CC BY
52
УДК 504.4:574(571.12)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ГЕОНИКИ В ПРАКТИКЕ ВОДООЧИСТКИ
© 2012 В С. Лесовик, Ж.А. Сапронова, Р.О. Фетисов, Д.Ю. Ипанов
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Поступила в редакцию 04.10.2012
В работе рассмотрены эндогенные и экзогенные процессы образования природных вод, их очистка в естественных природных условиях. Описаны возможности использования техногенного сырья для очистки сточных вод с учетом принципов геоники - науки об использовании результатов исследования геологических процессов для решения различных технологических задач, в частности, проблемы водоочистки.
Ключевые слова: геоника, геофизические и геохимические процессы, очистка, природные и сточные воды
Вода - один из наиболее полезных и стратегически важных ископаемых на Земле. Она является непременным условием жизни. Уже в настоящее время вода во многих регионах планеты является дефицитным природных ресурсом, а в недалеком будущем ее стоимость может стать больше стоимости нефти. Человек широко использует воду в своей практической деятельности: для питьевых, коммунально-бытовых и рекреационных нужд; для транспорта, рыболовства, орошения и других нужд. В природных условиях вода не встречается в химически чистом состоянии. В результате постоянного соприкосновения с различными веществами она представляет собой раствор, часто весьма сложного состава. Кроме того, вода поверхностных водных объектов может быть сильно загрязнена взвешенными веществами и химическими соединениями, которые попадают в нее со сточными водами предприятий, ливневыми и талыми стоками. Из табл. 1, где указаны составы природных вод рек Белгородской области Оскол и Тихая Сосна за период 2009-2011 гг. видно, что природные воды рек содержат множество различных химических и биологических веществ: хлориды, сульфаты, соединения азота, нефтепродукты, фосфаты и другие.
В процессе взаимодействия гидросферы с атмосферой, литосферой и биосферой вода оказывает влияние на различные вещества, образуя истинные и коллоидные растворы. Истинные растворы - это такие, в которых растворенные
Лесовик Валерий Станиславович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительного материаловедения, изделий и конструкций Сапронова Жанна Ануаровна, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии. Е-mail: [email protected]
Фетисов Роман Олегович, аспирант Ипанов Дмитрий Юрьевич, аспирант
вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превышающих 10-7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до 10-5 мм. Проникая в почву, вода растворяет различные вещества, обогащаясь солями, органическими остатками и изменяя свой газовый состав. Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть как экзогенными (их источник - водные объекты на поверхности суши и влага атмосферы), так и эндогенные (их источник - недра Земли) [2].
Экзогенные подземные воды попадают в горные породы либо в процессе просачивания (инфильтрация) поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадконакопления). Просачиваясь сквозь толщу земной коры, вода соприкасается с такими породами, как пески, глины, песчаники, мел, мергели, алевриты и др. Все эти породы в той или иной мере обладают адсорбционными, коа-гуляционными, ионообменными, флокуляцион-ными и другими свойствами, способствующими удалению из воды вредных примесей и обогащению многими микроэлементами. Вода, проникающая в нижние горизонты, по своему составу значительно отличается от поверхностных вод. В качестве примера можно привести минеральные воды некоторых месторождений (табл. 2). Согласно новейшим представлениям о видах воды в горных породах в настоящее время выделяются следующие основные виды: парообразная; прочносвязанная (адсорбированная, гигроскопическая) и рыхлосвязанная (вода поверхностных слоев, пленочная); капиллярная; свободная (гравитационная); твердая. Кроме того, в минералах установлена химически связанная вода (конституционная и кристаллизационная)
[4].
