Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Очистка сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов сорбентом на основе отходов горнорудной промышленности

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Очистка сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов сорбентом на основе отходов горнорудной промышленности"

На правах рукописи

ы

ЗАКИРЬЯНОВ ДИНАР ИЛЬФИРОВИЧ

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ СОРБЕНТОМ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ГОРНОРУДНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

03.02.08.-«Экология» (в химии и нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 I ОКТ 2015

005563610

Уфа-2015

005563610

Работа выполнена на кафедре «Прикладная экология» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор химических наук, профессор Бикбулатов Игорь Хуснутович. Свергузова Светлана Васильевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», заведующая кафедрой «Промышленная экология»; Шайхиев Ильдар Гильманович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой «Инженерной экологии». ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет», г. Пермь.

Защита состоится «9» декабря 2015 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета и на сайте www.rusoil.net.

Автореферат разослан «9» октября 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Абдульминев Ким Гимадиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В результате деятельности нефтехимических и химических предприятий образуются значительные объемы сточных вод, содержащие нефтепродукты и тяжелые металлы. Нефть и нефтепродукты являются самыми распространенными загрязняющими веществами гидросферы, которые вызывают изменение химических, биологических и биохимических свойств среды обитания. При этом наибольшую опасность представляют ароматические углеводороды: смерть гидробионтов может наступить после нескольких часов контактов с ними уже при концентрации 10"4- Ш2% масс.

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью к биоаккумуляции, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, проявляют канцерогенные и

тератогенные свойства.

Для очистки сточных вод используют различные физико-химические, химические, биологические методы, которые требуют расхода электроэнергии и дорогостоящих реагентов.

Еще одной острой экологической проблемой остается накопление отходов горнорудной промышленности. До настоящего времени доминирующим методом обращения с отходами минерально-сырьевого комплекса является наземное складирование, что ведёт к возникновению неблагоприятных экологических ситуаций, проявляющихся в ухудшении санитарно-гигиенической обстановки, нарушении и видоизменении естественных ландшафтов, возникновению заболеваний населения, а также утрате природных ресурсов.

Проведены многочисленные исследования по использованию отходов обогащения и рекультивации хвостохранилищ действующих предприятий. Но проблема утилизации отходов старых хвостохранилищ решается крайне медленно.

В связи с этими проблемами особую актуальность приобретает разработка эффективного метода очистки сточных вод с использованием недорогих материалов, в качестве которого могут быть использованы отходы горнорудной промышленности.

Степень разработанности темы исследования

Вопросы очистки сточных вод рассматривались в работах Аюкаева Р.И., Гандуриной JI.B., Когановского A.M., Кульского Л.А., Смирнова А.Д., Яковлева C.B. и т.д., которые посвящены очистке природных и сточных вод от токсичных и многокомпонентных соединений.

Целью диссертационной работы является разработка способа получения экологически безопасного сорбента для очистки сточных вод химических и нефтехимических предприятий от нефтепродуктов и тяжелых металлов на основе лежалых хвостов флотационного обогащения с использованием сверхвысокочастотного электромагнитного излучения частотой 2450 МГц.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- оценить экологическую безопасность лежалых хвостов флотационного

обогащения в хвостохранилище золотодобывающей фабрики;

- разработать способ получения сорбента на основе лежалых хвостов флотационного обогащения в СВЧ-поле;

исследовать физико-химические и токсикологические свойства полученных агломератов;

- исследовать сорбционные свойства обработанных в СВЧ-поле отходов и предложить их квалифицированное использование на предприятиях химии и нефтехимии;

- разработать способ очистки сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов сорбентами, полученными на основе отходов горнорудной промышленности;

разработать мероприятия по обеспечению экобезопасности хвостохранилищ при одновременном использовании их как источника сырья.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность получения сорбента на основе агломерирования и активации лежалых хвостов флотационного обогащения золотосульфидной руды с использованием электромагнитного излучения с частотой 2450 МГц при температуре 700°С.

2. Определено, что оптимальная температура агломерирования и активации хвостов флотационного обогащения под действием СВЧ-излучения ниже на ~ 40 % температуры плавления при термическом нагревании.

