АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Развитие водоемких промышленных технологий активно загрязняет гидросферу, в первую очередь, ионами тяжелых металлов. Тяжелые металлы в воде практически не подвержены механизмам самоочищения, ли перераспределяясь из одного природного резервуара в другой. В процессе миграции, взаимодействуя с компонентами окружающей среды, повсюду оставляя видимые негативные последствия. Основным источником загрязнения природных вод тяжелыми металлами являются промышленные сточные воды. Поэтому изучение экологически эффективных и экономически доступных способов очистки промышленных стоков от ионов тяжелых металлов является актуальной задачей.

Результаты анализа публикационной активности библиографической и реферативной базы данных «SCOPUS» по годам в области очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Количество публикаций по годам по проблеме очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

По рисунку видно, что с 1968 до 2018 года количество публикаций по данной теме имеет тенденцию к увеличению с каждым годом. В первую очередь это объясняется  тем, что повышается загрязнение гидросферы ионами тяжелых металлов.

Основными авторами, публикующимися в области очистки сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами, являются Zeng, G. (16 публикаций), Chang, A.C. и Page, A.L. (15 публикаций), Blais, J.F. (13 публикаций), Zorpas, A.A. (12 публикаций). Также Tyagi, R.D. и Wong, M.N. опубликовали 11 документов, у Lester, J.N., Loizidou, M. и Mercier, G.

Анализ публикационной активности в области очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов по странам представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Анализ публикационной активности по странам в области очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

География изучения данной темы обширна, но наибольшее количество публикаций, что объясняется  особенной актуальность, для Китая.

Основными организациями, проявляющими активность в базе данных «SCOPUS» по теме «очистка сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами» являются Chinese Academy of Sciences, Ministry of Education China, Tongji University, Harbin Institute of Technology и Hunan University.

В статье [1] проведены сравнительные исследования эффективности удаления ионов тяжелых металлов (Cu²⁺, Ni²⁺) из водных растворов при адсорбционной очистке с использованием природных сорбентов (каолин и бентонит), процессе реагентного осаждения при гомогенной кристаллизации и в совмещенном сорбционно-кристаллизационном процессе с применением добавок активированных глин. Максимальная эффективность очистки достигнута в совмещенном процессе с предварительной ультразвуковой обработкой суспензии глины и щелочного реактива. Авторы показали, что добавки глин одновременно играют роль сорбентов, стимуляторов гетерогенной кристаллизации и коагулянтов, ускоряющих седиментацию твердой фазы.

Проблемы очистки сточных вод могут быть решены с применением электрохимических методов. Эти методы просты, удобны в эксплуатации, почти безреагентны и экономически выгодны.

Так, авторы статьи [2] считают, что для извлечения металлов из отработанных растворов и сточных вод более эффективным является применение проволочных кусковых электродов. Эти электроды работают примерно также как объемно-пористые, реакционная поверхность этих электродов большая, за счет чего увеличивается степень извлечения металлов. В статье приведены результаты электролиза растворов с исходной концентрацией свинца 200 мг/л, электролиз проведен на кусковых графитовых электродах. Таким образом, сточные воды или отработанные растворы практически полностью можно очистить от ионов свинца с помощью кусковых электродов.

В работе [3] описывается сорбционный метод очистки с использованием модельных растворов с применением модифицированного сорбента Akdolit-Gran. Материал сорбента проходит тепловую модификацию, путем термической обработки минерала. Прокаливание способствует разрыхлению породы с образованием структур с большей пористостью и удельной поверхностью. Авторы данной статьи пришли к выводу, что в процессе термообработки происходят различные химические превращения, в результате которых образуются карбонат кальция и оксид магния, что способствует повышению сорбционных свойств сорбента.

В статье [4] предлагается использовать гранулированный композиционный сорбционный материал для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (на примере меди и цинка). В состав сырьевой смеси для получения данного сорбента входят железистый шлам – отход водоподготовки, жидкое стекло, оксид кальция, вода. Согласно исследованиям, степень извлечения ионов цинка и меди сорбентом составила соответственно 53,5 и 44,0%. Авторы утверждают, что использование предлагаемого сорбента позволит одновременно утилизировать железистые отходы водоподготовки, улучшить экологическое состояние природных вод и почв, обеспечить эффективными дешевыми сорбентами сооружения для очистки сточных вод.

Целью работы [5] является изучение сорбции ионов цинка различными сорбционными природными материалами, в том числе модифицированными (карбонизированными), в различных условиях. Такое сырье содержит, как правило, природные биологически активные вещества, которые способны вступать во взаимодействие с ионами тяжелых металлов. В работе использована карбонизация для модификации природных сорбентов (лигнина, опила). Основным результатом явились данные о сорбции ионов цинка немодифицированными и модифицированными (карбонизированным) лигнином и опилом в различных по кислотности средах.

В статье [6] представлены данные о возможности очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с помощью гальванокоагуляции. Показано, что этот метод может быть успешно использован для эффективного извлечения из сточных вод ионов многих загрязнений. Авторы статьи утверждают, что основным достоинством этого метода является относительная дешевизна, низкие энергозатраты, использование отходов производства (железной и алюминиевой стружек, а также кокса). В то же время степень очистки является вполне удовлетворительной.

