Preparation of adsorbents for the extraction of heavy metals from mining wastewater

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Mining and metallurgical operations are inextricably connected with the consumption of large volumes of water and, consequently, the generation of liquid waste. The priority is to solve the problems of treatment and rational reclaiming of process waters with high content of valuable components. This will make it possible to obtain a significant environmental and economic effect, i.e. to bring profit directly to enterprises, save material resources and reduce the environmental impact in mining regions. Processing of copper-zinc ores is accompanied by the formation of metal-bearing wastewater with a wide range of associated metals and nonmetals with low concentrations of each individual component and pH fluctuations within wide ranges. These factors make it difficult to select a rational treatment technology, so enterprises have to pay for excessive metal-bearing discharges into the environment. Heavy metals are toxic, do not undergo decomposition, can be accumulated by aquatic plants and reach a human body through the food chain. Centralized accumulation of accidental discharges, surface and drainage water with subsequent treatment for use in recycled water supply can solve a number of environmental problems in the field of water resources protection. Adsorption of heavy metals by zeolites produced from inexpensive clay minerals due to the simplicity of the process, possibility of zeolite regeneration, high efficiency in Cu2+, Zn2+ and Fe2+ ion exchange with release of non-toxic  Na+ cations into the environment is a good alternative to chemical precipitation. The purpose of this study is to optimize the conditions for producing zeolites from kaolin and bentonite with the assessment of the possibility of their use for the treatment of wastewater generated during mining and processing of ores from sulfide copper-polymetallic deposits. The technology of alkaline fusion of bentonite or kaolin with sodium hydroxide was used as a basis for zeolite synthesis from crude mining products. The novelty of the technological approach in obtaining zeolites from natural aluminosilicates in comparison with the published data is that the adjustment of the chemical composition of alkaline alloy for the synthesis of zeolites with a certain crystal structure was carried out using Al2O3–NaAlО2 waste suspension. The alkaline alloy was dissolved in water, filtered, and subjected to hydrothermal crystallization. The phase composition of the zeolite adsorbents was studied. Through studying the recovery of heavy metals from model solutions, the mass composition and conditions of alkaline fusion processes as well as the hydrothermal crystallization mode were optimized. The achieved metal recovery of 95% from the model solutions with initial concentration (mg/L): 150 Cu2+, 180 Zn2+ and 125 Fe2+ allowed to draw the conclusion that zeolites based on bentonite and kaolin can be used in the treatment of metal-bearing wastewater.

About the authors

E. N. Mirzaeva

University of Science and Technology MISIS (Almalyk branch)

Email: mirzaevaelena92@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-4198-2274

N. F. Isaeva

Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology

Email: nurhonisaeva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8513-6975

E. Ya. Yalgashev

Tashkent Institute of Chemical Technology

Email: chemyalgashev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7921-2206

D. P. Turdiyeva

National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek

Email: turdievadilnoza34@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-3216-5801