3. Предложена научно-обоснованная стратегия переработки лежалых хвостов флотационного обогащения золотосульфидной руды с обеспечением экобезопасного хранения путем защиты от аэроуноса растениями типа ШррорИаё.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Предложен способ очистки сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов сорбентами на основе отходов горнорудной промышленности. Предложен способ переработки лежалых отходов обогащения руды для получения сорбентов с целью использования их при очистке сточных вод на предприятиях химии и нефтехимии. Показано, что обработкой отходов в СВЧ-поле получаются устойчивые нетоксичные (4 класс опасности) агломерированные структуры с развитой поверхностью и температурой спекания 700 С.

Методология и методы исследования:

Для исследования отходов обогащения и агломератов, полученных при спекании в сверхвысокочастотном электромагнитном поле, использованы дифференциально-сканирующая калориметрия, атомно-эмиссионная

спектроскопия, рентгенофлуоресцентный, термогравиметрический анализы. Оценка воздействия хвостохранилища на окружающую среду и определение токсичности лежалых хвостов флотационного обогащения проводились сертифицированным методом биотестирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования экологической опасности хвостохранилища.

2. Способ агломерирования лежалых хвостов флотационного обогащения в СВЧ-поле и исследование свойств полученных агломерированных структур в качестве сорбентов.

3. Способ очистки сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов сорбентом на основе отходов золотосульфидной руды.

4. Стратегия использования лежалых хвостов флотационного обогащения золотосульфидной руды с одновременным обеспечением экологической безопасности.

Степень достоверности и апробации результатов подтверждается значительным объемом проведенных экспериментов, всесторонним информационным анализом объекта исследования, использованием современных методов исследований и обработки данных, а так же соответствием полученных результатов работы ранее опубликованным материалам исследований по данной тематике.

Практическая реализация работы

Предложенная технология получения сорбентов на основе отходов обогащения золотосульфидной руды передана для производства сорбента в ООО «Ишимбайский специализированный химический завод катализаторов». Результаты исследований использованы в учебном процессе для проведения лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Промышленная экология», «Физические методы воздействия на технологические среды».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVII международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий», Новосибирск, 2012; 63-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, Уфа, 2012; Международной молодёжной научной конференции «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов», Белгород, 2013; Всероссийском научно-практическом семинаре с международным участием «Применение методов биотестирования в мониторинге и контроле окружающей

среды», Уфа, 2013; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность», Стерлитамак, 2013; Международной научно-технической конференции «Защита окружающей среды от экотоксикантов», Уфа, 2014, 2015.

Публикации по результатам исследований

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки РФ, 1 статья в журнале БД Scopus, 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка литературы из 175 наименований, 4 приложений, изложена на 132 листах машинописного текста и содержит 35 рисунков, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и поставлена цель работы, сформулированы задачи исследований.

В первой главе приведена общая информация о загрязнении гидро- и литосферы отходами, стоками нефтехимических и химических предприятий. Приведены сведения о хвостохранилищах и хвостах обогащения горнорудной промышленности и их влиянии на окружающую среду, описываются современные технологии утилизации отходов горнорудной промышленности.

Во второй главе приведено описание объектов исследования, аппаратура и методы исследования, использованные в работе.

Объектами исследования являлись: модельные растворы сточных вод, содержащие тяжелые металлы и нефтепродукты, хвосты флотационного обогащения.

В качестве объекта для отбора проб хвостов флотационного обогащения было выбрано хвостохранилище Миндякского рудника Республики

Башкортостан, как одно из типичных хранилищ лежалых отходов обогащения золотосульфидной руды. Эксплуатация хвостохранилища была прекращена в 1997 году. Площадь хвостохранилища составляет 44 га.

Минеральный состав хвостов в порядке убывания их количества следующий: хлорит, доломит, кальцит, кварц.

Для оценки тенденции изменения состава при хранении отходов под воздействием абиотических и биотических факторов определен состав хвостов обогащения методом рентгенофлуоресцентного анализа (таблица 1). Таблица 1 - Химический состав отходов обогащения

Соединение Ед. изм. Содержание Изменение

1999 г 2013г.

