15 мая 2016г.
Ионы редкоземельных металлов играют огромную роль в производственных процессах.
Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, в производстве пигментов, лаков и красок [3].
РЗМ существуют в виде карбонатов La2(CO3)2 , хлоридов LaCl3, нитратов La(NO3)3 , фторидов LaF3 , сульфатов La2(SO4)3 и др. Однако их нахождение в природе незначительно и составляет в земной коре порядка 2,9·10−3 % [1].
В сточных водах производств редкоземельных элементов при их разделении или в водах металлургических производств, образующихся при выщелачивании, наблюдается содержание La3+ более ПДКрх. ПДКрх = 0,1 мг/л.
Очистка сточных вод от этих ионов является актуальной как для исключения загрязнения водоемов, так и для утилизации дефицитного сырья.
Ввиду того, что La3+ находится в кислых сточных водах, длительное хранение которых приводит к коррозии металлических корпусов, извлечение ионов La3+ для последующего использования возможно адсорбцией.
Новизной данной работы явилось исследование возможности использования различных сорбентов, полученных из отходов гидролизных производств и ТЭС для полной утилизации La3+. Для этого используется модульная очистка. Первым модулем устанавливается сорбционная колонна. Однако выбор сорбента для многозарядных ионов является сложной задачей.
В данном случае в качестве сорбентов были опробованы отходы гидролизного производства – лигнин и ТЭС- зола уноса.
Зола уноса – это сухой, пылевидный продукт сжигания угля, извлеченный из скруббера, расположенного в системе очистки дымовых газов ТЭС. Подготовку сорбента осуществляли путем промывки дистиллированной водой, для удаления наиболее мелкой всплывающей фракции.
Таблица 1
Характеристика золы уноса
|
Размер частиц, мкм
|
Масса, г в 20 г продукта
|
Доля фракции, %
|
|
450
|
0,1244
|
0,6
|
|
315
|
0,4185
|
2,1
|
|
125
|
6,1643
|
30,8
|
|
100
|
3,9518
|
19,8
|
|
90
|
1,9004
|
9,5
|
|
Менее 90, в том числе
всплывающая фракция
|
7,4306
|
37,2
|
|
0,01
|
Гидролизный лигнин – это полимер, выделенный как отход гидролизного производства древесины. Гидролизный лигнин содержит остатки растворенных органических веществ (РОВ) и серную кислоту. Подготовку сорбента проводили путем промывки горячей водой для удаления серной кислоты и РОВ. Контроль качества промывки осуществляли по изменению окраски выходящей из колонки воды, заполненной лигнином, фотометрически.
Факторами исследования являлись состав сорбента и концентрация ионов лантана в сточных водах. Кислотность сточных вод постоянна и равнялась 4. Параметром исследований явилась эффективность адсорбции ионов лантана различными сорбентами. Значения факторов и интервал варьирования приведены в Табл.2.
Для сокращения числа опытов они проводились в соответствии с матрицей. Эффективность утилизации ионов лантана различными составами сорбентов осуществлялась в результате анализа функции Y = f(x1,x2), где Y– эффективность очистки, х1 – сорбент, изменяющегося состава от лигнина до золы, х2 – концентрация ионов La3+, после проведения статической обработки полученных результатов [3].
Таблица 2
Уровни факторов и интервал их варьирования
|
Факторы
|
Уровни факторов
|
Интервал варьирования
|
Размерность
|
|
Нижний
-1
|
Средний (нулевой)
|
Верхний
+1
|
|
Сорбент (лигнин)
–х1
|
0
|
37,5
|
75
|
37,5
|
г
|
|
La3+ - Х2
|
0,5
|
1
|
1,5
|
0,5
|
мг/л
|
Через золу уноса и лигнин были пропущены растворы, содержащие 5, 10 и 15 ПДК La3+.
На основании проведенных экспериментов по матрице планирования типа 22, расчетов математической модели при погрешности опытов 5 % и использовании статистической обработки полученных результатов, оказалось, что уравнение регрессии имеет вид представленный уравнением 1:
Ү = 2,1188 + 0,5487x1 + 0,5712x2 + 0,799x1x2. (1)
Оказалось, что полином однороден, все коэффициенты значимы, модель адекватна [2].
На основании полученных результатов и интервалов варьирования произведен расчет условий для крутого восхождения с целью выбора оптимальных условий очистки сточных вод от ионов лантана.
Анализ проведенных экспериментов показал, что для нахождения оптимума проводилось два опыта, результаты которых приведены в Табл.3.
Таблица 3
Расчет крутого восхождения
|
Опыт
|
х1
|
х2
|
V, мл
|
Эффективность, %
|
|
bi
|
0,5506
|
0,5718
|
|
|
|
Интервал варьирования
|
20,6
|
0,286
|
|
|
|
Округленный шаг
|
40
|
0,5
|
|
|
|
Опыт 5 (на нулевом уровне)
|
37,5
|
1
|
1400
|
90
|
|
Опыт 6
|
77,5
|
1,5
|
4100
|
93
|
|
Опыт 7
|
197,5
|
3
|
9600
|
96
|
Исходя из расчета были проведены два эксперимента.
Оказалось, что максимальная эффективность первого модуля очистки сточной воды наблюдается в опыте 7 – достижение концентраций ионов лантана в элюате выше ПДКрх было замечено после пропускания через колонку наполненную лигнином, массой 197,5 г, более 9 л раствора с концентрацией 30ПДКрх.
Список литературы
1. Глинка, Н.Л. Общая химия [Текст]: учеб. пособ. для вузов/ под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е, исправленное.– М.: Интеграл – Пресс, 2003. – 728с.
2. Кузнецова, Е.В. Математическое планирование эксперимента [Текст]: учеб.пособ./Е.В. Кузнецова. – Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2011. – 35с.
3. Спеддинг, Ф.Х. Редкоземельные металлы [Текст]: учеб./Ф.Х. Спеддинг, А.Х. Даан. – М.: Металлургия, 1965.– 610 с.
