Отчет по экспериментально-исследовательской работе магистранта

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. СЕРИКБАЕВА

Кафедра «Химия, металлургия и обогащение»

ОТЧЕТ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ МАГИСТРАНТА

по специальности 6М070900 – Металлургия

на тему «Исследование процесса очистки промышленных стоков титано – магниевого производства с использованием роторных вакуумных испарителей»

Магистрант: Бухотанова А.Т.

________________________

«___»______________2016 г.

Научный консультант:

к.т.н., асс профессор Куленова Н.А.

________________________

«___»______________2016 г.

Зав. кафедрой «ХМиО»

к.т.н., асс профессор Куленова Н.А.

________________________

«___»______________2016 г.

Усть-Каменогорск, 2016

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Д.СЕРІКБАЕВ атындағы ШЫҒЫС ҚАЗАҚСТАН МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

 «Химия, металлургия және байыту» кафедрасы

6М070900 – Металлургия мамандығы

«Титан – магний өндірісінің өнеркәсіптік суларын роторлы вакуум буландырғыштарды қолданып тазарту үрдісін зерттеу» тақырыбы бойынша

МАГИСТРАНТТЫҢ ЭКСПЕРИМЕНТТІК-ЗЕРТТЕУШІЛІК ЖҰМЫСЫ БОЙЫНША ЕСЕБІ

Магистрант: А.Т.Бухотанова

________________________

«___»______________2016 ж.

Ғылыми кеңесші:

т.ғ.к., асс профессор Н.А.Куленова 

________________________

«___»______________2016 ж.

«ХМжБ» кафедрасының меңгерушісі

т.ғ.к., асс профессор Н.А.Куленова

________________________

«___»______________2016 ж.

Өскемен, 2016

ВВЕДЕНИЕ

Промышленные стоки титано - магниевого производства. Анализ негативного воздействия титано - магниевого производства на окружающую среду, показал, что основным источником экологической нагрузки предприятия являются образующиеся промышленные сточные воды, характеризующиеся сложным химическим составом и высокой минерализацией.

Состав жидкой и твердой фаз промышленных стоков титано - магниевого производства представлен в таблице 1.

Таблица 1. Состав жидкой и твердой фаз промышленных стоков титано - магниевого производства.

Наименование компонента

Содержание

Жидкая фаза, мг/дм³

Твердая фаза, %  (масса)

Ti

0,05-0,15

8-10

Ca

500-1900

10-13

Mg

300-900

1-3

Fe

50-300

4-7

Na

70-500

0,2-1,5

K

200-1500

0,2-2

Al

1-3

2-7

Zr

0,02-0,04

0,5-3

Существующие на сегодняшний день способы утилизации промышленных стоков не решают проблемы снижения содержания минеральной составляющей.

В ряде работ [1-3] приведены данные о возможности использования метода обратного осмоса, электродиализа в практике обессоливания промышленных сточных вод. Существенным недостатком метода обратного осмоса, который лидирует среди других методов, являются высокие энергозатраты, необходимость предварительной водоподготовки (подкисление воды, очистка от взвешенных веществ и т.д.) и утилизация высококонцентрированных растворов.

В настоящее время все большее применение находят мембранные технологии водоочистки, основанные на избирательном проникновении молекул и гидратированных ионов через поры полупроницаемых мембран. При использовании мембранных методов степень обессоливания может достигать 99,6% [4-7].

Достоинствами мембранных методов являются: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; простота конструкции аппаратуры; работа установки может быть легко автоматизирована и мало зависит от качества исходной воды; методы характеризуются высокой селективностью для растворимых солей в пределах 95-98 %.

К недостаткам мембранных методов можно отнести следующее:

- высокая стоимость (процесс протекает при повышенных давлениях, что вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры и приводит к увеличению стоимости применения данного метода. Кроме того не менее чем два раза в год требуется полная замена мембранных фильтров);

- при обслуживании мембранных установок проводится не менее четырех раз в год тщательная промывка фильтрующих систем, что приводит к дополнительному образованию загрязненных стоков, которые тоже необходимо будет утилизировать;

- возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны, что при высоком солесодержании веществ в исходном растворе приведет к снижению качества очищенной воды.

До недавнего времени термическое обессоливание считалось бесперспективным направлением из-за его энергоемкости. Однако, простота эксплуатации установок при условии использования тепла отходящих газов, обусловили совершенствование и удешевление указанного способа, открыв перед ним новые возможности [8, 9]. Этот метод обессоливания менее чувствителен к составу минерализованных сточных вод, достаточно экономичен и обеспечивает качественную очистку, а также является наиболее распространённым методом обессоливания во многих странах мира.

В настоящее время создано много различных выпарных установок для обезвреживания минерализованных жидких отходов, отличающихся друг от друга организацией процесса кипения, давлением, при котором происходит процесс обезвреживания, регенерацией тепла, кратностью испарения очищаемой воды, конструктивными признаками и др.