БЮг % 45.95 50.49 4.54

А1203 % 15.29 16.28 0.99

Ре203 % 7.75 10.15 2.4

СаО % 7.94 9.92 1.98

% 7.3 7.74 0.44

К20 % 1.56 3.4 1.84

ТЮ2 % 1.25 1.25 0

БОз % 0.65 0.4 -0.25

МпО % 0.33 0.28 -0.05

У205 % 0 0.05 0.05

N¡0 % 0 0.03 0.03

ЭгО °/о 0 0.02 0.02

Сг203 % 0 0.07 0.07

№20 % 1.85 0 -1.85

р2о5 % 0.18 0 -0.18

п.п.п. % 10.55 0 -10.55

Из результатов анализа в различные периоды 1999 и 2013 гг. следует, что в основном отходы состоят из оксидов кремния, алюминия, железа.

Составы отходов, полученные в 1999 и 2013 гг., различаются по содержанию отдельных соединений. Так, содержание оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия увеличилось, а оксидов серы, марганца, мышьяка - уменьшилось. Причинами указанных отклонений может быть влияние абиотических и биотических факторов в течении 1999-2013 гг.

На основании приведенного состава определен класс опасности хвостов расчетным путем. Установлено, что отход относится к 4 классу опасности.

Третья глава посвящена результатам исследований и их обсуждению, в частности, мониторингу поверхностных вод в районе расположения исследуемого хвостохранилища (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема расположения хвостохранилища обогатительной фабрики и водных источников (цифрами обозначены места отбора проб воды)

Для оценки воздействия хвостохранилища на поверхностные водные объекты использован интегральный метод оценки воздействия загрязненных сред на биоту. Токсичность определялась биотестированием по известной методике ПНД ФТ 14.1:2:4.19 2013 с использованием семян кресс-салата.

Мониторинг поверхностных водных объектов в районе расположения хвостохранилища проводился в сентябре 2012 г. и мае 2014 г.

Для оценки влияния отходов обогащения на окружающую среду в районе расположения хвостохранилища в сентябре 2012 г. были отобраны пробы из поверхностных водных объектов (рисунок 1): в реках Миндяк, Табылгашты и в озере Месели.

В реке Миндяк (проба 1) хронический токсический эффект проявляется по среднему сухому весу проростков. Проявление хронического токсического эффекта в реке Миндяк не обусловлено размещением хвостохранилища, а связано

с другими факторами, так как проба была взята по течению реки выше возможного попадания стоков из хвостохранилища.

В ручье (проба 2) непосредственно у борта хвостохранилища проявляется хронический токсический эффект по средней длине проростков (рисунок 2)., что можно объяснить воздействием флотационных отходов.

Рисунок 2 - Средняя длина Рисунок 3- Средний сухой вес

проростков в пробе из ручья проростков в пробе на месте непосредственно у борта впадения ручья в озеро Месели (мг)

хвостохранилища (мм)

При впадении данного ручья в озеро Месели (проба 3) наблюдается стимулирующий эффект по сухому весу: действие биогенов превышает действие токсичности (рисунок 3).

В озере Месели проявляется хронический токсический эффект только в одной пробе (проба 4 - в южной части, ближайшей к хвостохранилищу), а в остальных случаях (пробы 5, 6,7) наблюдается стимулирующий эффект. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что главный водоем поселка Миндяк озеро Месели достоверного влияния на биоту со стороны хвостохранилища не испытывает.

В реке Табылгашты (проба 8), как и при впадении ее в озеро Месели, также наблюдается стимулирующий эффект.

Таким образом, проведенные в 2012 году исследования показали, что большинство проб из поверхностных водных объектов в районе расположения хвостохранилища являются слаботоксичными.

В 2014 году пробы поверхностных вод были отобраны в 4 точках. Выбор точек отбора проб обусловлен тем, что на точки I и III возможно влияние хвостохранилища, точка IV является местом добычи руды, из которой получены флотационные отходы, точка II взята в качестве фона.

Результаты анализа пробы воды у северной границы (проба I) хвостохранилища приведены на рисунке 4. Токсический эффект проявляется для средней длины проростков.

Рисунок 4 - Средняя длина Рисунок 5 - Средняя длина

проростков в пробе, взятой у проростков в пробе) взятой из пруда северной границы хвостохранилища т р Миндяк около д. Казаккулово

<мм) (мм)

Результаты анализа воды, взятой из пруда на реке Миндяк около деревни. Казаккулово (проба II), представлены на рисунке 5. Наблюдается стимулирующий эффект по средней длине проростков. Данный эффект является следствием явления эвтрофикации, которое характерно для территории, использованной в качестве контроля. Эвтрофикация в настоящее время повсеместно распространена в поверхностных континентальных водах Северного полушария.

