تحضير السيرامسيت البيولوجي من مخلفات التنغستن

أجرت فنغ شيوجوان من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا دراسة تجريبية حول تحضير وسائط ترشيح بيولوجية مسامية من مادة السيرامسيت باستخدام طريقة التحميص، مستخدمةً مخلفات منجم داشياو لونغشيا للتنغستن في جيانغشي كمواد خام رئيسية، وخبث الأفران، والرماد المتطاير، والطين كمواد مساعدة. ويبين الجدول 8-1 التركيب الكيميائي الرئيسي لمخلفات التعدين المستخدمة. وشملت المواد المساعدة الأخرى حمض الهيدروكلوريك المركز، وخبث الأفران، والرماد المتطاير، والطين، والمواد المكونة للمسام (نشارة الخشب أو الرغوة البلاستيكية)، ومادة رابطة (نشا معدل)، وطلاء أبيض قائم على راتنج الأكريليك، ومذيب الزيلين، وما إلى ذلك.

الجدول 8-1: التركيب الكيميائي الرئيسي لمخلفات التنغستن (wt%)

الشكل 8-1: مخطط تدفق العملية الخاصة بتحضير السيرامسيت البيولوجي

يوضح الشكل 8-1 مسار عملية تحضير السيرامسيت البيولوجي من مخلفات التنغستن. تم أولاً تعديل المخلفات باستخدام محلول حمض الهيدروكلوريك 20% لتكوين عدد كبير من المسام. ثم تم خلط المخلفات المعدلة وتقليبها بشكل متجانس مع خبث الفرن، والرماد المتطاير، والطين بنسب معينة، مع إضافة كمية صغيرة من مادة تكوين المسام والمواد الرابطة. تم تشكيل الخليط على شكل كريات خضراء كروية من السيرامسيت باستخدام آلة تحبيب. وُضعت الكريات الخضراء في فرن تجفيف كهربائي ثابت الحرارة عند 120 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، ثم نُقلت إلى فرن مافل. تم رفع درجة الحرارة تدريجيًا إلى 500 درجة مئوية خلال ساعة واحدة، وتم الحفاظ على هذه الدرجة لمدة 10 دقائق، ثم تم رفعها إلى 800–1200 درجة مئوية للتحميص لمدة 30 دقيقة. بعد التحميص، أُخرج المنتج وتُرك ليبرد بشكل طبيعي حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة. وُضع المنتج المحمص في مطحنة كروية وتم صقله عن طريق الطحن الذاتي. بعد ذلك، تم رش طبقة طلاء بيضاء قائمة على راتنج الأكريليك ومخففة بالزيلين على السطح باستخدام مسدس رش. وبعد التجفيف في درجة حرارة الغرفة، تم الحصول على المنتج النهائي من السيرامسيت البيولوجي. خلال عملية الرش، تم الحفاظ على ضغط ضاغط الهواء عند 0.2–0.5 ميجا باسكال، وكانت زاوية الرذاذ لمسدس الرش 30°–50°، وكانت المسافة من الفوهة إلى السيرامسيت تتراوح بين 15 و50 سم، وبلغت مدة التجفيف في درجة حرارة الغرفة 0.5–1.5 ساعة، وبلغ سمك الطبقة الجافة للطلاء 20–30 ميكرومتر.

أظهرت النتائج التجريبية أنه عندما كانت النسبة الحجمية لمخلفات التنغستن، وخبث الفرن، والرماد المتطاير، والطين هي 4 : 1.5 : 1.5 : 1 وكانت درجة حرارة التحميص 1100 درجة مئوية، فإن السيرامسيت البيولوجي المُعدّ كان له كثافة جسيمية تبلغ 1.61 جم/سم³، وكثافة حجمية تبلغ 1.10 جم/سم³، مساحة سطح محددة تبلغ 9.7 م²/غ، وقابلية ذوبان حمضية تبلغ 0.17%، وقابلية ذوبان قلوية تبلغ 0.33%، وقوة ضغط أسطوانية تبلغ 8.1 ميجا باسكال. وعند استخدام هذا السيرامسيت البيولوجي لمعالجة مياه الصرف الفعليّة التي يبلغ الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD₍Cr₎) فيها 817 ملغ/لتر، أظهر تكوينًا سريعًا للغشاء الحيوي، وتعلقًا ميكروبيًا عاليًا، وسهولة في الغسل العكسي. وبلغ معدل إزالة COD₍Cr₎ أكثر من 93% في غضون 20 يومًا.