Приведенные в работе [8] данные по способу термического обезвреживания высокоминерализованных сточных вод с использование промежуточных твердых теплоносителей исключают образование рассолов. В качестве теплоносителя предлагается использовать вторичные низкопотенциальные энергоресурсы: продукты горения вторичных энергоресурсов, низкотемпературный пар и т.д.

Исследования, представленные в работе [9] по очистке высокоминерализованных жидких отходов титано - магниевого производства в выпарном аппарате на промежуточном твердом носителе (гранулированный доменный шлак, железорудные окатыши, металлические шары) показали перспективность данного направления.

Учитывая актуальность данной тематики на базе лабораторий университета были начаты исследования по утилизации промышленных стоков титано - магниевого производства с использованием метода термического обессоливания. 

Актуальность

Использование данного метода очистки промышленных стоков титано-магниевого производства, получение компактного осадка и жидкой фазы, пригодной для использования в водообороте предприятия, позволит решить ряд проблем. Таких как, переполнение уже имеющихся шламонакопителей и снижение потребления водных ресурсов предприятиями.

 Цель исследования

Снижение отрицательного воздействия отходов титаномагниевого производства на почвы, грунтовые и поверхностные воды путем разработки технологических методов сокращения твердых отходов и утилизации жидкой части.

Объект исследования

Промышленные стоки АО «УК ТМК»

Предмет исследования

Промышленные стоки

Научная новизна и практическая значимость

В отличии от существующих технологий очистки промстоков

Титано-магниевого производства, основанных на других методах, предлагается, применение процесса декантации с использованием метода

центрифугирования и термических методов деминерализации с использованием

способа вакуумного выпаривания фугата. Такая технология позволяет значительно сократить количество твердых остатков и способствует созданию более эффективного замкнутого цикла водоснабжения.

Задачи:

- провести анализ условий формирования промышленных сточных вод и технологии их обезвреживания;

- получение минеральных загрязнений в твердом виде, что удобно при их утилизации, транспортировке, а также при захоронении с использованием методов центрифугирования и выпаривания промышленных стоков в вакууме при низких температурах;

1 Исследование возможности деминерализации промстоков титано-магниевого производства методом вакуумной возгонки

1.1 Аналитический обзор, различных методов отчистки, показал целесообразность применения термических методов для деминерализации промышленных стоков титано-магниевого производства. С этой целью был опробован способ термического обессоливания с использованием роторного вакуумного испарителя IKA – RV - 10

Рисунок 1 -Лабораторный роторный вакуумный испаритель

Упаривание с помощью роторных (пленочных) испарителей наиболее эффективный способ удаления воды и растворителей при низких температурах. Колба с упариваемой жидкостью, вращающаяся в наклонном положении вокруг своей оси, присоединена к водяному холодильнику и к источнику вакуума. При вращении колбы на ее внутренней поверхности постоянно образуется пленка жидкости, а внешняя поверхность равномерно нагревается на бане. В этих условиях перегрев и вскипание жидкости исключается, а испарение, благодаря большой поверхности, протекает очень быстро.

2. Исследование возможности прямой вакуумной возгонки промстоковтитано-магниевого производства на роторном вакуумном испарителе

В таблицах 1 - 3 и на рисунках 2 и 3 приведены данные поисковых опытов прямой вакуумной возгонки промстоковтитано-магниевого производства в зависимости от температуры процесса в течении 30 минут при давлении, создаваемым водоструйным насосом менее 50 мбар).

Таблица 1 - Bлияние температуры на содержание компонентов в конденсате при прямой вакуумной отгонке промстоков(давление менее 50 мбар, продолжительность 30 минут)

Компонент

Содержание компонентов в конденсате, мг/дм³

Температура процесса, ^оС

Ti

0,0212

0,0665

0,1296

Ca

7,58

5,96

2,520

Fe(oб)

1,530

0,12

0,370

Mg

12,160

7,230

6,460

Na

15,530

8,720

7,080

K

30,00

10,00

10,00

Zn

0,890

0,77

0,48

V

0,0226

0,0195

0,020

Cu

0,0292

0,03600

0,0399

Cr

0,0429

0,0525

0,0626

Mn

0,01

0,05

0,014

Li

0,002

0,0036

0,0037

Al

0,78

0,26

0,31

Zr

0,161

0,0066

0,236

Nb

0,013

0,0033

0,021

Рb

0,023

0,011

0,008

Cd

0,0013

0,021

0,024

Лантаноиды

0,039

0,036

0,039

U

менее 0,0001

менее 0,0001

менее 0,0001

Th

менее 0,0001

менее 0,0001

менее 0,0001

Cs

менее 0,0001

менее 0,0001

менее 0,0001

Ва

0,034

0,019

0,012

Нитраты

<0,5

0,7

<0,5

Нитриты

0,06

0,07

0,13

Аммоний солевой

0,4

0,3

<0,3

Сульфаты

<20

<20

<20

Хлориды

17,0

26,0

26,0

Взвешенные вещества

-

-

-

Сухой остаток

Минерализация

Жесткость

ммоль/дм³

1,0

0,75

0,5

рН

6,95

6,95

6,97

Таблица 2 - Bлияние температуры на содержание компонентов в остатке при прямой вакуумной отгонке промстоков(давление менее 50 мбар, продолжительность 30 минут)

