Роль микроскопии в очистке отходов

Вода, которая бежит из крана, берется из двух источников: поверхностного и подземного. Крупные города с населением более 5–10 тысяч человек работают по бинарной схеме, когда вода поступает из обоих источников. Учитывая, что реки и озёра истощаются и загрязняются из года в год, всё большая доля уходит на подземные воды. Без очистки их пить нельзя, всегда есть излишняя минерализация.

Чтобы исключить минерализацию, воду пропускают через фильтры. Со временем фильтры засоряются, и их очищают от грязи. Вода, которой промывали фильтры, и в которой теперь содержатся частицы минералов и осадки, называется промывной. Вместо утилизации выгоднее извлекать из неё минералы в виде порошка и использовать его в производстве.

Например, на территории всей западно-сибирской равнины — это ХМАО, ЯНАО, Тюменская область, Томск — промывные воды содержат до 170–210 мг/дм железа, практически чистая ржавчина. И это не предел. Есть источники, где 97% компонента в отходе — это ржавчина в виде лимонита, гематита и магемита. Такие отходы выгоднее использовать для добычи порошка металлов и минералов, нежели утилизировать.

Существуют готовые инженерные решения, как из промывных вод получить концентрированную грязь и порошок. Задача исследования — получить как можно более качественное сырье и сделать выгодной конечную утилизацию.

Микроскопия помогает определить выгодный способ обработки материалов

Чтобы выяснить, какой способ обработки и добычи сырья наиболее выгоден, провели испытания: час выдерживали образец в температурах 400–600°С и исследовали гранулометрический состав образцов.

Осадок СОПВ 1 час восстанавливался в среде монооксида углерода при температурах 400–600°С. Затем частицы в течение 1 часа обрабатывались ультразвуком и измельчались в порошок. Гарнуметаллический состав части смотрели на электронном микроскопе.

На рисунке ниже — снимок исходного образца для сравнения с результатами после термообработки и диспергирования.

Микрография исходного образца.
Автор: Максимов Л.И.

На микрографии образца, обработанного при 400°С, видны квазисферические частицы, подверженные слипанию. Помол таких частиц будет неравномерным.

Микрография осадка, обработанного при 400°С.
Автор: Максимов Л.И.

На фотографии ниже — образцы, обработанные при 450°С в среде монооксида углерода. Частицы имеют сферическую форму, низкий уровень слипания, почти отсутствует открытая пористость. На основе таких частиц получится оптимальный порошок.

Микрография осадка, обработанного при 450°С.
Автор: Максимов Л.И.

В образцах, обработанные при 500°С, частицы активно слипаются, а некоторые — сплавляются. При помоле это может привести к потере сферической формы и приобретении осколочной.

Микрография осадка, обработанного при 500°С.
Автор: Максимов Л.И.

Увеличив температуру обработки еще до 550°С, видно, что частицы сильнее сплавляются, появляются сколы и открытая пористость.

Микрография осадка, обработанного при 550°С.
Автор: Максимов Л.И.

На 600°С частицы слиплись друг с другом, а открытые поры засорились и закупорились. Это повышает хрупкость сырья, снижает его качество и ценность.

Микрография осадка, обработанного при 600°С.
Автор: Максимов Л.И.

Авторы работы высказали предположение, что при более высоких температурах частицы вернутся к сферической структуре, но сохранится кольматация пор. Но некоторые частицы такого порошка будут крупнее и не получится сохранить наноразмерную структуру, а это важно для качества сырья.

Таблица результатов гранулометрического анализа

Как итог, самая оптимальная температура обработки — 450°С, потому что частицы осадка не сплавляются и сохраняют сферическую форму, что важно, например, для катализаторов селективного осаждения сероводорода, аккумуляторов. По словам одного из авторов исследования, из 1 тонны осадков, в котором 60% — это оксид железа, получается от 450 до 700 кг железного порошка.