تحضير السيرامسيت البيولوجي من مخلفات الحديد

أجرى تشانغ شويدونغ وزملاؤه من كلية تانغشان دراسة حول تحضير وسائط ترشيح بيولوجية من مادة السيرامسيت باستخدام مخلفات الحديد كمواد خام رئيسية، مع إضافة مواد مساعدة مثل خبث الأفران، والرماد المتطاير، والحجر الجيري، والمواد المضافة.

8.2.1 المواد الخام

• مخلفات الحديد: يتم استخراجها من منجم للحديد في تشيانآن، تانغشان. وهي المادة الخام الرئيسية في صناعة السيرامسيت، حيث تضفي عليه المتانة وتُستخدم كمادة رابطة.
• خبث الفرن: يُستخرج من بقايا نفايات الغلايات التي تعمل بالفحم، وهو يوفر قيمة حرارية جزئية، كما يعمل كعامل لتكوين المسام في مادة السيرامسيت.
• الرماد المتطاير: يتم الحصول عليه من محطة تانغشان لتوليد الطاقة، مما يحسّن أداء عملية التكوير.
• الحجر الجيري: يعمل كعامل لتشكيل المسام، كما يعزز متانة السيرامسيت أثناء عملية التكليس.
• المواد المضافة: يتكون أساسًا من مواد عضوية، ويؤدي دور كل من عامل تكوين المسام والمادة الرابطة.

يُبيّن الجدول 8-2 التركيب الكيميائي للمواد الخام الرئيسية.

الجدول 8-2: التركيب الكيميائي الرئيسي لمواد السيرامسايت الخام (wt%)

8.2.2 عملية التحضير

تم وزن المواد الخام بدقة وفقًا لنسبة محددة ووضعها في خلاط عجينة الأسمنت. ثم أُضيف ماء الصنبور 27% وتم خلطه بشكل متجانس. وتم إنتاج كريات خضراء يبلغ قطرها 3–5 مم عن طريق التكوير اليدوي. تم تجفيف الحبيبات عند درجة حرارة 105±5 درجة مئوية لمدة 3 ساعات لإزالة الماء الحر، ثم وُضعت في فرن مقاوم للحرارة العالية. تم رفع درجة الحرارة وفقًا لجدول تسخين مبرمج إلى 1100 درجة مئوية، ثم تم تحميصها لمدة 30 دقيقة. بعد التحميص، تم تبريد منتجات السيرامسيت بشكل طبيعي إلى درجة حرارة الغرفة للحصول على السيرامسيت البيولوجي من مخلفات الحديد.

من خلال تجارب معالجة مياه الصرف الصحي، تم تحديد النسبة المثلى للمواد الخام على النحو التالي: مخلفات الحديد 86%، خبث الأفران 7%، الرماد المتطاير 5%، الحجر الجيري 1%، والمواد المضافة 1%. وعند درجة حرارة التكليس البالغة 1100 درجة مئوية، كان السيرامسايت المُعدّ ذو سطح خشن، وحجم جسيمات يتراوح بين 3 و5 مم، وامتصاص مائي يبلغ 14.01%، ومسامية تبلغ 31.07%، وكثافة حجمية تبلغ 1.12 كجم/م³، وكثافة ظاهرية تبلغ 1.92 كجم/م³. وبلغ معدل إزالة العكارة لمياه الصرف الصحي المنزلية 64.02% في غضون 30 ساعة، ووصل معدل إزالة COD₍Cr₎ إلى 79.48%، مما يدل على فعالية كبيرة.

