Технологии удаления ртути

Thread Content

Аннотация: Ртуть представляет огромную опасность как для человека, так и для животных и растений. Она может попадать в организм человека различными способами; в основном она накапливается в печени, почках, мозге, сердце, костном мозге и других тканях. Со временем это приводит к смерти. Поэтому вопрос о том, как эффективно обнаруживать и устранять эти тяжелые металлы, такие как ртуть, является предметом серьезной озабоченности специалистов в области охраны окружающей среды. В данной статье на основе многолетнего практического опыта автора кратко рассматриваются методы обнаружения и устранения ртути — одного из тяжелых металлов — для использования коллегами в качестве справочного материала. 　　Ключевые слова: обнаружение ртути ； Ртутные сточные воды ； Технологии управления 　　 1. Определение ртути 　　 1.1 Метод холодного атомного поглощения 　　 Этот метод подходит для определения содержания ртути в различных видах вод. Минимальная чувствительность метода составляет 0,1–0,5 частиц ртути на единицу объема (эта величина может варьироваться в зависимости от чувствительности прибора и объема взятой пробы). 　　Пары атомов ртути селективно поглощают ультрафиолетовое излучение длины волны 253,7 нм. В определенном диапазоне концентраций абсорбция пропорциональна концентрации ртути. 　　После разложения водного образца все формы ртути превращаются в двухвалентную ртуть. Затем дивалентная ртуть восстанавливается с помощью хлористого цинка до элементарной ртути. Пары ртути, образовавшиеся, подаются с помощью носителя газа в камеру поглощения прибора для измерения поглощения света. Значение поглощения сравнивается с значением поглощения у стандартных растворов ртути для количественной оценки. 　　Используется прибор для измерения содержания ртути на основе абсорбции холодными атомами: низконапряженная лампа ртути излучает ультрафиолетовое световое излучение длиной волны 253,7 нм. Это излучение проходит через фильтр ультрафиолетового света и попадает в камеру абсорбции. Часть пар ртути, выделившейся в результате восстановления в образце, поглощается. Оставшийся ультрафиолетовый свет фокусируется с помощью кварцевых линз на фотомультипликаторе. При этом возникающий световой ток усиливается с помощью электронной системы усиления, после чего он поступает на индикатор или записывается в регистратор. После калибровки шкалы индикатора с помощью стандартных образцов можно непосредственно определить концентрацию ртути. Канал генерации паров ртути выглядит следующим образом: насос для откачки воздуха засасывает носительный газ (воздух или азот) в флакон, в котором находятся предварительно обработанные пробы воды и диоксид олова(II). В этом флаконе образуются пары ртути; затем они вместе с носительным газом проходят через фильтр из молекулярных сит, где удаляется вода. После этого пары ртути попадают в ёмкость для измерения степени их поглощения. Далее они проходят через расходомер и устройство для удаления ртути (специальное устройство для поглощения ртути из отходящих газов). 　　 1.2 Спектрофотометрия излучения в индуктивно-связанной плазме (ICP-OES) 　Спектрофотометр излучения в индуктивно-связанной плазме (сокращенно ICP-OES) в настоящее время является одним из основных устройств для количественного анализа неорганических тяжелых металлов. Принцип заключается в использовании аргонового плазмы с температурой до 10000 К для возбуждения исследуемого элемента. При возвращении возбужденного элемента в стабильное основное состояние из-за нестабильности энергии он излучает свет со специфической длиной волны. Затем с помощью интенсивности сигнала на этой специфической длине волны проводится количественный анализ. 　　ICP-OES — это прибор, позволяющий проводить анализ нескольких элементов при использовании разных длин волн за одну загрузку образца, поэтому он обеспечивает быструю оценку при необходимости анализа множества элементов в одном и том же образце. Благодаря высокой энергии возбуждения и точной оптической конструкции он обеспечивает высокую чувствительность и стабильность, что делает его идеальным выбором для высокоточного анализа. Во многих стандартных методах тестирования он указывается в качестве оборудования для анализа. 　　 