Результаты анализа воды, взятой в восточной части хвостохранилища (проба III, непосредственно у восточного откоса), показали, что наблюдается стимулирующий эффект по средней длине проростков.

Представляло интерес исследовать воду из карьера (проба IV), откуда добывалась руда для обогатительной фабрики. Карьер представляет собой водоем, заполненный голубовато-синей водой с крутыми берегами-карьерными

откосами из скальной породы. Результаты проращивания в пробе показали, что в данной пробе также наблюдается явление эвтрофикации.

Исследования, проведенные в мае 2014 года, показали, что достоверное токсичное воздействие хвостохранилища проявляется у его северной границы, т.е. токсический эффект локальный и небольшой. В остальных точках фиксируется стимулирующий эффект.

Ранее проведенные разными авторами исследования в горнорудных поселках Республики Башкортостан свидетельствуют о негативном воздействии хвостохранилищ на окружающую среду и здоровье населения, что на наш взгляд является прежде всего следствием воздушного переноса. По результатам наших исследований, токсичность поверхностных вод в районе Миндякского хвостохранилища невелика, что можно объяснить как вымыванием токсичных элементов отходов в более нижние по сравнению с уровнем отбора проб слои, так и вовлечением данных элементов в нетоксичные соединения в результате процесса гипергенеза за время хранения отходов. Снижение токсического действия компонентов хвостохранилища - это вопрос времени, хотя и довольно продолжительного, что и отмечается в литературе. Таким образом, можно сделать практический вывод, что сейчас специальных мероприятий по защите среды от поверхностного стока не требуются. Нужно лишь предотвратить пыление с хвостохранилища. При аналитическом определении наличия токсичных элементов в массе лежалых отходов обогащения нельзя делать вывод об уровне токсичности для биоты, поскольку нет информации о структуре химических комплексов, образовавшихся во время хранения. Таким образом, установлено, что прямое влияние токсичных компонентов хвостохранилищ на поверхностные водные объекты со временем снижает свои пространственные границы.

Следующим этапом являлось исследование агломерирования отхода золотодобычи в концентрированном потоке СВЧ-энергии, а также исследование физико-химических, токсикологических свойств полученных агломератов.

Нами предлагается новый подход - утилизация хвостов обогащения агломерированием в СВЧ-поле. Эффективность процесса сравнивается также с обычным термонагревом в муфельной печи, где твердофазное спекание отходов происходит при температуре 1150 °С (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Агломераты, полученные при различных температурах в муфельной печи

Дальнейшее увеличение температуры в печи до 1200 °С приводит к плавлению, которое начинается с поверхности и с увеличением температуры постепенно перемещается к центру массы. При этом еще не подверженная плавлению внутренняя часть оказывается прочно спеченной. При 1300 °С происходит полное плавление всей массы отхода.

Исследование СВЧ-нагрева отходов проводилось в печи с частотой магнетрона 2450 МГц. В результате спекания при достижении температуры 700 °С начинает образовываться агломерат (Рисунок 7). В отличие от нагрева в муфельной печи, образование агломерата происходит не на поверности отхода, поскольку тепловое излучение поверхности нагреваемого отхода ведет к рассеиванию энергии, а внутри массы в пределах глубины проникновения СВЧ-

ПОЛЯ. || ..мм

Рисунок 7 - Агломерат, образованный в результате СВЧ нагрева Агломерат неправильной формы, ближе к шарообразной, имеет поры различных размеров. Размеры пор определены методом сорбции и капиллярной конденсации азота и составляют от 7 А до 120 А.

Сопоставлена кинетика нагрева отходов двух фракций (Рисунок 8).

фракция -0,2 фрлмции ♦0,84-*0,2

Рисунок 8 - Кинетика нагрева отходов различных фракций Отходы мелких фракций нагреваются значительно интенсивнее, чем отходы крупных фракций. По-видимому, это обусловлено различными диэлектрическими свойствами фракций отхода.

Аналогичные опыты были проведены с обычным песком. При этом образования агломерата не происходило. Сопоставление кинетики нагрева обычного песка и отхода обогащения показало, что нагрев отхода происходит в 2 раза интенсивнее по сравнению с песком, что показывает эффективность использования электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в качестве энергоносителя для переработки отходов.

