CC BY
15
УДК 628.316.12
Иванова А.И., Колесников А.В.
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
Иванова Анастасия Игоревна, студентка 2 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга; e-mail: iva_stasiya@mail. ru
Колесников Артем Владимирович, к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
В данной статье рассмотрены электрохимические способы извлечения тяжелых металлов из сточных вод, описаны достоинства и недостатки электрофлотационного метода, приведены результаты исследования применения оксида алюминия для изготовления коагулянтов на его основе, проанализирован рынок применения алюминия. В статье также изложены результаты эксперимента, проведенного в лаборатории «Новые электрохимические технологии и материалы» технологического центра «Экохимпроект» РХТУ им. Д. И.Менделеева.
Ключевые слова: электрофлотация, оксид алюминия, алюминий, поверхностно-активные вещества, коагулянты.
ELECTROFLOTATIONAL PROCESS OF ALUMINUM OXIDE REMOVAL FROM INDUSTRIAL WASTE
Ivanova Anastasia Igorevna, Kolesnikov Artyom Vladimirovich. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article examines the electrochemical methods of heavy metals removal from wastewater, describes pros and cons of the electroflotational method, provides the results of research on the use of aluminum oxide in manufacturing of aluminum oxide-based coagulants and analyses the area of application of aluminum oxide. This article also contains the results of an experiment that was conducted in "New electrochemical technologies and materials" laboratory of "Ecochemproject" technological center of D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia. Keywords: electroflotation, aluminum oxide, aluminum, surfacants, coagulants.
Электрофлотация - процесс отделения взвешенных частиц от жидкости путем флотации с пузырьками газа, полученными электролизом воды. Поверхность мелких пузырьков обладает значительной свободной энергией и создает более благоприятный гидродинамический режим в зоне флотации, что увеличивает эффект очистки. Кроме того, во время электрофлотации дисперсия и распределение частиц по размерам пузырьков могут варьироваться в широком диапазоне, что имеет большое значение для достижения оптимальных условий для экстракции жирных частиц. Наличие солей в сточных водах обеспечивает необходимую электропроводность и делает процесс экономически целесообразным [1],[2].
Оксид алюминия является основой для изготовления коагулянтов, таких как: полиоксихлорид алюминия PAX XL 100 (получен на основе высокозаряженных соединений алюминия), UltraPAC-30-S (содержит низкомолекулярный и среднемолекулярный полимерный алюминий) и UltraPAC-30-V (содержит высокомолекулярный полимерный алюминий); алюмокремниевый коагулянт-флокулянт (АКФК), который по эффективности и стоимости превосходит аналоги [3]; Сульфат алюминия (содержание Al2O3 не менее 13,5%), получаемый путем обработки бокситов, нефелинов или глин серной кислотой. В лаборатории «Новые электрохимические технологии и материалы» технологического центра «Экохимпроект» РХТУ им. Д.И.Менделеева были проведены работы по извлечению оксида алюминия.
Экспериментальная часть
Используемые реактивы
В работе использовались фоновые электролиты в концентрации 1г/л №С1, Ка2Б04. Наличие электролитов в обрабатываемых растворах обеспечивает необходимую электропроводность воды и делает процесс электрофлотации экономически целесообразным. Кроме того, можно регулировать эффективность извлечения металлов из растворов в зависимости от исходного состава очищаемой воды, варьируя основные параметры процесса электрофлотации, не меняя технологическую схему и схему процесса [4]. Для исследования влияния коагулянтов и ПАВ на электрофлотационное извлечение частиц А1203 были выбран анионный ПАВ - КаБББ, катионный ПАВ - Септапав, неионогенный ПАВ - АЛМ-10, коагулянт А1С13.
Описание схемы и методика взятия проб и анализа
Изучение электрофлотационного процесса извлечения оксида алюминия из сточных вод проводилось в лабораторном электрофлотаторе периодического режима действия (рис. 1).
Подготовленный раствор заливается в электрофлотационную колонну сверху, после чего включают ток, выставляют режим работы источника тока и засекают время. Время проведения процесса 30 минут. В результате электролиза воды на поверхности электродов идет выделение газовых пузырьков, которые, поднимаясь вверх, взаимодействуют с дисперсными частицами загрязнений с образованием флотокомплексов «частица - пузырьки газа». Плотность образующихся флотокомплексов меньше
плотности воды, что обусловливает их подъем на поверхность сточной воды с образованием пенного слоя (флотошлама).
1 220 В 9 9
- ь
ч 7
ж --
4
Рис. 1 Конструкция лабораторной установки электрофлотатора периодического действия.
1 - стеклянный корпус; 2 - вентиль; 3 - электродный блок; 4 - анод; 5 - катод (нержавеющая сталь); 6 - резиновая прокладка; 7 - источник постоянного питания
При расчете степени извлечения оксида алюминия использовались показания мутнометра. Пробы отбирались в кювету и снимались показания
мутнометра перед началом процесса электрофлотации, потом через 5, 10, 20 и 30 минут от начала процесса. Каждая проба измерялась с помощью мутнометра HANNA HI 98703, который показывал мутность в единицах NTU (нефелометрические единицы мутности).
