CC BY
46
SCIENCE TIME
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШЛАКОВЫХ ОТВАЛОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОБЪЕКТЫ ГИДРОСФЕРЫ (на примере р. Томь)
Торосян Вера Федоровна, Латыпова Лилия Шайдуловна, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета
E-mail: torosjaneno@mail. ru
Аннотация. Выполнены исследовательские эксперименты по определению содержания ионов Mn2+ и Fe3+ в водной вытяжке из тела отвала металлургического шлака. Выявлены кинетические характеристики гидравлической активности шлака в разных средах.
Ключевые слова: гидравлическая активность, эмиссия, ионы, модельные среды, константа скорости.
Металлургические шлаки - это основная масса отходов металлургических процессов. Они являются продуктами высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов. Химический состав и структура металлургических шлаков изменяются в зависимости от состава пустой породы, особенностей металлургического производства, условий охлаждения и др. Шлаковый режим, определяемый количеством и составом шлака, оказывает влияние на качество стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. В процессе выплавки стали шлак выполняет несколько важных функций: связывает все оксиды, образующиеся в процессе окисления примесей; служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу; участвует в передаче тепла металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
В условиях развитой промышленности имеют место высокие техногенные нагрузки на объекты гидросферы, поведшие за собой их загрязнение. Причем химическое загрязнение природных вод имеет особое значение. Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, техногенные воздействия, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний
SCIENCE TIME
является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ -загрязнителей, ухудшающих качество воды, количественный и качественный состав которых разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов [1].
Наибольшее негативное воздействие шлаковые отвалы оказывают на водные объекты - подземные и поверхностные воды. С поверхностным стоком загрязняющие вещества поступают в поверхностные воды рек, изменяя их химический состав, увеличивая концентрацию сульфат- иона, железа общего , марганца и др.. Атмосферные осадки инфильтруются через тело отвала, насыщаются водорастворимыми компонентами и загрязняют грунтовые воды. Влияние отвала на атмосферу и грунт зависит от зернового состава складированных отходов и измельчения при длительном хранении. Пылевидные шлаковые частицы разносятся ветром на прилегающие территории, накапливаются в верхнем слое почвы. Вопросы влияния шлаковых отвалов металлургических предприятий на объекты гидросферы, эмиссия загрязняющих веществ из шлаков в водные объекты в настоящее время изучены недостаточно, отсутствует системный подход к данной проблеме, позволяющий оценить их реальную экологическую опасность.
Химический состав шлака является важной характеристикой для оценки его гидравлической активности. Поэтому были выполнены исследовательские эксперименты по выявлению эмиссии ионов тяжелых металлов (ТМ) Мп2+ и Бе3+ в модельные водные среды. Модельные водные среды - это 300мл Н20 дистиллированной и 150 г шлака. Результаты экспериментов показали эмиссию
3+ 2+
ионов Бе и Мп в модельном растворе с рН=4,8 и гидравлическую активность шлака.
Рис 1. Модельный водный раствор
Эксперимент проводился в статическом режиме в течение 30 суток.
2+ з+
Анализ содержания Мп и Бе выполнялся на 2 -е, 4-е, 6-е, 9-е и 30 сутки. Водная вытяжка из тела отвала шлака характеризовалась щелочной реакцией среды (рН=9,5-12,5), высокой общей минерализацией.
2+ 3+
Анализ количества эмиссионных ионов Мп и Бе в растворе осуществлялся методом фотоколориметрии.
Кривые выщелачивания ионов Ре3+ и Мп2+ из шлака в дистиллированной воде.
2,5
ю 2
5 1,5
0,5
Содержание ионов железа и марганца в дистиллированной
воде
♦ 2,03
♦ 1,81
♦ 1,04
1,14
♦ 1,07
♦ 0,82
0,86
0,4
0,12
0,21
0,72 - „ ф 0,62 °,67
0,3
- железо ПДК 0,1 мг. на дм. куб
- марганец ПДК 0,01 мг. на дм.куб
0,3
123456789101112131415161718192021222324252627282930 СУТКИ
1
0,67
0
Рис.2 Выщелачивание ионов Бе и Мп в дистиллированной воде
Результаты исследования эмиссии ТМ в дистиллированную воду представлены графически на рис 2.