Одной из определяющих характеристик нагрева веществ в электромагнитном поле сверхвысокой частоты является глубина проникновения СВЧ-излучения в среду. Экспериментально установлено, что глубина проникновения СВЧ-излучения с частотой 2450 МГц в данный отход составляет 36 см (рисунок 9).

35 30 я 25 3. 20

О 5 ХО 15 30 25 30 35 ОО

Глубина елок, см

Рисунок 9 -Зависимость изменения температуры нагрузки (воды) при нагреве в СВЧ -поле, проходящей через слой отхода, от высоты данного отхода

Приведенные эксперименты по спеканию отходов в агломераты в муфельной печи показали, что оно происходит медленно, зона спекания постепенно перемещается во внутрь массы, что не позволяет достичь необходимой производительности, хотя и не приводит к плавлению, характерному при быстром нагреве в СВЧ-поле, что резко уменьшает удельную поверхность.

Однородность структуры и равномерный, относительно быстрый разогрев можно получить путем нагрева в СВЧ-поле. Достижения керамоподобной упаковки частиц нам не требуется, а нужно лишь появление «сшивки» между частицами всех имеющихся в отходе размеров. В этом случае мы будем иметь прочную агломерированную частицу с пространственными пустотами и неоплавленными поверхностями собранных спеканием частиц отхода.

При импульсном СВЧ-облучении возникающие на границе раздела фаз термодиффузионные потоки будут ускорять, активировать массоперенос. Если СВЧ-импульса будет достаточно для появления на межзернистом перешейке плава, произойдет слияние частиц порошка. Таким образом, предельной энергией должна явиться энергия, обеспечивающая припекание частиц отхода, поскольку дальнейшее повышение температуры приведет к стеклованию материала.

Проведенные в разных работах результаты исследований по модификации керамических структур в СВЧ-поле показали, что припекание частиц отхода происходит, как за счет термодинамической целесообразности переноса вещества в область контактного перешейка между частицами, так и за счет того, что в области поверхности частиц повышается содержание вакансий с увеличением значений тангенса угла диэлектрических потерь, что может вызвать дополнительный нагрев в электромагнитном поле. Вследствие дополнительного нагрева приповерхностной области она будет расширяться сильнее, чем остальная часть материала и возникают термодиффузные напряжения, для компенсации которых вакансии мигрируют в холодную часть образца, что эквивалентно притоку диффундирующих атомов в зону спекания. Таким образом, припекание частиц отхода будет происходить без появления обширной зоны плава материала,

как точечное явление в местах соприкосновения частиц, а температура материала будет значительно ниже температуры его плавления при обычном нагреве.

Термодиффузионный поток частиц при СВЧ-облучении, как это было указано выше, не должен приводить к растворению межзеренных образований и гомогенизации структуры материала. Этого можно достичь, не превышая требуемого уровня мощности СВЧ-излучения и применять импульсный режим воздействия излучения; последнее не представляет затруднений ввиду безынерционное™ СВЧ-поля.

Таким образом, имеются теоретически обоснованные предпосылки получения из флотационных отходов агломерированных структур в СВЧ-поле при температурах на 400-500 °С ниже, чем при обычном нагреве в муфельной печи. Это позволяет предложить менее энергоемкую технологию получения агломератов из отходов флотации, открыв возможности их использования в качестве сорбентов для очистки сточных вод от экотоксикантов.

Дальнейшие исследования направлены на изучение физико-химических, сорбционных свойств агломератов, полученных в СВЧ-поле.

Проведенные дифференциальная сканирующая калориметрия и термогравиметрия проб хвостов обогащения и агломератов, полученных в СВЧ-поле из хвостов при различных температурах, на установке для синхронного термического анализа STA 449 F3 Jupiter и термогравиметрического анализа Thermoscan 2, показали, что после СВЧ-обработки отходы являются термически стабильными (нетермоактивны) (рисунок 10).

а б

Рисунок 10-Термограммы исходного отхода обогащения (а) и агломерата (б) при температуре 700 °С

При этом электрические свойства также изменяются. При СВЧ-обработке

удельное поверхностное сопротивление снижается примерно в 2 раза (Таблица 2).

