Перспективы использования цеолитов в системе ЖКХ в решении вопросов водоочистки и экологии.
Соболева Н.Ф.
ООО «Сибирь-Цео», Новосибирск, Россия
Цеолиты (в переводе с греческого «кипящие» или «вскипающие камни») были открыты шведским исследователем Кронштедом почти 250 лет назад, но до начала 20-го столетия на эти минералы не обращалось сколько-нибудь серьёзного внимания.
По химической структуре цеолиты – это алюмосиликаты. Их скелетная структура содержит пустоты, занятые крупными ионами и молекулами воды, что приводит к ионному обмену и обратимой дегидратации. Кристаллическая решётка цеолитов сформирована тетраэдрами, в центрах которых находятся атомы кремния и алюминия, а в вершинах – атомы кислорода. Суммарный отрицательный заряд атомов кислорода не скомпенсирован суммарным положительным зарядом атомов кремния и алюминия, поэтому кристаллическая решётка несёт в себе избыточный отрицательный заряд. Это приводит к тому, что во внутренних полостях цеолитов содержится много катионов, в основном щелочных и щелочноземельных металлов, которые могут заменять друг друга.
Таким образом, цеолиты обладают свойством ионообменника. Примечательной особенностью цеолитов является наличие системы пустот и каналов в их структуре, которые могут составлять до 50% от общего объёма цеолита, что обуславливает его ценность как сорбента. Входные отверстия из каналов в полости цеолитов, образованные кольцами из атомов кислорода, — наиболее узкие места каналов. Формой и размерами этих окон определяются величины ионов и молекул, которые могут проникнуть в полости, на чём основано применение цеолитов в качестве молекулярных сит. Цеолиты характеризуются высокой ионообменной селективностью к радиоактивным элементам, сорбционной способностью к тяжёлым металлам, фенолу, аммонийному азоту и др.
В настоящее время цеолиты используются очень широко (см. Табл. 1).
|
Отрасль
|
Вид и цель применения
|
|
Промышленность, коммунальное хозяйство
и экология
|
· Сорбция и ионный обмен.
· Очистка хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод от радиоактивных, химических веществ и тяжелых металлов.
· Охрана и очистка подземных вод.
· Подготовка питьевых вод.
|
|
Животноводство
|
· Биостимулирующие добавки к кормам животных.
· Комбикорма в птицеводстве.
· Комбикорма в пушном звероводстве и кормлении диких кур.
· Комбикорма в рыбоводстве.
· Дезодорация воздуха производственных помещений.
· Гигиенические подстилки для скота.
|
|
Растениеводство
|
· Тепличное хозяйство.
· Улучшение структуры и свойств почв.
· Пролонгаторы действия (носители) пестицидов, гербицидов, минеральных удобрений, дезинфицирующих средств.
· Получение суперфосфата.
· Выращивание цветочных культур (хризантемы, розы, гвоздики, цинерарии и др.).
· Стимулирование роста растений.
|
|
Пищевая промышленность
|
· Чаеводство, виноделие и пивоварение.
· Рафинирование масел, сиропов, напитков.
· Длительное хранение фруктов и овощей (опудривание).
|
|
Медицина
|
· Катализ реакций в организме.
· Радиопротекторы.
· Сорбционная терапия.
· Коррекция микроэлементозов.
|
|
Экология
|
· Очистка стоков (от азота аммонийного; от токсичных ионов тяжелых металлов: медь, ртуть, хром, никель, цинк и других вредных компонентов, например, нефтепродукты, фенолы).
· Захоронение радиоактивных отходов.
· Дезактивация пораженных радиацией территорий: воздух, вода, почва, растения, животные, продукты питания, техника, строения и др.
|
Наиболее «древней» проблемой, которая решалась с помощью цеолитов, была очистка воды. Благодаря своим уникальным адсорбционным, ионообменным и каталитическим свойствам природные цеолиты гораздо успешнее, чем, например, кварцевый песок, работают в фильтрах очистных сооружений и станций водоподготовки.
Первые испытания свойств природных цеолитов в России проводились в 1913 г. на опытном комбинированном фильтре станции Ейск Московско-Курской железной дороги с целью умягчения московской водопроводной воды и воды из артезианской скважины для котлов паровозов. Первое промышленное месторождение цеолитов было открыто в 1969 г. на территории Туркмении (Бадхызское). После этого стала создаваться сырьевая база нового вида полезного ископаемого – цеолитовых туфов, и началось их использование в разнообразных целях. В 90-х годах разрабатывалось несколько десятков цеолитовых месторождений в России и за рубежом.
В журнале «Экология и промышленность» за 1996 г. опубликована статья доктора технических наук Р.А. Беляева, представляющего Амурский научный центр ДВО РАН. «На протяжении более пяти лет работы очистные сооружения с цеолитовой загрузкой (клиноптилолит) давали стабильное снижение в осветлённой воде содержания хлоридов, сульфатов, меди, марганца, железа, остаточного алюминия, а также общей жёсткости. Все эти показатели значительно ниже ПДК. С помощью цеолитовых фильтров можно очищать воду от меди, марганца, никеля, соединений железа в повышенных концентрациях.
Цеолит как ионообменник катионного типа извлекает из воды тяжёлые металлы, по сравнению с синтетическими смолами обладает повышенной избирательностью к ионам цезия и стронция. Эффективны цеолиты и в отношении органических соединений, например, концентрация наиболее распространённого в воде канцерогена бензапирена уменьшается в 260 раз».
В г. Мирном (Республика Саха, Якутия) замена загрузки действующих кварцевых фильтров очистных сооружений на цеолит позволила повысить производительность сооружений почти в два раза.
Доказаны несомненные преимущества цеолитовой загрузки скорых фильтров по сравнению с кварцевой на водоочистных сооружениях городов Коростель (Днепр), Петропавловск-Камчатский, Комсомольск-на-Амуре, Владивосток и др. Очень важно то, что цеолитовые фильтры выполняют серьёзную роль при очистке воды от тяжёлых металлов (меди, цинка, свинца, кобальта, никеля), радиоактивных изотопов (стронция, цезия, урана) и биогенных веществ (ионов аммония). Успешно применение цеолита также для обезжелезивания, деманганации воды, очистки воды от микроорганизмов, в т.ч. кишечных вирусов.
Очистка сельскохозяйственных и промышленных стоков и выбросов в атмосферу – одна из важнейших сфер применения цеолитов во всём мире, например, в г. Траки (США, штат Калифорния) с 1978 г. работает очистная установка (40 т природного цеолитового туфа, содержащего до 70% минерала клиноптилолита), очищающая 270 м3/ч сточных вод, содержащих аммоний, кальций, натрий, магний, калий. При проектировании установки этому способу очистки было отдано предпочтение перед биологической системой в связи с высоким стандартом чистоты и низкой температурой сточных вод. Такие же и более крупные системы очистки построены в других местах США.
