ЕЛЕКТРОХіМіЧНЕ ВИЛУЧЕННЯ іОНіВ НіКЕЛЮ З НЕЙТРАЛЬНИХ ТА КИСЛИХ РЕГЕНЕРАЦіЙНИХ РОЗЧИНіВ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Литература

1. Будкова, Е.В. Технология сжигания низкосортного твердого топлива и котельная установка для ее реализации [Текст] / Е.В.Будкова, С.Н.Кузьмин // Тр. ТГТУ. Технологические процессы и оборудование. - 2001. - N 8. - С.101-105.

2. Бурмакина, А.В. Проектные предложения по основному оборудованию твердотопливной ТЭЦ с котлами циркулирующего кипящего слоя [Текст] / А.В. Бурмакина // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: 2 Всерос. науч.-техн. конф. аспирантов и студентов, Магнитогорск, 22-23 мая 2001 г. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С.6.

3. Алямовский, А.А. Solid Works 2007/2008 Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А.А. Алямовский. - СПб.: БХВ, 2008.- 1040 с.

-□ □-

В робот1 приведет результа-ти дослгджень по визначенню впливу щгльностг струму, концентраци кис-лоти в прианодному шар{, а також часу електролгзу на ефективтсть електрохгм 1чно1 переробки

вгдпрацьованих нейтральних та кислих регенерацшних розчитв, що м1стять сульфат натрю та iони ткелю

Ключовг слова: електроли, юнний

обмт, регенерацшш розчини

□-□

В работе приведены результаты исследований по определению влияния плотности тока, концентрации кислоты в прианодном слое, а также продолжительности электролиза на эффективность электрохимической переработки отработанных нейтральных и кислых регенерационных растворов, которые содержат сульфат натрия и ионы никеля

Ключевые слова: электролиз, ионный обмен, регенерационные растворы □-□

The results of investigations to determine the effect of current density, concentration of acid in the anode layer and the duration of electrolysis on the efficiency of electrochemical processing of neutral and acidic waste regeneration solutions containing sodium sulfate and nickel ions are presented in this work Keywords: electrolysis, ionic exchange,

reclaiming solutions -□ □-

УДК. 628.33

ЕЛЕКТРОХ1М1ЧНЕ ВИЛУЧЕННЯ 1ОН1В Н1КЕЛЮ З НЕЙТРАЛЬНИХ ТА КИСЛИХ РЕГЕНЕРАЦ1ЙНИХ

РОЗЧИН1В

Ю.А. Омельчук

Кандидат хiмiчних наук, доцент, декан ЕкТФ Севастопольський нацюнальний ушверситет ядерноТ

енергп i промисловост вул. Курчатова, 7, м. Севастополь, УкраТна, 99033 Контактний тел.: (0692) 71-30-05

О. В. Глушко

Кандидат техшчних наук, старший викладач* Контактний тел.: 099-791-1 1-89 E-mail:[email protected]

В.С. Камасв

Кандидат техшчних наук, старший викладач*

М.Д. Гомеля

Доктор техшчних наук, професор, завщуючий кафедри *Кафедра екологп та технологи рослинних полiмерiв Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги 37, м. КиТв, УкраТна, 03056 Контактний тел.: (044) 236-60-83 E-mail: [email protected]

1. Вступ

Антропогенне навантаження на навколишне сере-довище невпинно збшьшуеться i3 року в рж. Одним з важливих питань охорони навколишнього середовища та рацюнального використання ресурмв е знешкод-ження спчних вод та утилiзацiя вiдходiв гальватчних виробництв.

Вибiр того чи шшого методу очищення спчних вод в щ важких металiв, яю вщносяться до найнебезпечтших забруднювачiв довюлля, залежить в1д об'eмiв стоюв, складу та концентраци домшок в них, мкцевих умов водозабезпечення виробництв та скиду стоюв. До-вгий час ушверсальними методами очищення води вщ ютв важких металiв були реагентнi методи [1], яю передбачають переведення металiв в нерозчинш у

водi сполуки та видГлення '!х у виглядi осадiв. Але такi багатокомпонентш осади дуже складно переробляти, 1х захоронення на звалищах недопустиме. Крiм того, дефiцит кольорових металiв та чисто! води в Укра!ш зумовлюе такий п1дх1д до проблеми, який сприяе ско-роченню до мтмуму води, яка використовуеться для промивки виробiв та регенерацп цiнних компонентГв з поверненням 1х до виробництва.

З огляду на це доцГльним е використання iонного обмшу в процесах очищення стiчних промивних вод гальвашчних виробництв, якi мГстять iони нiкелю. Про-цеси сорбцп та десорбцп iонiв нiкелю на сильнокислот-них катiонiтах достатньо розглянут в лiтературi. Так, в робоп [2] розглянуто вплив концентрацп сульфату натрш та рН на процес десорбцп iонiв нiкелю з катютту КУ-2-8 та показано, що стутнь регенерацп зростае iз п1двищенням питомо'1 витрати та концентрацп розчи-ну сульфату натрш.