R. M. Boymonov

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov

Email: rufatjonboymonov1992@gmail.com

References

  1. Растанина Н. К., Колобанов К. А. Воздействие техногенного пылевого загрязнения на экосферу и здоровье человека закрытого горного предприятия Приамурья. Горные науки и технологии. 2021;6(1):16–22. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-16-22
  2. Зверева В. П., Фролов К. Р., Лысенко А. И. Формирование рудничных вод в Дальневосточном регионе России и их влияние на экосферу и здоровье населения. Горные науки и технологии. 2022;7(3):203–215. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-3-203-215
  3. Шадрунова И. В., Орехова Н. Н. Технологические и эколого-экономические аспекты ресурсосберегающей переработки техногенного гидроминерального сырья горных предприятий цветной металлургии. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(S1):177–191.
  4. Катаева С. Е., Шуляк Э. В., Брыль В. И., Чабан Н. Г. К вопросу о содержании тяжелых металлов в водной среде города Славутича. М.; 2000. С. 751–752.
  5. Файзиева М. Ф. К вопросу санитарной охраны водоёмов в условиях Узбекистана. Вестник науки и образования. 2016;(4):70–72.
  6. Collins F., Rozhkovskayaa A., Outramb J. G., Millarb G. J. A critical review of waste resources, synthesis, and applications for Zeolite LTA. Microporous and Mesoporous Materials. 2020;291:109667. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.109667
  7. Tasić Ž. Z., Bogdanović G. D., Antonijević M. M. Application of natural zeolite in wastewater treatment – A review. Journal of Mining and Metallurgy. 2019;55A(1):67–79 https://doi.org/10.5937/JMMA1901067T
  8. Белова Т. П., Ратчина Т. И., Гавриленко Ю. С. Адсорбция меди, никеля и кобальта натуральным цеолитом из водных растворов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;12:76–80.
  9. Milicevic S., Povrenovic D., Milosevic V., Martinovic S. Predicting the copper adsorption capacity on different zeolites. Journal of Mining and Metallurgy. 2017;53A(1):57–63.
  10. Srilai S., Tanwongwal W., Onpecth K. et al. Synthesis of Zeolite X from bentonite via hydrothermal method. Materials Science Forum. 2020;990:144–148. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.990.144
  11. Ma H., Yao Q., Fu Y. et al. Synthesis of zeolite of type A from bentonite by alkali fusion activation using Na2CO3. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2009;49(2):454–458 https://doi.org/10.1021/ie901205y
  12. Burоnоv F., Fayzullayev N. Synthesis and aррlicatiоn of high silicоn zeоlites frоm natural sources. In: AIP Conference Proceedings. The 1st International Conference on Problems and Perspectives of Modern Science: ICPPMS-2021. 10–11 June 2021, Tashkent, Uzbekistan. 2022;2432:050004. https://doi.org/10.1063/5.0089557
  13. Jin Y., Li L., Liu Z. et al. Synthesis and characterization of low cost zeolite NaA from coalgangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 2021;32:791–801 https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.01.024
  14. Kong D., Jiang R. Preparation of NaA Zeolite from High Iron and Quartz Contents Coal Gangue by Acid Leaching-Alkali Melting Activation and Hydrothermal Synthesis. Crystals. 2021;11(10):1198. https://doi.org/10.3390/cryst11101198
  15. Ma H., Zhu H., Wu C. et al. Study on compressive strength and durability of alkali-activated coal gangue-slag concrete and its mechanism. Powder Technology. 2020;368:112–124. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.054
  16. Kuroki S., Hashishin T., Morikawa T. et al. Selective synthesis of zeolites A and X from two industrial wastes: Crushed stone powder and aluminum ash. Journal of Environmental Management. 2019;231:749–756. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.10.082
  17. Koukouzas N., Vasilatos C., Itskosa G. et al. Removal of heavy metals from wastewater using CFB-coal fly ash zeolitic materials. Journal of Hazardous Materials. 2010;173(1–3):581–588 https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.08.126
  18. Hamadi A., Nabih K. Synthesis of zeolites materials using fly ash and oil shale ash and their applications in removing heavy metals from aqueous solutions. Hindawi Journal of Chemistry. 2018;2018(1):6207910. https://doi.org/10.1155/2018/6207910
  19. Somerset V., Petrik L., Iwuoha E. Alkaline hydrothermal conversion of fly ash filtrates into zeolites 2: Utilization in wastewater treatment. Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2005;40(8):1627–1636. https://doi.org/10.1081/ESE-200060675
  20. Bessa R., Costa L., Oliveira C. et al. Kaolin-based magnetic zeolites A and P as water softeners. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;245:64–72. http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.03.004
  21. Tayraukham P., Jantarit N., Osakoo N., Wittayakun J. Synthesis of pure phase NaP2 zeolite from the gel of NaY by conventional and microwave-assisted hydrothermal methods. Crystals. 2020;10(10):951. http://dx.doi.org/10.3390/cryst10100951
  22. Wajima T., Munakata K., Ikegami Y. Conversion of waste sandstone cake into crystalline zeolite X using alkali fusion. Materials Transactions. 2010;51(5):849–854. https://doi.org/10.2320/matertrans.MH200905
  23. Lee Y.-R., Soe J. T., Zhang S. et al. Synthesis of nanoporous materials via recycling coal fly ash and other solid wastes: A mini review. Chemical Engineering Journal. 2017:317;821–843. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.02.124
  24. Kunecki P., Panek R, Wdowin M. et al. Influence of the fly ash fraction after grinding process on the hydrothermal synthesis efficiency of Na-A, Na-P1, Na-X and sodalite zeolite types. International Journal of Coal Science & Technology. 2021;8(2):291–311 https://doi.org/10.1007/s40789-020-00332-1
  25. Hu T., Gao W., Liu X. et al. Synthesis of zeolites Na-A and Na-X from tablet compressed and calcinated coal fly ash. Royal Society Open Science. 2017;4:170921. http://dx.doi.org/10.1098/rsos.170921
  26. Yang L., Qian X., Yuan P. et al. Green synthesis of zeolite 4A using fly ash fused with synergism of NaOH and Na2CO3. Journal of Cleaner Production. 2019;212:250–260. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.11.259
  27. Mallapur V. P., Oubagaranadin J. U. K. A brief review on the synthesis of zeolites from hazardous wastes. Transactions of the Indian Ceramic Society. 2017;76(1):1–13. https://doi.org/10.1080/0371750X.2016.1231086
  28. Golbad S., Khoshnoud P., Abu-Zahra N. Hydrothermal synthesis of hydroxy sodalite from fly ash for the removal of lead ions from water. International Journal of Environmental Science and Technology. 2017;14(1):135–42. https://doi.org/10.1007/s13762-016-1133-x
  29. Shabani J. M., Omotola B., Oyekola O., Petrik L. Synthesis of hydroxy sodalite from coal fly ash for biodiesel production from waste-derived maggot oil. Catalysts. 2019;9(12):1052. https://doi.org/10.3390/catal9121052
  30. Василевский Б. Б., Ежков Ю. Б., Рахимов Р. Р. и др. Проблемы крупнообъемных месторождений золота и меди Узбекистана. Ташкент; 2012. 116 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».