Таблица 1. Состав воды р. Оскол и Тихая Сосна [1]
Вещество или показатель химического состава воды Единица измерения Концентрация веществ в водном объекте
р. Оскол р. Тихая Сосна
взвешенные вещества мг/дм3 4,484 10,2
хлориды мг/дм3 18,68 44,1
сульфаты мг/дм3 57,16 98,8
сухой остаток мг/дм3 - 609,5
ХПК мг/дм3 14,61 15,2
бпк5 мг/дм3 5,039 2,47
азот аммонийный мг/дм3 0,075 0,45
азот нитритный мг/дм3 0,03 0,09
азот нитратный мг/дм3 1,029 14,2
фосфаты по р мг/дм3 0,2 0,44
железо общее мг/дм3 0,07 0,21
нефтепродукты мг/дм3 0,098 0,04
СПАВ мг/дм3 0,0015 0
медь мг/дм3 0,0004 -
Таблица 2. Составы минеральных вод [3]
Вещество или показатель химического состава воды Ед. изм. Концентрация веществ в минеральной воде
Ессентуки № 4 Ессентуки № 17 Нарзан Боржоми Славяновская, Смирновская Лысогорская
минерализация мг/дм3 8000-10000 12000-18500 1800-3000 5000-7500 3000-4000 13000-19000
гидрокарбонаты мг/дм3 3600-4500 6000-8000 1000-1500 3500-5000 1200-1500 400-1200
сульфаты мг/дм3 < 25 < 50 300-500 < 10 800-1000 5500-9000
хлориды мг/дм3 1500-1900 2200-4200 100-150 250-500 250-350 2200-3700
кальций мг/дм3 < 150 < 200 300-400 20-150 250-350 350-550
магний мг/дм3 < 75 < 300 80-120 20-150 < 50 500-900
натрий мг/дм3 130-200 1000-2000
калий мг/дм3 130-200 1,0
натрий+калий мг/дм3 2500-2900 3200-6000 600-800 2800-4500
В ходе эндогенных процессов под воздействием тепловой энергии, давления земных недр и геологических процессов происходит выделение воды из горных пород. В частности, выделение воды из кристаллогидратов можно продемонстрировать на примере следующих схем:
СИ804 • 5 Н2О ^ СИ804 + 5 Н2О;
Са8О4 • 2 Н2О ^ CaSO4 + 2 Н2О;
^СОэ • 10 Н2О ^ Ш2СО4 + 10 Н2О;
Са(НСОз)2 • 5 Н2О ^ СаСОз + СО2 + Н2О; г
Mg(OH)2 • ^ MgO + Н2О и др.
В момент своего образования в силу геохимических условий вода насыщена самыми разнообразными примесями, среди которых могут быть и токсичные. Просачиваясь сквозь слои разнообразных пород к поверхности земли, вода проходит многочисленные стадии фильтрации, адсорбции, ионного обмена и т.д. Таким образом,
в ходе продвижения воды с поверхности вглубь земли и наоборот осуществляются естественные природные процессы очистки с участием различных пород, т.е. процессы, описываемые геоникой.
В отличие от бионики, идея которой заключается в применение знаний о живой природе для решения инженерных задач, цель геоники - разработка общих принципов управления развитием объектов неорганического мира. Реализация нового научного направления позволит не только расширить сырьевую базу и разработать новые технологии производства материалов и водоочистки, но и улучшить комфортность пребывания вида Homo Sapiens в системе «человек-материал-среда обитания». Геоника появилась в конце ХХ в. как одно из направлений кибернетики - науки общих законах управления в системах любой природы - биологической, технической, социальной [5, 6]. В частности, геоника может использовать результаты исследования геологических процессов для решения различных технологических задач. К одной из таких задач относится проблема очистки сточных вод,
в особенности, использование в водоочистке отходов различных производств.
Как известно, проблема образования, накопления и возможности повторной переработки промышленных отходов обширна и многогранна. Для решения некоторых аспектов этой всеобъемлющей проблемы нами использованы принципы геоники, основные положения которой разработаны в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова доктором технических наук, чл.-корр. РААСН В.С. Лесовиком [5, 6]. Мы рассматриваем образующиеся отходы, их возникновение, накопление, утилизацию и повторное использование как постоянное изменение и движение материи, как элемент эволюции окружающего мира. Многие твердые промышленные отходы обладают рядом физико-химических свойств, делающих их пригодными к использованию в водоочистке, применяя технологии, аналогичные процессам, протекающим в природе. Так, на кафедре промышленной экологии исследована возможность использования для очистки сточных вод таких отходов предприятий, как электросталеплавильный шлак и пыль электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) Оскольского электрометаллургического комбината, отход производства дисахаридов - дефекат, аспирационная пыль комбината строительных материалов (БКСМ). Все перечисленные отходы являются тонкодисперсными (рис. 1), имеют большую удельную поверхность (табл. 3), обладают высокоразвитой поверхностью (рис. 2) и имеют хорошие сорбционные свойства (табл. 3) [7-9]. Кроме того, благодаря своему сложному многокомпонентному химическому (табл. 4) и фазовому составу (рис. 3), они в определенных условиях способны проявлять реагентные, коагуля-ционные и флокуляционные свойства.