В работе [7] представлен целостный анализ синтеза и эффективности наносорбентов в отношении очистки сточных вод путем удаления выбранных ионов тяжелых металлов, с особым акцентом на влияние функционализации наноадсорбентов на некоторые ключевые свойства, такие как площадь поверхности, разделение и адсорбционная способность. Авторы собрали большое количество данных на основе характерных свойств наноматериалов и их селективного сродства к определенным ионам тяжелых металлов. Также они изучили pH, дозировку адсорбента, время контакта, температуру, начальную концентрацию ионов и ионную силу, влияющие на удаление ионов металла.

Нанотехнология – передовая область науки, способная решать разнообразные экологические проблемы, контролируя размер и форму материалов в наноразмерном масштабе. Углеродные наноматериалы уникальны благодаря своей нетоксичной природе, большой площади поверхности, более легкой биодеградации и особенно полезному восстановлению окружающей среды. Им уделяется все больше внимания благодаря их превосходным физико-химическим свойствам, которые можно использовать для дальнейшей обработки воды, загрязненной тяжелыми металлами. Углеродные наноматериалы, а именно углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, оксид графена и активированный уголь, имеют большой потенциал для удаления тяжелых металлов из воды из-за их большой площади поверхности, размера наноразмеров и наличия различных функциональных возможностей, и их легче химически модифицировать. В статье [8] авторы рассмотрели последние достижения в применении этих углеродных наноматериалов при обработке воды, загрязненной тяжелыми металлами, а также подчеркнули их применение в восстановлении окружающей среды.

Изобретение [9] относится к технологии очистки сточных вод от ионов меди сорбцией, включая обработку сточных вод сорбентом, в качестве которого используется гипс, модифицированный кристаллами йодида калия. Очистка осуществляется путем отстаивания воды в присутствии готовых гипсовых изделий с размером 20х20х20 мм. Обеспечивается уменьшение расхода сорбента за счет упрощения процесса очистки.

В настоящее время на очистных сооружениях промышленных предприятий активно внедряются электрофлотационные модули. Электрофлотация – метод очистки сточных и промывных вод, технологических растворов гальванического производства от загрязнений в виде взвешенных веществ, фосфатов и гидроксидов металлов, суспензий, смолистых веществ, эмульгированных веществ, нефтепродуктов, индустриальных масел, жиров и поверхностноактивных веществ.

Таким образом, в настоящее время разрабатываются все более современные способы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, соответствующие наилучшим доступным и экологически эффективным разработкам.

Литература

1. Кострюкова Н.В., Риянова Э.Э. Снижение негативного воздействия на гидросферу при функционировании гальванического цеха // Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды международная научно-техническая конференция. – 2015. – С. 63-68.
2. Мясников С.К., Тихонов А.Ю., Чипрякова А.П., Кулов Н.Н. Очистка воды от ионов тяжелых металлов в совмещенном сорбционно-кристаллизационном процессе с использованием активированных глин // Теоретические основы химической технологии. – 2016. – Т. 50. № 4. – С. 376-392.
3. Жылысбаева А.Н., Кыстаубаев Е.И., Баешов А.Б. Применение электрохимических методов для очистки отработанных растворов и сточных вод от ионов тяжелых металлов // Наука и новые технологии. – 2015. – № 1. – С. 37-39.
4. Андреева С.А., Курилина Т.А. Сорбционная очистка промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов // Вестник научных конференций. – 2015. – № 2-1 (2). – С. 17-19.
5. Лукашевич О.Д., Усова Н.Т. Сорбент из железистого шлама для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2018. – Т. 20. № 1. – С. 148-159.
6. Родионова Д.С., Широких Т.В., Девятерикова С.В., Казиенков С.А., Земцова Е.А., Мусихина Т.А. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов сорбентами, полученными из отходов переработки природного сырья // Advanced Science. – 2017. – № 3. – С. 78-85.
7. Кузнецова Ю.Н., Денисова А.Е. Исследование гальванокоагуляционной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // В сборнике: XXIII Туполевские чтения (школа молодых ученых) Международная молодёжная научная конференция: Материалы конференции. – 2017. – С. 618-620.
8. Wadhawan, S.aEmail Author, Jain, A.a,b, Nayyar, J.a, Mehta, S.K.b.Role of nanomaterials as adsorbents in heavy metal ion removal from waste water: A review (Review) // Journal of Water Process Engineering. – 2020. Vol. 33, Номер статьи 101038.
9. Baby, Rabia; Saifullah, Bullo; Hussein, Mohd Zobir. Carbon Nanomaterials for the Treatment of Heavy Metal-Contaminated Water and Environmental Remediation // Nanoscale research letters. – 2019. – Vol. 14. №1. – Номер статьи: 341.
10. Пат. 2700072 Российская Федерация, МПК C02F 1/281; C02F 1/42; B01J 20/28014. Способ очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов / Сватовская Л.Б. [и др.]; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I». – №2018104015; заявл. 01.02.2018; опубл. 12.09.2019.