قام وانغ ديمين وزملاؤه من جامعة ووهان للعلوم والتكنولوجيا بتحضير مادة «سيرامسايت» مسامية بنسبة إضافة لمخلفات التعدين تصل إلى 77%، وذلك باستخدام مخلفات التعدين الحديدية منخفضة السيليكون كمواد خام رئيسية. تم تقييم أداء معالجة السيرامسيت المحضَّر لمياه الصرف المنزلي المحاكاة باستخدام مرشح بيولوجي مهوى (BAF) على نطاق مختبري. وأظهرت النتائج أن السيرامسيت يتميز بسطح خشن ومسام داخلية وفيرة، حيث بلغت الكثافة الظاهرية والمسامية الظاهرية ومتوسط قطر المسام 1.33 جم/سم³ و54% و19.80 ميكرومتر على التوالي. توافقت تركيزات المعادن الثقيلة في المياه المرتشحة الناتجة عن اختبار ترشيح المعادن الثقيلة مع المعايير الوطنية لجودة المياه السطحية. وأظهر المرشح البيولوجي المُهوى (BAF) الذي يستخدم مادة السيرامسايت هذه كوسيط ترشيح أداءً جيدًا في معالجة مياه الصرف الصحي المحاكاة، حيث بلغت معدلات إزالة COD₍Cr₎ وNH₄⁺‑N وTN 84.26%، 84.01%، و25.87%، على التوالي. كانت الكائنات الحية الدقيقة الملتصقة بالسيرامسايت في عمود الترشيح غنية بالأنواع، وبلغ إجمالي الفوسفور في الكتلة الحيوية لكل وحدة كتلة من السيرامسايت عند طرف التدفق الوارد 371.63 نانومول/غرام، حيث توزع 90.79% على السطح و9.21% داخل السيرامسيت.

8.3 تحضير السيرامسيت البيولوجي من مخلفات الرصاص والزنك

استخدم وانغ شونكاي وزملاؤه من جامعة هوهاي مخلفات التعويم للرصاص والزنك كمواد خام، مع إضافة سيليكات الصوديوم واللجنين كمضافات، لتصنيع مادة «سيرامسايت» المستخدمة في معالجة المياه عن طريق التحميص بدرجة حرارة عالية، وأجروا دراسات تجريبية حول أداء امتصاصها لمياه الصرف الناتجة عن عمليات التخصيب.

كانت المخلفات المستخدمة في التجربة عبارة عن مخلفات عملية التعويم من شركة نانجينغ يينماو لتعدين الرصاص والزنك المحدودة. وكانت المعادن الرئيسية في المخلفات هي السيليكات، إلى جانب بعض أكاسيد الحديد والمنغنيز والألومنيوم، وبلغت نسبة الفقد عند الاحتراق 18.93%. وكانت عملية تحضير السيرامسيت على النحو التالي: تم وزن 30 غرامًا من المخلفات الكاملة في دورق، ثم أُضيف إليها حجم معين من الماء المقطر وخلطت بشكل متجانس. وشُكل الخليط على شكل كرات صغيرة يبلغ قطرها 5–10 مم باستخدام آلة تكوير قرصية. تم تجفيف الكريات في فرن تجفيف كهربائي يعمل بالهواء الساخن عند درجة حرارة 105 درجة مئوية لمدة ساعتين، ثم وُضعت في فرن كهربائي من النوع الصندوقي يعمل بدرجات حرارة عالية، وتم تحميصها عند درجة حرارة معينة لمدة ساعتين. ثم أُوقف تشغيل الفرن، وتُرك السيرامسايت ليبرد داخل الفرن لمدة 12 ساعة قبل إخراجه.

أظهرت النتائج التجريبية أن مادة «سيرامسايت» المُحضَّرة من مخلفات التعدين الكاملة التي تم تحميصها عند درجة حرارة 800 درجة مئوية أظهرت أداءً جيدًا في امتصاص مادة COD₍Cr₎ الموجودة في مياه الصرف الناتجة عن عمليات التخصيب. وكان وقت الامتصاص الأمثل 30 دقيقة، ودرجة الحرارة الأمثل هي درجة حرارة الغرفة، والجرعة الأمثل 2 غ/100 مل، ودرجة الحموضة الأمثل حوالي 8. وبلغ معدل إزالة COD₍Cr₎ وسعة الامتصاص 87.1% و17.85 ملغ/غرام، على التوالي. ولتقليل انفصال المخلفات وزيادة قوة السيرامسيت، أُجريت أيضًا تجارب بإضافة مواد رابطة. من خلال الاختبارات التي أجريت على تأثير المواد الرابطة المختلفة على أداء الامتصاص، تم اختيار سيليكات الصوديوم واللجنين، بكمية مضافة من سيليكات الصوديوم (2.5 غرام) + اللجنين (2.5 غرام) لكل 30 غرامًا من المخلفات. وكان السيرامسيت المخصص لمعالجة المياه، الذي تم تحضيره عن طريق التحميص عند 800 درجة مئوية لمدة ساعتين، يتمتع بقوة كافية لمقاومة التآكل الناتج عن تدفق المياه، وبلغت سعة الامتصاص فيه 22.84 مجم/غرام.