Компонент

Содержание компонентов в остатке, % (масс)

Температура процесса, ^оС

Ti

1,836

2,026

2,638

Ca

20,590

21,640

23,350

Fe(oб)

2,213

2,490

3,160

Mg

2,191

2,237

2,605

Na

1,506

1,552

1,643

K

3,221

3,399

3,562

Zn

0,0064

0,0075

0,0089

V

0,0132

0,0147

0,0186

Cu

0,0049

0,0037

0,0035

Cr

0,0383

0,0490

0,0554

Mn

0,0561

0,0579

0,0711

Li

0,0010

0,0010

0,0012

Al

1,461

1,795

1,989

Zr

0,7530

0,7980

0,7826

Nb

0,2893

0,3111

0,4168

Рb

0,0014

0,0012

0,0013

Cd

0,0001

0,0002

0,0002

Лантаноиды

0,0018

0,0019

0,0021

U

менее 0,0001

менее 0,0001

менее 0,0001

Th

0,0002

0,0002

0,0003

Cs

менее 0,0001

менее 0,0001

менее 0,0001

Ва

0,0130

0,0132

0,136

Влажность

86,81

69,44

51,35

Таблица 3 – Результаты поисковых опытов прямой возгонки промстоков на роторном вакуумном испарителе (давление менее 50 мбар, продолжительность 30 минут)

Вес промстоков, грамм

Темпера-тура, ^оС

Конденсат

Остаток после отгонки

кол-во, г

Извлече-ние, %

Масса остатка, г

Влажность,%

Выход,%

245,74

48,83

125,74

95,83

52,17

253,39

59,20

103,39

86,68

40,80

239,77

80,91

45,77

69,44

19,09

257,02

88,71

29,02

51,35

11,29

Рисунок 2 – Влияние температуры процесса прямой вакуумной возгонки промстоковтитано-магниевого производства на влажность полученных остатков (продолжительность процесса 30 минут, давление менее 50 мбар)

Рисунок 3 – Влияние температуры процесса прямой вакуумной возгонки промстоковтитано-магниевого производства на выход конденсата и остатка (продолжительность процесса 30 минут, давление менее 50 мбар)

На рисунках 4-6 представлен внешний вид осадков(после подсушивания), полученных при вакуумной отгонке промстоковтитано-магниевого производства при различных температурах процесса.

Рисунок 4 - Внешний осадка, полученного при прямой вакуумной возгонке промстоков титано-магниевого производствапри температура 50^оС

Рисунок 5 - Внешний осадка, полученного при прямой вакуумной возгонке промстоков титано-магниевого производства при температура 60^оС

Рисунок 6 - Внешний осадка, полученного при прямой вакуумной возгонке промстоков титано-магниевого производства при температура 70^оС

Как показали результаты поисковых опытов прямой вакуумной возгонки промстоковтитано-магниевого производства при температуре 70^оС можно получить остаток влажностью 51,35 %.

Химический фазовый анализ остатков, полученных при температуре возгонки 70^оС, показал следующее:

- 36,5% кальция находится в остатке в виде хлорида (8,52%); 53,5% кальция в виде карбоната (12,49%); 10% в виде сульфата, связанного с алюмосиликатом (2,34%).

- 42% титана находится в остатке в виде ильменита (1,11%); 58% - в виде рутила (лейкоксена) (1,53%).

-около 60 % железа находится в виде оксида (1,9%), остальное связано с ильменитом (1,26%).

Конденсат, полученный при вакуумной возгонке соответствует техническим условиям СТ АО 00202028-132-2013 АО «УК ТМК» вода промышленная оборотного водоснабжения, мг/дм³: хлориды – не более 500(в конденсате 120); сухой остаток - не более 2000(в конденсате 100); взвешенные вещества - не более 50 (в конденсате - н/о); минерализация - не более 1000 (в конденсате – 150).

Внедрение технологии прямой деминерализации промстоковтитано-магниевого производства методом вакуумной возгонки будет способствовать сокращению количества твердых остатков (до 23-26 т/сутки, влажностью 50-60%) и созданию более эффективного замкнутого цикла водоснабжения на АО «УК ТМК».

