Способ извлечения висмута-207 из сточных вод

В настоящее время в результате деятельности производственных предприятий образуются промышленные сточные воды. Ежегодно в этих водах теряется более 0,46 тонн меди, 3,3 тысяч тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерь соединения меди и цинка, выносимые сточными водами из очистных сооружений гальванического производства, оказывают весьма вредное влияние на экосистему. Проблемы утилизации сточных вод, содержащих тяжёлые металлы актуальны и в настоящее время.

Сорбция может происходить в статических или в динамических условиях. Сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество (сорбтив), находящееся в газообразной или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешивается с ним. Статическую активность сорбента характеризуют количеством поглощенного на единицу массы сорбента в определенных условиях.

Динамической сорбцию называют в том случае, когда поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Динамическую активность адсорбента характеризуют временем от начала пропускания адсорбтива до его проскока, т. е. до появления его за слоем адсорбента. В промышленности сорбционно-десорбционные процессы, как правило, осуществляют в динамических условиях, так как это обеспечивает непрерывность технологических процессов и возможность их автоматизации.

Адсорбция на границе «твердое тело – жидкость» имеет огромное практическое значение. Она лежит в основе процессов извлечения примесей и очистки жидкостей, так как задача извлечения ионов металлов из сточных вод представляет в настоящее время одну из актуальных проблем, связанную с одной стороны, с регенерацией ценного сырья в промышленности и, с другой стороны, направленную на решение природоохранных мероприятий.

Загрязненные воды, которые должны быть удалены с территории населенных мест и промышленных предприятий, называют сточными водами. Сточные воды (по происхождению) подразделяют на хозяйственно-бытовые, промышленные, атмосферные.

Промышленные сточные воды образуются в результате деятельности производственных предприятий. Каждое производство имеет индивидуальные загрязнители. Промышленные сточные воды очищать гораздо сложнее, т. к. они содержат большее количество примесей, подавляющих рост бактерий. А ведь именно бактерии осуществляют процесс биологического распада в естественных условиях. Методы, применяемые для очистки промышленных сточных вод те же, что и при очистке от бытовых загрязнителей: коагуляция, фильтрация, осаждение, биохимические методы. Однако при удалении отдельных веществ возникают особые трудности. К числу таких веществ относятся металлы, их соли, долгоживущие радиоактивные изотопы.

Проблемы утилизации сточных вод неоднократно поднимаются во многих аналитических обзорах и патентах. При этом предлагаются различные способы их решения. Анализ работ показывает, что широкое применение для очистки природных и сточных вод от ионов металлов находят сорбционные методы.

Одним из таких методов является способ извлечения ионов металлов из растворов, включающего сорбцию катионитом, который позволяет решить проблему очистки сточных вод, в том числе в химической и металлургической промышленности. Согласно этому способу для получения катионита использовали предварительно фракционированную резиновую крошку измельченных автомобильных покрышек. Измельченную крошку протекторной резины массой 100 г подвергали воздействию озоно-воздушной смеси с содержанием озона 1-32 мг/л при скорости потока 9-18 л/ч. Процесс вели при комнатной температуре в реакторе с пористым дном и мешалкой в течение 0,5-3 часов. Средний размер частиц крошки 0, 125-1,0 мм. Полученный продукт имел кислотное число 1,64-10,02 мг КОН/г. Его использовали для извлечения металлов. Пример по извлечению ионов металлов осуществляли следующим образом: в коническую колбу помещали раствор, содержащий ионы металла (5 мг/л) и добавляли 1 г карбоксилсодержащей крошки. После истечения 24 часов определяли концентрацию раствора. На процесс образования функциональных групп оказывает влияние размер частиц, концентрация озона в смеси, скорость подачи озоно-воздушной смеси и время обработки. Образцы модифицированной резиновой крошки имеют более высокую сорбционную емкость в Na-форме, чем образцы в Н-форме. Итак, данный способ обеспечивает повышение сорбционной емкости сорбента, увеличение количества сорбируемых ионов металлов.

При очистке сточных вод можно использовать способ применения сорбента на основе гальваношлама. Гальваношлам, содержащий Fe2O3 - 6,3%, ZnO - 1%, CaO - 16,6% (1) и Fe2O3 - 25%, ZnO - 0,7%, CuO - 2%, CoO - 0,3%, NiO - 0,3%, гранулировали с применением в качестве полимерного органического связующего перхлорвинила или акрилатбутадиенстирола. Очистку от ионов тяжелых металлов вели в интервале pH 6,5 - 7,5. Десорбцию ионов тяжелых металлов осуществляли раствором состава, г/дм3: (NH4)2SO4 - 100; MgSO4 - 20; NH4OH - до pH = 9. Эффективность описываемого способа можно проиллюстрировать следующим примером: 5 г гранулированного сорбента, содержащего 80% шлама и 20% пластика АБС 2020 (акрилат бутадиенстирола ТУ6-05-1587-84) загружено в колонку диаметром 10 мм, высотой 200 мм. Через колонку со скоростью 2 - 3 колонных объема в час пропускали промывные воды химического меднения с концентрацией меди от 3 до 53 мг/дм3. Использование сорбента позволило извлечь из перерабатываемого раствора примерно 95% содержащейся в нем меди. Емкость сорбента составила свыше 2 мг·экв/г (65 мг/г). Итак, использование для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов сорбента на основе гальваношлама позволяет сократить затраты на очистку за счет регенерации сорбента, решить задачи утилизации гальваношламов, повысить производительность процесса очистки ввиду лучшей фильтрующей способности и меньшего гидродинамического сопротивления гранулята. Этот способ может найти применение для извлечения из стоков ионов тяжелых металлов как индивидуальный и как дополнение к уже имеющейся на предприятии реагентной системе очистки.

