Аналіз сорбційної здатності природних сорбентів по відношенню до водних розчинів сполук важких металів

Abstract

Основними передумовами виникнення в країні кризового екологічного стану, пов’язаного із забрудненням поверхневих вод, є нераціональне використання водних ресурсів із порушенням екологічних вимог, скидання у водні об’єкти неочищених та недостатньо очищених промислових та комунальних стічних вод, а також надходження з поверхневим стоком забруднюючих речовин із сільськогосподарських угідь. Весь комплекс розглянутих факторів є причиною виснаження і забруднення поверхневих вод України, зниження їх самоочисної спроможності, деградації, збідніння та розпаду водних екосистем. Перевищення вмісту іонів важких металів в поверхневих водах негативно впливає на довкілля, викликає гострі та хронічні захворювання населення, що стало останнім часом поширеним негативним фактором для навколишнього природного середовища України. Потрапляння таких полютантів в поверхневі води практично повністю обумовлюється антропогенною господарською діяльністю і значну частку цих забруднень складають стоки стічних вод підприємств стратегічних для України промислових напрямків: хімічного, целюлозно-паперового, шкіряно-хутрового, а особливо – чорної та кольорової металургії. Серед різних методів усунення іонів важких металів з водних середовищ, сорбційні видаються одними із найбільш ефективних, переважно завдяки тому, що за порівняно невеликих затрат вдається досягти високого ступеня очищення. Поряд із адсорбентами, які традиційно застосовуються у цих процесах, в останній час проводиться ряд досліджень та практичних впроваджень із використанням як адсорбентів природних дисперсних мінералів. Метою даної роботи є дослідження сорбційної здатності та ефективності застосування природного та модифікованого сорбенту – бентонітової глини – у процесах очищення водних розчинів, котрі містять в своєму складі іон важких металів у вигляді розчинених сполук та обґрунтування перспектив їх використання. Запропоновано методику модифікації бентонітової глини з метою підвищення її адсорбційної здатності до іонів важких металів трьома способами: фізичним (термічним), хімічним (обробка розчином ферум (ІІІ) хлоридом) та комбінованим (термообробка вихідного сорбенту із подальшою обробкою розчином ферум (ІІІ) хлоридом). Експериментально доведено, що модифікований природний сорбент шляхом термічної та хімічної обробок характеризується високою поглинальною здатністю до іонів важких металів із водних розчинів, зокрема іонів хрому (VI), купруму (ІІ) та алюмінію (ІІІ), ступінь очистки яких знаходиться в межах від 5 % до 83%. Найвищий ступінь поглинання, 83%, спостерігається для комбінованого способу модифікації бентонітової глини, що доводить ефективність використання екологічно безпечних природних сорбентів у процесах очищення стічних вод від іонів важких металів. Наведено переваги сорбційних методів очистки стічних вод з можливістю вилучення забруднюючих речовин різного походження та будь-якої концентрації