3. Исследование возможности деминерализации растворов, полученных после фильтрации промстоковтитано-магниевого производства

Поисковый опыт проводили с использованием раствора, полученного после фильтрации промстоковтитано-магниевого производства. Результаты исследований представлены в таблицах 4-6 и на рисунке 7.

Таблица 4 – Химический состав конденсата, полученный при вакуумной возгонке растворов после фильтрации промстоковтитано-магниевого производства(давление менее 50 мбар, температура 70^оС, продолжительность 30 минут)

№

Компонент

Содержание в конденсате, мг/дм³

Ti

0,102

Ca

0,041

Fe(oб)

0,135

Mg

0,013

Na

0,083

K

0,020

Zn

0,151

V

0,004

Cu

0,025

Cr

0,208

Mn

1,091

Li

0,016

Al

1,31

Zr

0,007

Nb

0,005

Рb

0,008

Cd

менее 0,0001

Лантаноиды

0,047

U

менее 0,0001

Th

менее 0,0001

Cs

0,001

Ва

0,042

Нитраты

0,8

Нитриты

0,4

Аммонийсолевой

<0,3

Сульфаты

<20

Хлориды

Сухойостаток

-

Жесткость

ммоль/дм³

4,0

рН

6,95

Взвешенныевещества

-

Таблица 5 – Химический состав остатка после вакуумной возгонки

№

Компонент

Содержание, % (масс)

Ti

0,008

Ca

29,61

Fe(oб)

0,107

Mg

3,02

Na

2,201

K

8,329

Zn

0,0025

V

0,0008

Cu

0,00107

Cr

0,0084

Mn

0,0741

Li

0,00114

Al

0,0272

Zr

0,0185

Nb

0,00727

Рb

0,0013

Cd

0,00001

Лантаноиды

0,00034

U

0,00004

Th

0,00002

Cs

0,00004

Ва

0,0116

Таблица 6 - Материальный баланс процесса вакуумной возгонки растворов, полученных после фильтрациипромстоковтитано-магиевого производства

Поступило

Получено

Наименование

Количество

Наименование

грамм

%

грамм

%

Фильтрат

Конденсат

815,0

94,00

Остаток

51,31

5,92

невязка

0,69

0,08

Итого

Итого

Рисунок 7 – Внешний вид остатка, полученного при вакуумной возгонке фильтрата (давление менее 50 мбар, температура 70^оС, продолжительность 30 минут)

В конденсате, полученном при вакуумной возгонке фильтрата промстоков отмечается повышенное содержание титана, что можно объяснить летучестью хлоридов титана при низких температурах. Остаток после вакуумной возгонки содержит в основном хлориды щелочных и щелочно-земельных металлов, % (масс): 80 – 82 CaCl₂; 10–11MgCl₂; 5 –6 NaCl; 4 – 5 KCl.

Внедрение технологии деминерализации растворов, полученных после фильтрации промстоковтитано-магниевого производства, методом вакуумной возгонки будет способствовать созданию замкнутого цикла водоснабжения на АО «УК ТМК». При этом будет образовываться до 12-13 т/сутки остатка влажностью 70-80%, содержащие в основном хлориды кальция, калия, натрия и магния.

Список литературы:

1. А. Аширов Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. /Ленинград: Изд-во - Л.: «Химия», 1983 г. - 295 с.

2. А.И. Родионов Технологические процессы экологической безопасности. /А.И. Родионов, В.Н. Клушин, В.Г. Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2000. - 800 с.

3. C.B. Яковлев. Водоотведение и очистка сточных вод. Учебник для вузов. /C.B. Яковлев, Ю.В. Воронов. Москва. -М.:АСВ, 2004-704 с.

4. С.П. Высоций, М.В. Ковальчик. Анализ параметров роботы мембранного оборудования разных производителей. www.adi.donntu.edu.ua.

5. P.Hillis. Membrane Technology in water and wastewater treatment./Peter Hillis - The Royal Society of Chemistry: 2000 - 269 p.

6. R. Peterson. Composite reverse osmosis and nanofiltration membranes.Journal of membrane science. - 1993. - Vol.83. - № 1 - p. 81-92.

7. D. Wang, K. Li, W.K. Teo. Preparation of Poly(ethersulfone) and Poly(ether imide) Hollow Fiber Membranes For Gas Separation: Effect of Internal Coagulant./ In Membrane Formation and Modification - 2000 - Vol.744 - p.96-109.

8. И.А. Кутузова, Г.Б. Кожемякин.    Анализ и пути решения проблемы обезвреживания высокоминерализованных жидких отходов промышленных предприятий /Вестник ХНАДУ, вып. 52, 2011. –С. 78-82.

9. Р.И. Розваг. Биотехнология очистки промышленных сточных вод предприятий уральского региона. /Р.И. Розваг. //Цветная металлургия. - 1994 -№4-5, С. 39-41.

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?