1.3 Спектрофотометрия атомного поглощения (AAS) Спектрофотометрия атомного поглощения (сокращенно AAS) представляет собой относительно традиционный современный метод анализа. В этом методе для превращения атомов исследуемого элемента в газообразное состояние используется пламя или электрическое нагревание (в случае использования графитовой печи). Затем происходит количественный анализ на основе пропорциональности между степенью поглощения света и концентрацией исследуемого элемента. Атомно-абсорбционный анализ в графитовой печи не рекомендуется для ежедневного анализа неорганических веществ, ограниченных правилами RoHS, поскольку он позволяет определять концентрации чрезвычайно низкие, требует много времени, имеет высокую стоимость и сложен с технической точки зрения. Вместо этого рекомендуется использовать обычные спектрофотометры с атомно-абсорбционным методом. Поскольку для работы прибора требуется использование воздушной катодной лампы, метод AAS обычно позволяет анализировать только один элемент за раз; поэтому при необходимости анализа нескольких элементов в одном образце процесс занимает много времени. В современной инструментальной практике была разработана технология AAS с быстрой последовательной обработкой образцов, аналогичная методу ICP-OES. Благодаря ей возможна последовательная замена элементов при анализе одного и того же образца, что помогает преодолеть недостаток медленной скорости работы метода AAS. Кроме того, благодаря этому особому способу анализа, у устройств AAS с быстрой последовательностью измерений имеется функция коррекции с использованием внутреннего стандарта, что дополнительно обеспечивает точность результатов анализа. 　　 2. Современные технологии обработки сточных вод, содержащих ртуть 　　 2.1 Химический метод осаждения 　　 2.1.1 Метод нейтрализации и коагуляции для осаждения 　　 В сточные воды, содержащие тяжелые металлы в виде ртути, добавляют щелочной нейтрализатор. Это приводит к реакции ионов ртути с гидроксильными группами, в результате чего образуются нерастворимые гидроксиды ртути, которые затем можно отделить. 　　Метод конденсации и осаждения также может эффективно удалять тяжелый металл ртуть из сточных вод. В щелочной среде соли алюминия и железа способны образовывать гельатные частицы с высокой способностью к адсорбции. Эти частицы могут не только адсорбировать ионы ртути из сточных вод, но и улавливать взвешенные ионы ртути, образуя с ними осадок. Например, в сточные воды добавляют известковое молоко и коагулянты на основе железа или алюминия; при слабощелочной среде с pH 8–10 гидроксиды ртути и железа или алюминия выпадают в виде флокул. Если содержание ионов ртути в сточных водах составляет 2, 5, 10, 15 мг/л, то содержание ионов ртути в выходных водах будет соответственно 0,02 мг/л, менее 0,1 мг/л, менее 0,3 мг/л и менее 0,5 мг/л. 　　 2.2 Метод осаждения сульфидами 　　 2.2.1 Основные принципы и особенности метода осаждения сульфидами 　 Метод осаждения сульфидами представляет собой процесс, при котором в сточные воды добавляются сульфиды, такие как натрий сульфид или водород сульфид; это приводит к реакции ионов тяжелых металлов с ионами серы с образованием нерастворимых сульфидов металлов. Поскольку ионы тяжелых металлов обладают сильной способностью к связыванию с дисульфид-анионами, что приводит к образованию сульфидов с низкой степенью растворимости, использование сульфидов для удаления растворенных ионов ртути из сточных вод является эффективным методом обработки. 　　Обработка сточных вод, содержащих ртуть, должна проводиться в слабощелочной среде. Обычно в такие сточные воды добавляют известковое молоко и избыток сульфида натрия. При pH 9–10 сульфид натрия реагирует с ионами ртути в сточных водах, в результате чего образуется нерастворимый осадок сульфида ртути. 　　Зерна ртути сульфида имеют очень мелкий размер; большая их часть находится в состоянии суспензии в кипящей воде. Чтобы ускорить осадение ртути сульфида и одновременно удалить из сточных вод избыточные ионы серы, добавляют ферросульфат, в результате чего образуются осадки железа сульфида и гидроксида железа. 　　Показатель растворимости ртути сульфида значительно меньше, чем у железа сульфида; поэтому осадок, образующийся, в основном представляет собой ртуть сульфид. Он оседает вместе с гидроксидом железа(II). 　　В определенных стоках содержание ртути составляет 0,6–2 мг/л. После того, как pH снижается до значения 9 с помощью известкового раствора, добавляется раствор сульфида натрия концентрацией 3%. Затем смесь перемешивают в течение 10 минут ； Добавляют ещё раствор сульфата железа 6%, затем смешивают в течение 15 минут, оставляют настаиваться для осаждения в течение получаса; после этого фильтрат соответствует стандартам выбросов. Осадок содержит 40–50% ртути; после центрифугирования и высыхания его отправляют в печь для спекания с целью восстановления металлической ртути. Содержание ртути в шлаке после обжига может снизиться до 0,01%. 　　