The main preconditions emergence of an environmental crisis in the country due to surface water pollution include irrational use of water resources in violation of the environmental requirements, discharge of untreated and insufficiently treated industrial and municipal wastewater into water bodies and inflow of polluting substances from agricultural lands as a result of surface water drainage. The whole set of considered factors leads to depletion and pollution of surface water of Ukraine, reduction of their self-cleaning capacity, degradation, impoverishment and collapse of aquatic ecosystems. Excessive content of heavy metal ions in surface water has a negative impact on the environment, causing acute and chronic diseases. Ingress of such pollutants into surface water is almost entirely due to anthropogenic economic activity. Wastewater from chemical, ferrous and nonferrous metallurgy brings a great amount of such pollutants. Among various methods used for removing heavy metal ions from aqueous media, sorption methods remain one of the most effective and popular, mainly due to the fact that they ensure a high degree of purification at relatively low costs. Along with the adsorbents traditionally involved in these processes, a number of studies and practical implementations with use of natural dispersed minerals as adsorbents were conducted lately. The research aims at studying the sorption capacity and efficiency of natural and modified sorbent such as bentonite clay for purification of aqueous solutions containing heavy metal ions in the form of dissolved compounds and justifying its potential application. It studies the efficiency of wastewater treatment aimed at removing heavy metal ions by the natural clay sorbent of bentonite clays of the Cherkaskyi Deposit (Dashukovskyi deposit). The paper presents a technique for modification of bentonite clay in order to increase its adsorption capacity for heavy metal ions using the following three methods: physical (thermal), chemical (processing with application of Iron(III) chloride solution) and combined (thermal processing of the original sorbent followed by processing with application of Iron(III) chloride solution). It has been experimentally proved that a natural sorbent modified via thermal and chemical processing is characterized by a high absorption capacity to heavy metal ions contained in water solutions, in particular to chromium(VI) ions, copper(II) ions and aluminum(III) ions with the purification degree ranging from 5% to 83%. The highest adsorption rate, 83%, is demonstrated by the combined method of bentonite clay modification, therefore proving the effectiveness of application of environmentally friendly natural sorbents for wastewater treatment processes aimed at removing heavy metal ions. The paper indicates the advantages of wastewater treatment sorption methods allowing removal of pollutants of different origin and any concentration.

Основными предпосылками возникновения в стране кризисного экологического состояния, связанного с загрязнением поверхностных вод, является нерациональное использование водных ресурсов с нарушением экологических требований, сброс в водные объекты неочищенных и недостаточно очищенных промышленных и коммунальных сточных вод. Весь комплекс рассматриваемых факторов является причиной истощения и загрязнения поверхностных вод Украины, снижения их самоочистки, что приводит к деградации водных экосистем.

Превышение содержания ионов тяжелых металлов в поверхностных водах оказывает негативное влияние на окружающую среду, вызывает острые и хронические заболевания населения. Попадание таких поллютантов в поверхностные воды практически полностью обуславливается антропогенной хозяйственной деятельностью и значительную долю этих загрязнений составляют стоки сточных вод предприятий стратегических для Украины промышленных направлений: химического, целлюлозно-бумажного, кожевенно-мехового, а особенно черной и цветной металлургии.

Среди различных методов устранения ионов тяжелых металлов из водных сред одними из наиболее эффективных и популярными остаются сорбционные методы, преимущественно благодаря тому, что при сравнительно небольших затратах удается достичь высокой степени очистки. Наряду с адсорбентами, традиционно применяемыми в этих процессах, в последнее время проводится ряд исследований и практических внедрений с использованием в качестве адсорбентов природных дисперсных минералов.

Целью данной работы является исследование сорбционной способности и эффективности применения природного и модифицированного сорбента – бентонитовой глины – в процессах очистки водных растворов, содержащих в своем составе ион тяжелых металлов в виде растворенных соединений и обоснование перспектив их использования.

Исследована сорбционная способность природных глинистых сорбентов – бентонитовой глины Черкасского месторождения (Дашуковское месторождение) по отношению к водным растворам соединений тяжелых металлов. Предложена методика модификации бентонитовой глины с целью повышения ее адсорбционной способности к ионам тяжелых металлов тремя способами: физическим (термическим), химическим (обработка раствором феррум (III) хлоридом) и комбинированным (термообработка исходного сорбента) с последующей обработкой раствором.

Экспериментально доказано, что модифицированный природный сорбент путем термической и химической обработок характеризуется высокой поглощающей способностью ионов тяжелых металлов из водных растворов, в частности ионов хрома (VI), купрума (II) и алюминия (III), степень очистки которых находится в пределах от 5 % до 83%. Самая высокая степень поглощения, 83%, наблюдается для комбинированного способа модификации бентонитовой глины, что доказывает эффективность использования экологически безопасных природных сорбентов в процессах очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Приведены преимущества сорбционных методов очистки сточных вод с возможностью извлечения загрязняющих веществ различного происхождения и концентрации.