Таблица 2- Удельное поверхностное сопротивление отхода обогащения

Образец Удельное поверхностное сопротивление (ф=90%, 1=21 °С), 1010 Ом

Исходный отход обогащения 4,80

Отход, обработанный в СВЧ-поле 2,86

По-видимому, такое снижение удельного поверхностного сопротивления способствует более эффективной сорбции нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов, поскольку происходит увеличение числа активных центров для сорбции.

Определены плотности агломератов, полученных в СВЧ-поле при температуре 700 °С. Поскольку плотность агломератов составляет 730-950 кг/м3, что ниже плотности воды (1000 кг/м3), возможно их использование для очистки

водных объектов от нефтяных загрязнений. Установлено, что дальнейший нагрев приводит к увеличению плотности.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение сорбционной способности полученных агломератов для очистки сточных вод от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов. Для исследования поглотительной способности агломератов, полученных при спекании в СВЧ-поле хвостов обогащения, использовали дизельное топливо, гексадекан, нефть. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3- Сорбционная емкость по нефтепродуктам

Наименование адсорбтива Сорбционная емкость, г/г

Гексадекан 1,1

Дизельное топливо 1,2

Нефть 1,4

Полученные результаты сопоставимы со средними показателями емкости аналогичных минеральных сорбентов и позволяют использовать полученный агломерат в качестве сорбента для нефтепродуктов.

Для установления возможности применения исследуемых агломератов в качестве сорбентов для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов использовались модельные растворы, содержащие ионы Мп2+ и Си2+ с концентрацией 10 мг/л. С целью установления оптимального расхода агломерата проведены серии опытов с различным количеством агломерата от 0 до 3,5 г/л. Через определенные периоды времени перемешивания определялись остаточные концентрации металла в модельном растворе.

Установлено, что при очистке марганецсодержащего раствора эффективность очистки 98 % для ионов Мп2+ достигается при расходе активированного отхода 2,5 г/100 мл (рисунок 11). Аналогичная зависимость наблюдается и для медьсодержащего раствора.

Установлено, что максимальная эффективность очистки модельного раствора, содержащего ионы Си2+, достигается при длительности перемешивания 30 минут (рисунок 12).

1 1.5 2 2,5

Расход иетивмроаанного отхода, г/100 м*

Рисунок 11 - Зависимость эффективности очистки модельного раствора, содержащего ионы Мп2', от расхода активированного отхода

Рисунок 12 - Зависимость эффективности очистки модельного раствора, содержащего ионы Си24, от времени экспозиции

При этом необходимо отметить, что при добавлении активированного отхода к дистиллированной воде, кислой среде и дальнейшем увеличении его дозы, рН водной среды повышается до 10,4. Что может способствовать к образованию малорастворимых форм тяжелых металлов. Необходимо отметить, что сорбционная емкость сорбента по нефтепродуктам невысока, однако сорбент одновременно сорбирует и ионы тяжелых металлов в отличие от обычно применяемых сорбентов, поэтому мы рекомендуем разработанный сорбент для очистки сточных вод нефтехимических предприятий, содержащих и нефтепродукты, и тяжелые металлы.

Зависимость рН марганецсодержащего раствора (рисунок 13) от длительности экспозиции показала, что в первые 20 минут происходит резкое увеличение значения рН.

Рисунок 13 - Зависимость рН среды от времени экспозиции Таким образом, подбирая расход активированного отхода и время экспозиции можно создать оптимальные условия по высокоэффективной очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов. Предложенный способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов позволяет эффективно использовать в качестве сорбента активированные отходы горнорудной промышленности.

Четвертая глава посвящена технологическим решениям по использованию отходов обогащения и повышению экобезопасности хвостохранилища.

Традиционно масштабность горнорудных разработок диктует изыскание масштабных же объемов утилизации отходов. Предлагаемый нами путь утилизации заключается в использовании отходов в виде агломерированных структур - сорбентов, для чего требуются менее масштабные, относительно малопроизводительные технологии и аппаратура. В частности, могут быть использованы широко применяемые при производстве катализаторов таблеточные машины для начального формования с дозированным увлажнением.