Диаметр частиц, D, мкм
—♦ шлак —■—пыль БКСМ —А—ТД
Рис. 1. Соответствие весовой доли частиц (Р, %) заданным значениям размеров частиц (О, мкм)
Таблица 3. Удельная поверхность отходов промышленности их сорбционная емкость по мети-леновому голубому
Наименование Удельная Сорбционная
отхода поверхность, ¡8уд, м2/кг емкость, мг/г
шлак ОЭМК 465,0 4,82
пыль ЭСПЦ 556,7 3,92
дефекат 872,5 3,49
пыль БКСМ 933,7 4,12
Все эти характерные особенности делают возможным использование их для очистки сточных вод сложного состава. Так, в лабораторных и промышленных условиях нами установлена возможность достижения высокой эффективности очистки сточных вод от ионов Cr2O72-, CrO42-, Си2+, №2+, Zn2+, Fe2+ и Fe3+ и других металлов с помощью пыли ЭСПЦ, шлака ОЭМК, пыли БКСМ, отхода производства дисахаридов - де-феката. Показано, что дефекат эффективен также при очистке сточных вод от жиров, нефтепродуктов, СПАВ, красителей. Во всех этих случаях в ходе очистки в растворах протекают процессы, аналогичные протекающим в земной коре при просачивании воды через многочисленные слои различных пород: адсорбция, коагуляция, фло-куляция.
Таблица 4. Химический состав некоторых отходов
Вид отхода Химический состав, %
СаО 8x02 АЬОз Fe0 МпО МеО СГ2О3 Fe0общ С 8 2п прочие
шлак ОЭМК 54,6 25,4 7,1 1,8 0,8 9,4 0,1 2,3 н/о н/о н/о 0,3
пыль ЭСПЦ 24,0 18,0 0,3 8,0 3,0 5,0 0,28 43,3 2,5 0,4 1,5 1,72
пыль БКСМ 46,7 47,8 0,7 - - 2,12 - 0,2 - - - 2,5
Примечание: ♦ - у-2СаО-8Ю2; * - ЭСаО-АШ,; + - ЗСаО- М^- 8Ю2; V- СаОА1203;о - М§0; □ - СаС03; • - Са(ОН)2; * - РеО; ® - ЗСаО 28Ю2;
б)
Рис. 2. Микроструктура шлака (а) и термически модифицированного дефеката (б)
36
а)
54 72
Cравн, 10 "2 моль
-|280 ! 240
Ь200
МЧ60 120 80 40 0
б)
24 30 36 42 С равн, 10 , моль/л
Кривая адсорбции Кривая десорбции
40 50 Cр, мг/л
в)
Кривая адсорбции Кривая десорбции
8=й
Примечание: • — СаСОз; ■ — БЮг в)
Рис. 3. Рентгенофазовый анализ шлака воздушного охлаждения электросталеплавильного производства (а), пыли ЭСПЦ (б) и дефеката (в)
Благодаря высокоразвитой поверхности, наличию пор и активных центров в местах дислокации кристаллов при добавлении вышеперечисленных отходов к модельным растворам и сточными водами протекают процессы адсорбции загрязняющих веществ (рис. 4).
кривая адсорбции ионов N кривая адсорбции ионов Ои кривая десорбции ионов N кривая десорбции ионов Ои
1-1-140 50
Ор, мг/л
г)
Рис. 4. Изотермы адсорбции и десорбции: а ионов М2+, Си2+ на поверхности дефеката; б - красителя ОЯ на поверхности дефеката; в
ионов Бе2+ на поверхности шлака; г - ионов 2п2+ на поверхности шлака
В связи с повышенной щелочностью водных вытяжек шлака ОЭМК, дефеката, пыли ЭСПЦ и БКСМ (рис. 5) в водных средах возможна реагентная очистка:
Меп+ + п(ОИ") ^Ме(ОН)п |
При растворении шлака и пылей в подкисленной водной среде происходит растворение соединений Ее(П), Ее(Ш), А1 и переход ионов и А1 в раствор. Известно, что данные ионы являются хорошими коагулянтами, поэтому при их гидролизе происходит коагуляция (слипание) взвешенных частиц в модельных растворах и сточных водах, что приводит к их быстрой седиментации и обеспечивает высокую эффективность очистки вод.
