Font Size

Cpanel

Применение алюмосиликатов для улучшения технологии хранения промышленных отходов, загрязненных токсичными веществами и тяжелыми металлами

Авторами статьи рассмотрен процесс мицеллообразования системы бентонит – вода. Снижение неблагоприятного воздействия хранилищ промышленных отходов на окружающую среду может быть осуществлено за счет разработки технических и технологических решений по улучшению технологии хранения промышленных отходов с условием повышения качества основания и боковых стенок для котлованов, предназначенных под хранилища промышленных отходов.

Аналитический обзор данных по проблеме хранения промышленных отходов, загрязненных токсичными веществами и тяжелыми металлами, показывает, что:

● необходимо стремиться к регулированию и полному предотвращению миграции вредных веществ из промышленных отходов в подземные воды и в почву;

● наиболее целесообразным является разработка способа хранения промышленных отходов, используя местные природные материалы;

● природные сорбенты Восточно-Казахстанских месторождений могут быть использованы для улучшения оснований под хранилищами промышленных отходов, обеспечивающие полную ликвидацию отрицательного антропогенного воздействия на окружающую среду.

● снижение неблагоприятного воздействия хранилищ промышленных отходов на окружающую среду может быть осуществлено за счет разработки технических и технологических решений по улучшению технологии хранения промышленных отходов с условием повышения качества основания и боковых стенок для котлованов, предназначенных под хранилища промышленных отходов.

Основой для этого могут стать исследования физико-химических свойств алюмосиликатов Восточно-Казахстанских месторождений, показывающие возможность эффективного использования данных материалов для применения в качестве подстилающего слоя для оснований и стенок хранилищ.

С этой целью авторами проведены рассмотрены процессы мицеллообразования в растворах бентонитовых глин Таганского месторождения Восточного Казахстана.

В настоящее время мицеллярные системы приобретают огромное значение во всех отраслях народного хозяйства, так как их применение основано на таких уникальных свойствах как солюбилизация, адсорбция, мицеллярный катализ, способность к повышению нефтеотдачи скважин, что стало особенно актуальным в связи с мировым энергетическим кризисом.

Другой актуальной задачей является защита окружающей среды и способы использования мицеллярных растворов поверхностно-активных веществ для предотвращения загрязнений ОС различными отходами техногенного характера.

Например, при хранении жидких промышленных отходов происходит переход вредных веществ в грунтовые воды, что загрязняет окружающую среду. На протяжении ряда лет авторами разрабатывается новый способ предотвращения миграции вредных веществ из накопителей жидких промышленных отходов. Сущность способа заключается в закрытии стен и дна хранилищ бентонитовой глиной слоем 30-50 см, которая хорошо адсорбирует токсичные вещества, предотвращая их попадание в грунтовые воды, что связано со способностью бентонитов не пропускать жидкую часть отходов через свой слой.

По результатам экспериментальных данных проведенных в лабораторных условиях применяя макет имитирующий накопитель промышленных отходов, авторы пришли к выводу, что это происходит за счёт образования крупных мицелл на поверхности бентонита, которые структурируют воду, находящуюся в жидких отходах, предотвращая тем самым проникновение жидкости через этот слой.

Всякий лиофобный (гидрофобный) коллоидный раствор состоит из двух частей: мицелл и интермицеллярной жидкости. Мицеллы – это отдельные коллоидные частицы, которые в совокупности составляют дисперсионную фазу золя, а интермицелярная жидкость – это дисперсионная среда того же золя, включающая помимо растворителя все другие растворённые в нём вещества (электролиты и неэлектролиты), которые не входят в состав мицелл [1].

Коллоидная мицелла имеет значительно более сложное строение, чем обычные молекулы. В ней различают две основные части: внутреннюю – нейтральную, обычно называемую ядром, и внешнюю – ионогенную, в свою очередь, состоящую из двух слоёв (адсорбционного и диффузного) (рисунок 1). Ядро составляет основную массу коллоидной мицеллы и представляет собой комплекс, состоящий из атомов или нейтральных молекул. Общее число входящих в состав ядра атомов или молекул огромно (от нескольких сот до миллиона) и зависит от степени дисперсности золя и от размеров самих атомов или молекул.

20160208 1

Рис. 1. Схема строения мицеллы

Адсорбционный слой слагается из слоя потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на поверхности ядра и сообщающих ему свой заряд, и части противоионов, проникших за плоскость скольжения и наиболее прочно связанных электростатическими силами притяжения. Вместе с ядром эта ионная атмосфера образует как бы отдельный гигантских размеров многозарядный ион – катион или анион, называемый гранулой. Диффузный слой, расположенный за плоскостью скольжения, в отличии от адсорбционного не имеет в дисперсионной фазе резко очерченной границы. Этот слой состоит из противоионов, общее число которых равняется в среднем разности между всем числом потенциалопределяющих ионов и числом противоионов, находящихся в адсорбционном слое [2].

Гранула вместе с диффузным слоем противоионов составляет коллоидную частицу – мицеллу. Мицелла всегда электоронейтральна. Необходимо отметить, что противоионами могут быть любые ионы тех электролитов, которые участвуют в реакциях при образовании данного коллоидного раствора или же присутствуют в качестве посторонних примесей [3].

Образование мицелл происходит при кооперативном связывании между собой мономеров при концентрациях, превышающих довольно узкую область, называемой критической концентрацией мицелообразования (ККМ). ККМ – это концентрация вещества, при которой в его, растворе возникает большое число мицелл, находящихся в термодинамическом равновесии с молекулами (ионами), и резко изменяется ряд свойств растворов.

