорбции в водных растворах происходит разграничение и выбор вещества для очистки воды органических и неорганических примесей.

Простейшая адсорбционная система состоит из последовательной цепочки смесителей, где происходит интенсивное перемешивание сточной воды с адсорбентом в порошковом виде, и отстойниках, в котором очищенная вода отделяются от использования сорбента. При этом, чтобы обеспечить нужную степень очистки, такая простая система не подходит. Это обусловлено требованием использования большого количества адсорбента. Поэтому задействовать ее можно только тогда, когда адсорбент имеет крайне низкую стоимость или получается в результате отходов производства. Одновременно с этим проводить регенерацию отработанного материала нерентабельно, а потому происходит его уничтожение вместе с выведенными соединениями.

Для значительного сокращения расхода адсорбента используются многоступенчатые системы, где передается обрабатываемая вода и адсорбент на следующую ступень с помощью противотоках. Благодаря этому расход вещества уменьшается в 4-6 раз.

Также снизить удельный расход адсорбента позволяет использование динамической адсорбции. Здесь фильтрация осуществляется благодаря прохождению сточных вод через стационарный слой адсорбента. Процесс очистки происходит до тех пор, пока в очищенной воде не появится «проскок» вредных соединений. После этого использованный адсорбент выгружают из колонны и отправляют на генерацию, а систему загружают новым материалов.

Природные цеолиты как адсорбент для очистки сточных вод

Около сорока видов природных цеолитов используются в практических целях. Особую популярность в этом нашел клиноптилолит. Он имеет следующую формулу:

(K₂, Na₂, Ca) [Al₂Si_7,5÷11,0O_19,0÷26,0]·(6÷8)H₂O

В естественных условиях сложно найти месторождение цеолитов, в которых не будет примесей иных минералов. Так, содержание цеолитов в «цеолитовых туфах» составляет около 50-65%. Поэтому для получения адсорбента, имеющего стабильные свойства, природный цеолит специально обогащают.

Использование цеолитов в качестве адсорбента во многом зависит от структуры каналов, распределения катионов в них и диаметра «входных окон» с проходимостью. Также свойства адсорбции минерала во многом зависят от его поверхности, которая способна связываться с органическими и неорганическими соединениями.

В каждом цеолиты размер пор относительно одинаков и может варьироваться в очень узких пределах. К примеру, в клиноптилолите размер пор варьируется от 3,5-4,2 А и 0,35-0,42 нм. Данная особенность обеспечивает возможность выделять из веществ молекулы, размером, способным проникать в микропоры минерала. Благодаря этому, например, можно разделить н- и изо-парафины. Клиноптилолит имеет достаточно узкие поры, из-за чего объемные органические молекулы в них проникнуть не могут.

Благодаря широкому распространению природных минералов начали синтезировать искусственные аналоги с возможность регулирования размера пор, активности поверхности и других необходимых свойств для адсорбции сточных вод и повышения физико-химических характеристик.

Активация цеолитов ЧАС-ами

Одной из ключевых особенностей минерала выступает возможность изменения химического состава кристаллической структуры и ее параметров. Это делается при изменении условий создания минералов или химического состава кристалла при одном и том же структурном типе. Все большую популярность набирают цеолиты, которые насытили, обработали или имеют в составе амины или четвертичные амониевые соли, так называется ЧАС-ы. Модификация ими позволяет добиться химической и биологической стабильности.

Для этого применяют гексадецилтриметил аммоний, бромид и т.д. Выявлено, что при связи цеолита с биологическим ЧАС-ом, отсутствует процесс деградации. При этом, в обычных условиях она происходит за 12-17 часов. Также благодаря соединения с цеолитом укрепляется химическая стабильность соли, препятствующая гофмановскому расщеплению соли. Это дает возможность применения поверхностно модифицированных цеолитов в очистке сточных вод на протяжении долгого времени, также позволяя биовосстановить водную среду.

Согласно лабораторным испытаниям, очистка вод от нефтяных продуктов и хорошую проникаемость показывают цеолиты. Кроме того, обеспечивается хорошая проницаемость жидкости. По мнению авторов испытания, сорбенты можно использовать в течение почти 4-месяцев без проведения регенерации. За счет относительной простоты химической модификации минерала можно проводить контролируемые изменения структуры и характеристик цеолитов.

Наряду с этим выяснено, что свойства адсорбции в модифицированном минерале лучше, чем у природного. Их можно использовать для очистки сточных вод от органических соединений в широком масштабе. В таблице указаны результаты очистки нефтяных фракций из воды.

Таблица. Результаты очистки нефтяных фракций природным клиноптилолитом

Цеолиты выступают как новая, экологически безопасная. Высокоэффективная технология очистки сточных вод. На техническом этапе при проведении цеолитно-микробиологической очистки обеспечивается выветривания токсинов. Происходит испарение с частичным разрушением легких фракций. Также обеспечивается фотоокисление органических элементов. Удаляются органические примеси и неорганические вещества: алюминий до 44%, хлористые соединения до 64%, фенолы до 83%, свинец до 94%, железо о 86%, медь до 80%. Кроме того, если сравнивать песок и цеолиты как фильтрующие материалы, то при использовании последнего объем фильтруемой воды увеличивается 1,5-2 раза, а грязеемкость фильтровальной установки, наоборот, снижается на 20-50%.

Другие статьи

Свойства цеолитов, их виды и применение

13.09.2021

Основное деление производиться на синтетическую продукцию и добытую в природе

Холинские цеолиты

30.03.2023

Холинское месторождение богато высококремнистыми цеолитами

Цеолиты: состав, фракции, где используются

15.11.2021

Цеолиты являются минералами с адсорбирующими свойствами.