Проте актуальним лишаеться питання щодо утилГзацп регенерацiйних розчишв. Адже, з огляду на мету створення замкнутих циклiв водокористу-вання, регенерацшт розчини потрiбно переробляти так, щоб повторно '1х застосовувати, а цГнт компонен-ти повернути у виробництво. Тому електрохiмiчна переробка регенерацшних розчинiв, що мiстять iони нжелю, в цьому сенсi е найбГльш перспективною. Проте, на вГдмшу в1д електрохiмiчного в1дновлення мiдi та кадмш, що проходить ефективно навГть у кислому середовищi без роздшення електродного простору мембраною, та вилучення цинку, що проходить ефективно в нейтральному та слаболужному середовишД без роздшення електродного простору мембраною [3], електрохiмiчне вилучення нжелю за звичайних умов практично неможливе. Тому метою дано1 роботи було визначення умов вилучення нжелю iз регенерацшних розчитв електролiзом з отриманням розчитв сульфату натрш або арчано! кислоти придатними для повторно'! регенерацп юнтв.

2. Умови та результати дослщжень

Для вивчення процесГв електролiзу були використаш модельнi розчини сульфату нжелю близью за складом до розчишв, що утворюються при регенерацп катюшту в Ni2+-формi сульфатом натрiю та арчаною кислотою. Нейтральний розчин мав склад:

С(Ш2+)= 14.68 г/дм3;

С(№2+)= 32.4 г/дм3;

С(SO4 2-)= 67.6 г/дм3;

Кислий розчин мГстив сульфат нжелю в концентращях 23.774 г/дм3 та мрчану кислоту в концентрацп 10 г/дм3.

Як електролiзер використовували двохкамерний електролiзер роздiлений анiонною мембраною МА-41 при переробцi нейтральних модельних розчитв та анюнообмшною мембраною марки АВ-17-8 при переробцi кислих розчишв. Як катод використовували електрод iз нержавшчо! сталi , як анод використовували свинцеву пластинку при електрохiмiчнiй переробщ нейтральних регенерацшних розчишв та титан покритий оксидом рутенш - при переробщ кислих регенерацшних розчитв. Процес проводили при щшьносп струму 0.41 та 3.33 А/дм2.

При вилученш юшв нжелю з нейтральних модельних розчишв 75 см3 дослщжуваного розчину розмщували в прикатодному шарГ а в прианодному шарi - дистильовану воду з добавкою сульфату натрш в концентрацп 50 г/дм3.

При електролiзi кислих розчишв прианодний шар складався з розчину арчано! кислоти з концентращею вГд 0.01 гекв/дм3 до 1.91 гекв/дм3.

В процес електролiзу контролювали кислотнiсть в аноднш зонi, вмiст нiкелю та рН в катоднш зонi.

Використання нейтральних розчишв сульфату натрш для регенерацй катютту в Ш2+- формi дае змогу тсля регенерацп отримати нейтральнi розчини сульфату нжелю. Можна було чекати ефективно-го вилучення нжелю електролiзом Гз вГдпрацьованих регенерацiйних розчинГв, що мали нейтральне сере-довище. Адже Гз пГдвищенням рН рГзко знижуеться концентрацГя прототв у водГ, що повинно забезпечити сповГльнення побГчного процесу - електролГзу води. В кислих розчинах уже при шдвищент рН з 0.65 до 1.5 було досягнуто суттевого покращення ефективностГ вилучення нГкелю з регенерацшного розчину.

Тому нами дослщжувався процес електролГзу розчину, що мГстив сульфат натрГю в концентрацп 100 г/дм3 та Гони нжелю в концентрацп ~ 15 г/дм3.