Сферические мицеллы образуются в растворе при концентрациях, близких к критической концентрации мицелообразования. При увеличении концентрации мицеллярный раствор проходит ряд равновесных состояний, характеризуемых определённым числом агрегации, размером и формой мицелл (рисунок 2).

Так, увеличение концентрации приводит к появлению более сложных, цилиндрических и пластинчатых мицелл и сплошной гелеобразной структуры системы в процессе последовательного перехода через несколько псевдофаз, называемых мезоморфными фазами и различающихся своей структурой [4].

С увеличением концентрации возрастает число сферических мицелл в изотропном молекулярно-мицелярном растворе. Далее, сферические мицеллы объединяются в палочкообразные, подобные столбикам из монет. Вязкость системы резко возрастает. Эти вытянутые мицеллы организуются далее в двумерно-гексагональную сплошную структуру во всём объёме раствора, образуя «среднюю» мезоморфную фазу. С дальнейшим ростом концентрации система переходит в пластинчатую или ламелярную мезоморфную фазу. Сплошная структура в этой фазе образована параллельной упаковкой протяженных гибких бимолекулярных слоёв с прослойками воды, утончающимися по мере увеличения содержания вещества мицеллообразователя.

20160208 2

А – сферическая мицелла; Б – цилиндрическая мицелла;

В – гексагональная упаковка цилиндрических мицелл.

Рис. 2. Образование структур в мицелярном растворе

Таким образом, выше ККМ истинный раствор переходит в ультрамикрогетерогенную коллоидную систему (золь). Процесс мицелообразования обратим: разбавление раствора до переводит раствор из коллоидного в истинный.

Исследование этих физико-химических процессов в системе бентонит-вода поможет определить оптимальные параметры хранения отходов в хранилищах укрепленных бентонитами.

Практическое применение хранилищ, укрепленных бентонитовыми глинами, может найти в различных отраслях промышленности. Рассмотрен вариант хранения отходов птицеводческих комплексов на примере АО «Усть-Каменогорская птицефабрика».

Птицефабрики - это большие загрязнители окружающей среды. Во многих странах для снижения негативного влияния их отходов на экологию действуют общегосударственные и региональные программы. Подсчитано, что птицефабрика на 400 тыс. кур-несушек или на 6 млн. цыплят-бройлеров вырабатывает ежегодно до 40 тыс. т помета, 500 тыс. м3 сточных вод и 600 т продуктов технической переработки птиц. Для хранения отходов занято большое количество пахотных земель. При этом помет является сильным источником неприятных запахов. Отходы сильно загрязняют поверхностные и подземные воды.

Среди отходов, образующихся на предприятии АО «Усть-Каменогорская птицефабрика», основное место занимает жидкий и сухой помёт птиц, а также ил очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод.

Общеизвестно, что птичий помет - ценнейшее концентрированное органическое сырье, так как в нем содержатся все необходимые биогенные элементы, причем в благоприятном для растений сочетании. Содержание в помете азота, фосфора и калия соответственно составляет 1,31-1,52%; 0,55-0,68%; 0,48-0,59%. Но в чистом виде его в земледелии использовать не рекомендуется. Исследованиями установлено, что внесение свежего помета в почву не дает должного эф «обособленной микрофлоры», разлагающих свежее органическое вещество помета в доступные формы питания для растений [5].

В настоящее время сухой помёт птиц и ил очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод АО «Усть-Каменогорская птицефабрика» вывозятся специализированным автотранспортом в помётонакопитель. Это сооружение выполненно в виде чаши объёмом 97500 м3. Дно и стены помётонакопителя имеют уплотнённый (путём обкатки) глинистый противофильтрационный экран и обваловку, которые предохраняют загрязнение почв, подземных и поверхностных вод токсичными веществами в процессе анаэробной выдержки помета, который потом разбирается как готовое удобрение.

Литература

1. Химический энциклопедический словарь./ Под. Ред. Л.Кунянц, - M. «Советская энциклопедия», 1983. – 792 с.

2. Книпшельд Ф.В. Размещение защитных насыпей. Гидроизоляционное покрытие. – 1981, 7 с.

3. Bramryd T. Uptake of heavy metals in pineforest vegetation fertilized witk sewage sludge //Process and use sewage sludge. Proc. 3 Int. Simp., Brigston, September 27-30, 1983, Dordrecht e.a., 1984. - S. 423-425.

4. Отчет о НИР: Исследование свойств природных цеолитов и бентонитов с целью применения в качестве сорбентов, катализаторов и для изготовления материалов с антикоррозионными свойствами /Кравченко M. M., Сапаргалиев Е.M. – Усть-Каменогорск: «Алатай-Сорбент», 1996. – 123 с.

5. Зарубежный опыт переработки и сипользования твердых бытовых отходов в современных условиях//Поиск, №4, 2003, - С.106-108.

Е.Ю. Ван,

к.т.н., заведующая кафедрой «Безопасность жизнедеятельности

и охрана окружающей среды»,

ВКГТУ им. Д. Серикбаева,

г. Усть-Каменогорск, Казахстан,

Н.А. Нурбаева,

к.т.н., доцент Казахского аграрного университета,

г. Астана, Казахстан

Е.Ю. Ван,
к.т.н., заведующая кафедрой «Безопасность жизнедеятельности
и охрана окружающей среды»,
ВКГТУ им. Д. Серикбаева,
г. Усть-Каменогорск, Казахстан,
Н.А. Нурбаева,
к.т.н., доцент Казахского аграрного университета,
г. Астана, Казахстан