В определенных сточных водах содержание ртути составляет 5 мг/л; pH находится в диапазоне от 4,5 до 6,5. В этих водах также присутствуют ионы ферроза. После обработки известковым раствором и сульфидом натрия уровень ртути снижается до 0,05 мг/л. На 1 кубический метр сточных вод требуется 0,5 кг извести и 0,05 кг промышленного сульфида натрия. 　　Метод осаждения сульфидами — это эффективный способ удаления ионов тяжелых металлов из кипящей воды. Обычно, чтобы обеспечить полное удаление тяжелых металлов, необходимо добавлять избыток сульфидов. Этот избыток сульфидов часто приводит к образованию газа сероводорода, что может способствовать возникновению вторичного загрязнения. Поэтому этот метод имеет ограниченное применение. 　　 3. Усовершенствование и развитие метода осаждения сульфидами Для выделения тяжелых металлов из сточных вод без образования вредного газа сероводорода, приводящего к дополнительному загрязнению, в сточные воды, подлежащие обработке, целенаправленно добавляют ионы сульфидов и ионы тяжелого металла. Эти ионы тяжелых металлов образуют с добавленными ионами сульфида соединения сульфидов; концентрация ионов в этих соединениях выше, чем концентрация ионов сульфидов загрязнителей-тяжелых металлов, которые необходимо устранить. Поскольку сульфиды тяжелых металлов, добавленные в сточные воды, растворяются легче, чем сульфиды тяжелых металлов, уже присутствующих в них, ионы тяжелых металлов, изначально находившиеся в сточных водах, отделяются раньше, чем ионы тяжелых металлов, добавленные внешне. Таким образом, добавленные ионы тяжелых металлов действуют как своего рода очистители по отношению к избытку сульфидов. В то же время это предотвращает образование вредных ионов сульфида водорода и сульфидов. Кроме того, при определенных условиях добавляемые тяжелые металлы способствуют совместному осаждению других сульфидов металлов, что улучшает качество очищенных сточных вод. 　 　3.1 Метод окисления железа 　　 В сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов, добавляют соли железа; с помощью метода совместного осаждения из этих вод получают порошок феррита. 　　Если в одной и той же воде сосуществуют двухвалентные ионы железа и двухвалентные ионы металлов, не являющихся железом, то при добавлении определенного количества щелочи в раствор происходит следующая реакция: образуется темно-зеленая смесь водорода и кислорода. Когда это смешение под воздействием определенных условий окисляется в воде, происходит его повторное разложение с образованием комплексов; в итоге образуется черное соединение спинелевого типа (феррит). Уравнение реакции выглядит следующим образом: при добавлении щелочи в сточные воды, в которых трехвалентные ионы железа присутствуют в соотношении 2:1 к двухвалентным ионам железа, также может образовываться феррит. Однако этот метод не подходит для получения порошка, используемого в ферритах, поскольку трудно контролировать состав и размер частиц. Однако в процессе вышеописанных реакций, путем правильного выбора концентрации ионов железа и контроля температуры сточных вод, можно легко получить ферит с идеальным составом и размером частиц. 　　Этот метод подходит для сточных вод, содержащих тяжелые металлы с плотностью 3,8 г на кубический сантиметр и выше, такие как ртуть. 　　 3.2 Метод восстановления 　Согласно теории электродного потенциала, металлы с низким электродным потенциалом способны вытеснять из раствора металлы с более высоким электродным потенциалом. Таким образом, железные и алюминиевые частицы, цинк, медь, диоксид олова и т. д. могут восстанавливать ионы ртути до металлической ртути, что приводит к её осаждению. 　　3.2.1 Метод восстановления с использованием медных опилок Для обработки сточных вод, содержащих нитрат ртути(II), сульфат ртути(II), а также нитрат ртути(I) и сульфат ртути(I), используется метод восстановления с применением медных опилок. Эффективность извлечения ртути составляет примерно 99%. 　　Например, в некоторых сточных водах содержание ртути составляет 100–300 мг/л, а значение pH — 1–4. После осаждения сточные воды проходят с скоростью 5–10 м/ч через два фильтра из листов меди. В результате содержание ртути в выходных водах снижается до примерно 0,05 мг/л; эффективность очистки составляет 99%. Однако при pH, равном или большем 10, эффективность очистки значительно снижается. 　 