В результате экспериментов, установлено, что кривые выщелачивания ТМ имеют ярко выраженный экстремальный характер, что можно объяснить следующим образом. В первые 2-е суток наряду с ионами ТМ происходит выделение из образцов ионов Са2+ , М§2+, сульфидов, приводящее к повышению рН среды и образованию в дальнейшем труднорастворимых гидроксидов Са(ОН) 2 , Мп(ОН)2 , Бе(ОН)2 , Мв(ОН)2 и сульфидов МпБ, СаБ, СгОШ и др.
-> I -Л |
В результате происходит связывание ионов Бе и Мп и образование
3+
нерастворимых соединений. О чем говорит понижение содержания ионов Бе и Мп2+ в растворе одновременно на 9 сутки.
SCIENCE TIME
Mn2+ Fe3+
150г Шлака
;PH=4.J|,
2-е сут.
м
6-е сут.
30-е сут.
300 мл
Ацетатно-аммонийный буферный раствор ( CH3COOH+CH3COONH4)
Рис. 3. Модельный ацетатно-аммонийного буферный раствор
CHзCOOH+CHзCOONH4 Были проведены также исследования эмиссии ионов Fe3+ и Mn2+ в растворе ацетатно-аммонийного буферного раствора CHзCOOH+CHзCOONH4 (уксусная кислота и ацетат аммония) pH=4,8, который имитировал агрессивную среду. Результаты приведены в табл 1.
Таблица 1
3+ 2+
Эмиссия ионов Fe и Mn в ацетатно-аммонийном буферном растворе CHзCOOH+CHзCOONH4
Сутки Концентрация мг/дм3
Fe3+ Mn2+
2 0,07 0,06
4 0,12 0,15
6 0,18 0,20
9 0,29 0,28
10 0,30 0,47
12 0,30 0,82
15 0,30 0,82
24 0,30 0,82
30 0,30 0,82
SCIENCE TIME
,3+
Анализ результатов эксперимента показал, что эмиссия ионов Бе в
2+
течение 10 суток возрастала, а ионов Мп в течение первых 12 суток возрастала затем оставалась постоянной. Что можно объяснить невозможностью образования в кислой среде малорастворимых соединений Бе3
и Mn2+
Кривые выщелачивания ионов Реэ+ и МП2+ из шлака в буферном растворе.
ю
0,9
0,8 Ц- 0,7
0,6
i
" 0,5
I! 0,4
Ё
ш
и 0,3
о
ас
0,2 0,1 0
Содержание ионов железа и марганца в буферном растворе
0,82 0,82
- железо ПДК 0,1 мг. на дм. куб
- марганец ПДК 0,01 мг. на дм.куб
1 0,20928 0
0,й15
',0)706
12 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212 223242 5 2 627282930 СУТКИ
0,82
0,82
,3
Рис.4. Выщелачивание ионов Бе и Мп в ацетатно-аммонийном буферном растворе СНзСООН+СНзСООМН
Рассчитывая значения константы скорости реакции эмиссии исследуемых
— . .уф„ы« ^ - фор., Г ■ ^ - — . -
данные эксперимента, оказалось, что полученные значения константы скорости мало отличаются друг от друга. В результате можно утверждать, что исследуемые реакции эмиссии ТМ в буферном растворе подчиняются кинетической зависимости первого порядка.
3+ 2+
Эмиссия ионов Бе и Мп в модельном растворе с рН=4,8 подчиняется кинетической зависимости первого порядка
2+ 3+
Эмиссия ионов Мп выше эмиссии ионов Бе .
3+ 2+
Моделирование процесса эмиссии ионов Бе и Мп в различные водные среды позволяет выявлять кинетические зависимости, необходимые для экологической оценки и прогноза воздействия металлургических шлакоотвалов на объекты гидросферы.
SCIENCE TIME
Литература:
1. Г.М. Рогов, О. Д. Лукашевич, В.К. Попов, Водно-экономические проблемы г Томска в контексте экологической безопасности. Безопасность жизнедеятельности. - 2008. - № 1 - с.25-29.
2. Фюлленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию / Г. Фюлленберг; Пер. с нем. А. В. Очкина; Под ред.К. Б. Заборенко. - М.: Мир, 1997. - 232 с.