Эффективность процесса извлечения ионов Al3+ из раствора оценивали по степени извлечения а (%). Степень извлечения - отношение разности начальной (снач, мг/л) и конечной (скон, мг/л) концентрации ионов алюминия в растворе к исходной концентрации ионов алюминия. Далее рассчитывалась степень извлечения по формуле (1).
к = Сн"~Сион*100%(1)
Результаты эксперимента
Были проведены исследования по извлечению оксида алюминия без применения добавок (таблица 1). В результате данного исследования были выявлены оптимальные показания pH=7 для дальнейшего изучения извлечения оксида алюминия с применением композиции ПАВ - коагулянт (таблица 2).
Таблица 1. Результаты эксперимента электрофлотационного извлечения Л12Оз при разном показателе рН.
Условия эксперимента pH=5 + NaCl (с - 1г/л) pH=6 + NaCl (с - 1г/л) pH=7 + NaCl (с - 1г/л) pH=8 + NaCl (с - 1г/л)
Время t, мин. 5 10 20 30 5 10 20 30 5 10 20 30 5 10 20 30
Степень извлечения, а % 27 26 23 16 45 42 28 17 13 19 22 24 62 39 33 32
Таблица 2. Результаты эксперимента электрофлотационного извлечения А12О3 с применением поверхностно_активных веществ и коагулянтов.__
Условия эксперимента Время t, мин. Степень извлечения, а %
pH=7+NаDDS(c-5мг/л)+AlCl3(c-10мг/л)+NaCl(с-1г/л) 5 28
10 70
20 94
30 98
pH=7+NаDDS(c-5мг/л)+AlCl3(c-10мг/л)+ №^04(с-1г/л) 5 47
10 89
20 97
30 99
pH=7+NaCl^-1 г/л)+NaDDS(с-5мг/л) 5 32
10 32
20 45
30 45
pH=7+NaCl^-1 г/л)+АЮ13(с- 10мг/л) 5 1
10 3
20 4
30 4
pH=7+NаDDS(c-5мг/л)+AlCl3(c-10мг/л)+NaCl(с-1г/л)+Септапав(с-5мг/л) 5 6
10 22
20 43
30 47
pH=7+NаDDS(c-5мг/л)+AlCl3(c-10мг/л)+NaCl(с-1г/л)+АЛМ-10(с-5мг/л) 5 2
10 5
20 24
30 25
Результаты эксперимента продемонстрировали положительное влияние ПАВ на степень извлечения (рис.2).
ВЛИЯНИЕ ПАВ НА СТЕПЕНЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ -без ПАВ -Септа 1ав - АЛМ-10
50 2 40
30
О 5 10 15 20 25 30 35
ВРЕМЯ
Рис. 2 Влияние ПАВ на степень извлечения при с
А1203 - 50мг/л; с №С1 - 1г/л; с А1С13 - 10мг/л; рН =7.
При добавлении композиции ПАВ - коагулянт в модельный раствор с рН 7 наилучший результат был при условиях:
1. с АЬОз - 50мг/л; с №2804 - 1г/л; рН=7; с КаБББ - 5мг/л, с А1С13 - 10мг/л (степень извлечения 99%)
2. с А1203 - 50мг/л; с №аС1 - 1г/л; рН=7; с КаБББ - 5мг/л, с А1С13 - 10мг/л (степень извлечения 98%)
С наилучшим результатом были проведены эксперименты по извлечению оксида алюминия в условиях, приближенных к составу сточных вод (таблица 2).
Таблица 2. Электрофлотационное извлечение Al20з при pH=7. Условия эксперимента с Al20з - 50мг/л; с ^О - 1г/л;
Электрофлотационное извлечение показывает хорошие результаты - 74% извлечения за 30 минут. При более длительной флотации результат извлечения будет выше.
В данной работе были продеменстирированы результаты эксперимента по электрофлотационному извлечению оксида алюминия. Указана оптимальная рН среды и протестировано действие коагулянтов и ПАВ на степень извлечения оксида алюминия. Было установлено, что ПАВ и коагулянты положительно влияют на степень извлечения а. Особенно заметен результат при добавлении композиции ПАВ-коагулянт.
Список литературы
1. Саплин Л. А., Старших В. В. Лабораторные исследования процесса электрофлотации сточных вод / Саплин Л. А., Старших В. В. // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 12. - С. 69-70.
2. Влияние флокулянт различной природы на эффективность процесса электрофлотационного извлечения цветных металлов в составе многокомпонентных / Х. Т. Аунг, П. Аунг, А. В. Колесников, В. А. Колесников // Успехи в химии и химической технологии. — 2017. — Т. 31, № 15 (196). — С. 49-51.
3. Кузин Е. Н., Говорова А. П., Азопков С. В. Новые композиционные коагулянты в процессах водоочистки // Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXXI. - 2017 - № 9 - с.54-56
4. Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Ершова О.В. К вопросу влияния химической природы фоновых электролитов на кинетику процесса электрофлотационного извлечения гидрофильных осадков металлов// Современные наукоемкие технологии. - 2015. - № 10. - С. 58-61.
pH=7; с NаDDS - 5мг/л, c AlClз - 10мг/л
Время Степень извлечения а %
5 5
10 7
20 39
30 74