Известен способ очистки от ионов меди, включающий фильтрацию сточных вод через измельченные отходы неавтоклавного пенобетона в качестве сорбента. Для сорбции использовали отходы неавтоклавного пенобетона с размерами зерен 0,114-0,315 мм, что соответствует требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам. Фильтрование проводилось в колонке диаметром 30 мм, высотой 400 мм. Фильтрованию подвергались сточные воды, содержащие ионы меди. Толщина слоя сорбента составляла 0,1-0,2 м, масса сорбента − 25-40 г, скорость фильтрования принималась равной 3м/час, что соответствует скорости фильтрации в реальных фильтрах на очистных сооружениях. Отбор проб проводился в конце времени фильтрования. Определялась концентрация ионов меди. Контроль за степенью очистки воды от ионов тяжелых металлов проводился на атомно-абсорбционном спектрометре. Использование данного способа позволяет увеличить скорость фильтрации при очистке сточных вод, что приводит к сокращению времени очистки, и уменьшить высоту слоя сорбента, что приводит к его экономии. Дополнительным преимуществом использования отходов неавтоклавного пенобетона в качестве сорбента является возможность очистки от ионов меди с более высокой исходной концентрацией по сравнению с прототипом и возможность замены природного материала (кварцево-глауконитового песка) на отход производства неавтоклавного пенобетона.

Данная работа содержит результаты по извлечению висмута-207 из сточных вод.

Как известно, для концентрирования, разделения, очистки и регенерации металлов, в т. ч. редкоземельных, используются краун-эфиры. Краун-эфиры (краун-соединения) - макрогетероциклические соединения, содержащие в своих циклах более 11 атомов, из которых не менее четырёх - гетероатомы, которые связаны между собой этиленовыми мостиками. Краун-эфиры являются вязкими жидкостями или кристаллическими веществами, хорошо растворимыми в большинстве органических растворителей и плохо растворимыми в воде. Их химические свойства зависят от природы гетероатомов и функциональных групп в цикле. Краун-эфиры образуют устойчивые липофильные комплексы с катионами металлов, особенно щелочных и щелочноземельных. При этом катион металла включается во внутримолекулярную полость краун-эфира и удерживается благодаря ион-дипольному взаимодействию с атомами гетероатомов. Наиболее устойчивы такие комплексы, у которых размер иона металла близок к размеру полости молекулы краун-эфира.

Наиболее близким по сущности способом является cпособ извлечения висмута-207 из сточных вод. Согласно этому способу сточные воды пропускаются через слой сорбента, состоящий из 4-амино-1,2,4-триазола на полимерной матрице из нитрона (сополимер полиакрилонитрила, метилметакрилата и итаконовой кислоты). Краун-эфиры и триазолы относятся к различным классам соединений, поэтому заранее нельзя было прогнозировать сорбцию висмута из сточных вод с помощью краун-эфиров, имея экспериментальные данные о высокой степени сорбции висмута-207 сорбентом на основе 4-амино-1,2,4-триазола.

Целью данной работы является повышение степени очистки сточных вод от радионуклида висмут-207; упрощение этого процесса; расширение возможности применения предложенного способа.

Поставленная в работе задача достигается тем, что в способе очистки сточных вод от висмута-207, включающем фильтрацию вод через слой сорбента, в качестве сорбента использовали пленки, отлитые из раствора волокна нитрона в диметилформамиде с добавлением небольших количеств краун-эфиров 18-краун-6, диазо-18-краун-6, а сорбцию осуществляли при рН = 12-13.

Пример 1.

В стаканчик емкостью 50 мл вводили раствор, содержащий радионуклид висмут-207, добавляли 0,067 г измельченного сорбента №1, перемешивали и через 30 минут раствор сливали с сорбента; рН раствора изменяли добавлением IМ раствора азотной кислоты или гидроксида натрия.

По разности радиоактивности исходного раствора и раствора после контакта с сорбентом определяли полноту (степени) извлечения радионуклида. * рН раствора = 9,3; степень извлечения радионуклида висмут-207 – 95,6%.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что в интервале значений рН= 12-13 возможно количественное извлечение радионуклида висмут-207 из сточных вод путем их сорбции краун-эфирами 18-краун-6, диазо-18-краун-6 на полимерной матрице из нитрона, ибо

• достигается высокая степень извлечения висмута-207 (порядка 98,5-99,5%);

• способ технологически прост по своему выполнению, не требует специального оборудования и осуществляется в одну стадию без применения ядовитых веществ.

Итак, в результате проведенных исследований 2007-2010 гг. нами был найден способ извлечения висмута-207 из сточных вод. Предложенный способ перспективный и экономически выгодный. Он может найти широкое практическое применение в различных областях, в том числе в радиохимии, атомной энергетике, ядерной технологии.