3.2.2 Метод восстановления с использованием частиц цинка 　В зарубежных странах было показано, что использование фильтров с частицами цинка эффективно для обработки сточных вод, содержащих ртуть. Утверждается, что сточные воды с концентрацией ионов ртути 100 000 микрограммов на литр могут быть очищены за 13 секунд до уровня 20 микрограммов на литр с помощью фильтрующего слоя, состоящего из частиц цинка диаметром около 2 мм и толщиной 10 см. При более толстом фильтрующем слое концентрация ртути может быть снижена до 2 микрограммов на литр за 60 секунд. Обработка сточных вод в диапазоне pH=5–10 является эффективной. 　　 3.2.3 Метод с использованием боргидрида натрия 　В этом методе сточные воды, содержащие неорганические соединения ртути, смешиваются с щелочным раствором боргидрида натрия концентрацией 12% в специальном устройстве для статического смешивания. Уровень pH поддерживается на уровне от 9 до 11. Боргидрид натрия также превращает соединения ртути в металлическую ртуть и водород. Выделяющийся водород очищается с помощью разбавленной серной кислоты, чтобы удалить пары ртути. Отходы, образовавшиеся в результате дегидратации, поступают в циклональный осадитель; 80–90% ртути выделяется вместе с этими отходами ； Очищенная вода затем поступает в фильтр для дальнейшей очистки; содержание ртути в сточных водах при этом обычно составляет менее 0,01 мг/л. Ртуть перерабатывается путем очистки вакуумной дистилляцией. 1 кг гидрида натрия может восстанавливать 21 кг ртути. Осадок, получаемый при этом методе, представляет собой металлическую ртуть, поэтому её легко восстановить. 　　 3.3 Метод электролитического отделения путем всплытия Метод электролитического отделения путем всплытия – это способ очистки и разделения веществ, основанный на использовании электролитических реакций, процессов вторичного осаждения, а также физических явлений, таких как всплытие и адсорбция. Этот метод обычно используется для удаления из сточных вод веществ с низкой плотностью, таких как жиры, эмульсии и органические взвеси. 　　 3.4 Метод ионного обмена 　　 Ртуть в сточных водах присутствует в виде двухвалентных катионов ртути, анионных комплексов и свободной металлической ртути. С помощью обычных сильнокислотных анионных сменных смол можно удалить комплексные анионы ртути, однако эффективность такой обработки низкая: содержание ртути в выходной воде остается выше 0,1 мг/л. Кроме того, на способность смолы к обмену ртутью влияет наличие других анионов, особенно при высоком содержании хлоридов. Используя свойство ртути и серы, способных образовывать крайне стабильный сульфид ртути, была синтезирована ионно-обменная смола с большими порами, содержащая тиолгруппы. Она эффективно удаляет ртуть; концентрация ртути в выходной воде может составлять от 0,05 до 0,005 мг/л. У этой смолы высокая емкость обмена, к тому же она не подвержена влиянию других солей, присутствующих в сточных водах. 　　 3.5 Метод адсорбции с использованием активного угля 　　 Активный уголь может адсорбировать ртуть, содержащуюся в сточных водах. Эффективность такой обработки зависит от количества и формы ртути в сточных водах, вида и количества активного угля, а также времени контакта. Чем меньше степень диссоциации в воде и чем больше радиус ионов у ртутных соединений, тем легче они поддаются адсорбции, и тем лучше эффективность обработки; наоборот, чем меньше эти показатели, тем хуже результаты. Кроме того, краткое резюме: ртуть представляет огромную опасность как для человека, так и для животных и растений. Ртуть может попадать в организм человека различными способами; в основном она накапливается в печени, почках, мозге, сердце, костном мозге и других органах. Со временем это приводит к смерти. Поэтому вопрос о том, как эффективно обнаруживать и устранять эти тяжелые металлы, такие как ртуть, является предметом серьезной озабоченности специалистов в области охраны окружающей среды. В данной статье на основе многолетнего практического опыта автора кратко рассматриваются методы обнаружения и устранения ртути — одного из тяжелых металлов — для использования коллегами в качестве справочного материала. Заключение: Ртуть — это токсичный тяжелый металл, представляющий серьезную опасность для человека; в прошлом он уже наносил людям значительный ущерб. В наши дни, когда технологии развиваются с огромной скоростью, у нас уже есть различные приборы для анализа и эффективные методы обработки. Однако главным способом предотвращения загрязнения окружающей среды ртутью является сокращение её использования. Поэтому в повседневной жизни мы должны разумно использовать продукты, содержащие ртуть, чтобы сократить загрязнение ею. Кроме того, мы также должны сосредоточиться на технологиях борьбы с загрязнением ртутью и надеемся на появление более эффективных методов его устранения.