По результатам лабораторных исследований нами предложена принципиальная схема получения агломератов из отходов обогащения [Патент на изобретение № 2545272] с использованием электромагнитного излучения с частотой 2450 МГц. По сравнению с другими физическими методами СВЧ-метод имеет ряд преимуществ: объемный характер преобразования подводимой СВЧ-энергии в тепловую в пределах глубины проникновения; высокая скорость нагрева; бесконтактный способ ввода энергии в отходы с высоким КПД (75-90%); тепловая безынерционность; малые потери энергии на теплоотвод к окружающим конструкциям; наличие промышленных генераторов и другого необходимого

оборудования высокой мощности, способных обеспечить требуемую производительность обработки.

При этом предлагается перерабатывать отходы на месте их размещения, в качестве источника энергии используя электрическую энергию. Процесс переработки включает следующие стадии: выемка отхода из хвостохранилища; просеивание для отделения мусора; таблетирование; обработка отходов в СВЧ-реакторе с получением агломератов; воздушное охлаждение; складирование полученных нетоксичных, пригодных для транспортировки агломератов для дальнейшего использования.

Принципиальная блок-схема агломерирования отходов обогащения приведена на рисунке 14.

1- Приемный бункер; 2- формовочное устройство, 3 - СВЧ-реактор; 4 -охлаждающее устройство

Рисунок 14 - Принципиальная схема агломерирования отходов В связи с невозможностью обработки всего объема хвостов в короткий срок предлагается кардинально уменьшить аэроунос, интенсифицировав процесс зарастания поверхности хвостохранилища растительностью типа Шрроркаё с помощью сапропеля - биоактивный органический закрепитель, для чего использовать местный источник сапропеля - оз. Месели, находящееся в 0,5 км от хвостохранилища.

Также исходя из географического положения хвостохранилища, защищенного рельефом от ветров западного и северного направлений, целесообразно защитить жилую зону от пылевоздушного потока с южной

ОтхоСы обогащения

стороны, т. е. возвести на западной и северной сторонах хвостохранилища проницаемое ограждение из штакетника (рисунок 15).

Рисунок 15 - Схема ограждения хвостохранилища

Таким образом, для хвостохранилища, как источника загрязнения окружающей среды и сырья для получения сорбентов, предложена следующая стратегия использования:

1. По мере выемки отходов на переработку периодически вести физико-химический контроль состава отходов для коррекции режима переработки со степенью изменения состава под влиянием природных факторов в зависимости от глубины залегания.

2. Внедрить мероприятия по защите окружающей среды во время эксплуатации и осуществлять контроль за состоянием атмосферного воздуха, водных объектов, почвы.

3. На освобожденной от отходов территории провести мероприятия по восстановлению экосистемы.

По результатам работы сделаны следующие выводы:

1. Проведен анализ химического состава и экоопасносги хранилища отходов обогатительной фабрики. Методом биотестирования определен потенциал токсичности стоков от отходов со стороны хвостохранилища в водные объекты. Установлено, что большинство проб из поверхностных вод объектов в районе хвостохранилища являются слаботоксичными.

2. Разработан способ получения сорбента на основе активации и агломерирования лежалых хвостов обогатительной фабрики золотосульфидной руды с использованием электромагнитного излучения с частотой 2450 МГц при

1 - обогатительная фабрика,

2 - хвостохранилище,

3 - участок для погрузки хвостов,

4 - участок с травой,

5 - водный участок,

6 - дамба,

7- жилая постройка, 8 -забор

ю

температуре 700°С. Установлено, что данная температура на ~ 40 % ниже температуры плавления при термическом нагревании.

3. Показана возможность использования полученного сорбента при сорбционной очистке сточных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов.

4. Предложена стратегия поэтапного уменьшения и ликвидации экоопасности хвостохранилища с рациональным использованием хвостов флотационного обогащения руды и с обеспечением экобезопасного хранения путем защиты от аэроуноса растениями типа Hippöphaä.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Закирьянов, Д.И. Об одном подходе к проблеме хранилищ хвостов обогатительных фабрик республики/ И.Х. Бикбулатов, Е.И. Бахонина, Д.И. Закирьянов// 63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: сб. матер, конф,- Кн.2/Редкол.: Ю.Г. Матвеев и др.-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012.-С.374.

2. Закирьянов, Д.И. Об одном подходе к переработке хвостов обогащения руд/ Д.И. Закирьянов, И.Ф. Гизетдинова// Материалы XVII международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий»: В 2-х томах. Том 1./ Новосибирский гос. ун-т. Новосибирск, 2012.-С. 107-108.