Рис. 5. Изменение рН водной среды при добавлении отходов промышленности (0 частиц < 40 мкм)
Вследствие присутствия в шлаке и пылях силикатов металлов в кислой среде в растворенное состояние переходят ионы 8Ю3 8Ю42" и другие ионы кремниевых кислот. Образующиеся кремнекислоты в водной среде диссоциируют и подвергаются реакции поликонденсации, вследствие чего их развитая поверхность приобретает отрицательный заряд.
СайОз + 2И+ ^ Са2+ + Н2&О3 |
Н,8Юз ~ Н+ + ШЮз
0
18
Ca2SiÜ4 + 4H+ ^ 2Ca2+ + H4SiÜ4 j H4SiO4 + ~ Н+ + HSiÜ43"
H
°ч z0
H
/Si\ H — O O — H
H —
z0
— H
zSi\
H — O O — H
2H2Ü
H— O ^ - O —H
/Si\ O O
H— O
'Si\
O — H
■ O\ / O/Si ч
O О+ 4Н+
/Si\ O O
Коллоидные частицы поликислоты, благодаря своему поверхностному заряду, притягивают к себе ионы и дипольные молекулы и обратимо связывают их, поэтому этот процесс можно приравнять к действию ионитов.
— O
— O
O-^l Г Fe2+, Zn2+ ^
-Si-Si"
O—
+
[FeOH]+, [ZnOH] Fe3+, [FeOH]2+ [Fe(OH)2]+
H — O
H — O -►
Fe — O
O — Fe — O —
O O
^Si^
H— O — Fe — O^ \ O — Zn— O-
Выводы: принципы геоники позволяют успешно использовать закономерности геологических и геохимических процессов в практике водоочистки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Состояние окружающей природной среды Белгородской области в 2011 году. - Белгород: Роспри-роднадзор, 2012. 132 с.
2. Климентов, П.П. Общая гидрогеология / П.П. Климентов, Г.Я. Богданов. - М.: Недра, 1977. 357 с.
3. Минеральные воды [Электронный ресурс]. - 2012. - Режим доступа: 1Шр://мвж.рф.
4. Михайлов, В.Н. Гидрология / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. - М.: Высш. шк., 2007. 463 с.
5. Лесовик, В.С. Геоника. Предмет и задачи. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. 213 с.
Лесовик, В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов // Изв. Вузов. Строительство. 1994. № 7, 8. С. 96-100.
Кирюшина, Н.Ю. Шлаковые отходы в водоочистке / Н.Ю. Кирюшина, Г.И. Тарасова, С.В. Свергузова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. № 4. С. 140145.
Лупандина, Н.С. Использование производственных отходов для очистки сточных вод / Н. С. Лупандина, Н.Ю. Кирюшина, Ж.А. Свергузова, Д.А. Ельников // Экология и промышленность России. 2010. Май. С. 38-41.
Свергузова, С.В. Использование отходов сталеплавильной промышленности и ГОКов для очистки сточных вод / С.В. Свергузова, Н.Ю. Кирюшина, О.В. Лашина // Вузовская наука - региону: материалы 6-й Всероссийской научно-технической конференции. - Вологда, 2008. Т. II. С. 438-441.
USE THE GEONICS PRINCIPLES IN PRACTICE OF WATER PURIFICATION
+
© 2012 V.S. Lesovik, J.A. Sapronova, R.O. Fetisov, D.Yu. Ipanov
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
In work endogenous and exogenous processes of natural waters formation, their cleaning in natural environment are considered. Possibilities of use the technogenic raw materials for a sewage disposal taking into account the geonics principles - sciences about use the results of research the geological processes for the solution of various technological tasks, in particular, water purification problems are described.
Key words: geonics, geophysical andgeochemicalprocesses, cleaning, natural and sewage waters
Janna Sapronova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Industrial Ecology. Е-mail: [email protected]; Roman Fetisov, Post-graduate Student; Dmitriy Ipanov, Post-graduate Student