3. Закирьянов, Д.И. Экологический мониторинг поверхностных вод в районе хранения отходов золотодобычи/ Д.И. Закирьянов, Е.И. Бахонина, И.Х. Бикбулатов, Зейферт Д.В.// Всероссийский научно-практический семинар с международным участием «Применение методов биотестирования в мониторинге и контроле окружающей среды», УНПП «СОЛУНИ» УГНТУ, 17-25 июня 2013 г/ УГНТУ .-Уфа, 2013.-С. 41-45.

4. Закирьянов, Д.И. Агломерация отходов обогащения/ И.Х. Бикбулатов, Е.И. Бахонина, Д.И. Закирьянов, А.Ю. Ганин, А.Р. Валеева, JI.H. Салахутдинова// «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность»: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Стерлитамак, 21-22 ноября 2013г.-Стерлитамак: Типография «Фобос», 2013.-С.297.

5. Закирьянов, Д.И. Рекультивация хвостохранилища золотодобычи в Башкирском Зауралье/ И.Х. Бикбулатов, Е.И. Бахонина, Д.И. Закирьянов, A.A. Усманова, Э.Ф. Гизетдинова// Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов: сборник докладов Международной молодёжной научной конференции, Белгород, 12-14 ноября, 2013г.-Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013.-Ч.2.-С. 119-121.

6. Закирьянов, Д.И. Об экологическом мониторинге поверхностных вод в районе расположения хвостохранилища золотодобычи/ Д.И. Закирьянов, Е.И.

Бахонина, И.Х. Бикбулатов, Д.В. Зейферт// Башкирский химический журнал.-

2013.-Т. 20; № 1.-С. 54-57.

7. Закйрьянов, Д.И. Определение токсичности и класса опасности хвостов обогащения/ И.Х. Бикбулатов, Е.И. Бахонина, Д.И. Закйрьянов, А.Ю. Ганин, А.Р. Валеева, JI.H. Салахутдинова//Башкирский химический журнал.-2014.-Т. 21; №1.-С. 37-39.

8. Закйрьянов, Д.И. Снижение пылеуноса с поверхности хвостохранилища Миндякского рудника/ И.Х. Бикбулатов, Е.И. Бахонина, Д.И. Закйрьянов, Усманова A.A.// Защита окружающей среды от экотоксикантов: сб. научных трудов, Уфа, 14-15 апреля 2014г.- Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014.-С. 79-82.

9. D.I. Zakiiyanov. Assessment ■ of the Tailing Dumps Influence on Surface Waters by the Biotesting Method/ E.I. Bakhonina, D.V. Zeifert, D.I. Zakiryanov, A.Y. Ganin, L.N. Salakhutdinova, A.R. Valeeva, E.M. Abutalipova// Advances in Environmental Biology.-2014-8(13) August-P.321-324.

10. Закйрьянов, Д.И. Возможность использования отходов добычи цветных металлов для утилизации углеводородсодержащих шламов/ Д.И. Закйрьянов, Е.И. Бахонина, И.Х. Бикбулатов// Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов: сборник докладов II Международной молодёжной научной конференции, Белгород, 1-3 октября, 2014г.-Белгород: Изд-во БГТУ,

2014.-Ч.2.-С. 98-101.

11. Закйрьянов, Д.И. Возможность твердофазного спекания флотационных отходов золотодобычи в СВЧ-поле/ Е.И. Бахонина, И.Х. Бикбулатов, У.Б. Имашев, Д.И. Закйрьянов// Фундаментальные исследования.-2014.-№9(12).-С 2609-2615.

12. Патент на изобретение № 2545272. Способ получения гранул из хвостов обогащения/ Д.И. Закйрьянов, Е.И. Бахонина, И.Х. Бикбулатов. - № 2013143429/03; заявл. 25.09.2013; опубл. 27.03.2015, Бюл. № 9.

13. Закйрьянов, Д.И. Очистка сточных вод от тяжелых металлов сорбентом на основе отходов горнорудной промышленности/ Д.И. Закйрьянов, И.Х. Бикбулатов// Защита окружающей среды от экотоксикантов: сб. научных трудов, Уфа, 23-24 апреля 2015г. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2015.-С. 92-94.

Подписано в печать 05.10.2015. Бумага офсетная. Формат 60x84 'Лб. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,39. Тираж 90. Заказ 131. Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1