Проте в даному випадку електролГз не призвГв до отримання бажаного результату - вилучен-ня нГкелю у виглядГ металу. При щГльностГ струму 0.82 - 2.46 А/дм2 протжали, в основному, побГчш про-цеси. При всГх вищезгаданих щГльностях струму в основному вГдбувався електролГз води Гз утворенням мрчано! кислоти в анодному просторГ та лугу в катодному простор! Це призводило до пГдвищення рН до 8-9 в катодному просторГ та гГдролГзу сульфату нГкелю. Без сумн Гву, таку низьку ефективн Гсть електрохГмГчного вГдновлення нГкелю в даному випадку можна пояс-нити наявтстю в розчит сульфату натрГю в високГй концентрацп. Використання сульфату натрГю в концентрацп 100-150 г/дм3 призводить до значно-го пГдвищення в'язкостГ розчину, що рГзко знижуе дифузш ГонГв нГкелю до поверхш катоду. Це суттево сповшьнюе процес його електрохГмГчного вилучення. При цьому вода постшно омивае поверхню катоду, сульфат натрГю практично нГяк не впливае на швидюсть електролГзу води. Змшити умови процесу на користь електрохГмГчного вилучення нГкелю мож-ливо лише за рахунок зниження щГльностГ струму та за рахунок зниження концентрацп сульфату натрГю. При зниженш щГльностГ струму можна досягти умов, коли лГмГтувати процес електролГзу буде не дифузГя ютв до електроду, а електрохГмГчш електродш про-цеси. Зниження концентрацп сульфату натрГю по-кращить дифузш ютв нГкелю до катоду. Виршити проблему за рахунок перемшування розчину важко, тому що при перемшувант завжди Гснуе примежо-ваний шар води на поверхт електроду, через який вГдбуваеться дифузГя ютв. Звичайно, Гз пГдвищенням швидкостГ перемшування товщина примежованого шару зменшуеться. Але в даному випадку, цього не-достатньо для вирГшення проблеми. Ум проведенГ дослГди по електрохГмГчному вилученню нГкелю з роздшенням електродного простору анюнообмшною мембраною проводили при перемшувант електролггу в катодному просторГ. При цьому досягти помГтного

вилучення нжелю не вдалося. Значно кращих результатГв було досягнуто при зниженш щiльностi струму до 0.41А/дм2(рис.1). При цьому за 26 годин було зафжсовано зниження концентрацп нiкелю з 15 г/дм3 до 3.5 г/дм3 при концентрацп сульфату натрш в розчиш на рiвнi 100 г/дм3. Однак при проведенш електролiзу з розчину сульфату натрiю iз концентрацieю 50 та 25 г/дм3 не було отримано гстотних покращень в електролiтичному вилученнi нiкелю.

металiв, важливим е отримання розчинiв кислот з концентращею 5% i бгльше. Адже отримання в аноднiй областГ двохкамерного електролiзера розбавлених розчинiв кислот е незадовгльним вирiшенням пробле-ми в звязку з проблематичшстю застосування даних розчишв повторно для регенерацп iонiтiв.

Тому нами в данш роботi були вивченi проце-си видглення iонiв нiкелю з кислих регенерацшних розчинiв, що мiстили юни нiкелю в концентрацп 23,774 г/дм3 та мрчану кислоту в концентрацп 10 г/дм3, в двохкамерному електролiзерi, роздГленому анiонообмiнною мембраною АВ-17-8. Робочий розчин об'емом 90 см3. помщали в катодну область, а в анодну-помщали розчин мрчано! кислоти з концентращею вгд 0.01 гекв/дм3 до 1.91 гекв/дм3. Процес проводили при щшьносп струму 3.33 А/дм2. Метою роботи було не тгльки отриманяя кислоти певно! концентрацп, але й найбгльш повне видiлення юшв нiкелю з розчину.

Рис. 1 Залежжсть концентрацп Ni2+ вiд часу електролiзу при щiльностi струму j=0.41 А/дм2, C(Ni2+)=14.68 г/дм3, С(Na2SO4) =100 г/дм3 при використанш анюнообмшноТ мембрани МА-40

Якщо в цiлому проаналiзувати результати дослiджень по електрохiмiчному вилученню iонiв нiкелю iз нейтральних регенерацшних розчишв сульфату натрш, то можна сказати, що в даному випадку необхщно врахувати два фактори - шДльтсть струму та концентрацш сульфату натрш. При зниженш щшьносп струму пгдвищуеться вихгд за струмом нжелю при його електрохiмiчному вiдновленнi, але при цьому знижуеться швидюсть процесу, що в результат при-зводить до значного збгльшення термiну електролiзу.

З iншого боку зниження концентрацп сульфату натрш дозволяе п гдвищити швидюсть електрохiмiчного вгдновлення нiкелю, але при цьому суттево знижуеться ефектившсть регенерацп iонiту при повторному використанш регенерацшного розчину.

Вгдомо, що кращими реагентами для регенерацп катюнтв вгд ГонГв нiкелю е розчини мрчано! та соляно! кислот.

Процеси електрохГмГчного вгдновлення нГкелю детально вивчет в роботГ [4], де в значнш мГрГ вирГшено проблему вилучення нжелю з кислих регенерацшних розчишв, що мГстили сульфат нжелю. Проте недолжом е те, що при застосуванш бури та борно! кислоти змшюеться склад регенерацГйних розчишв, що негативно впливае на процеси регенерацп катюнтв, при повторному використанш цих розчишв. Недо-пустимим е використання четвертинних солей в регенерацшних розчинах, оскГльки вони будуть ефек-тивно сорбуватись на катюнт, знижуючи його емшсть по катГонах металГв. Небажаним е пгдвищення рН кислих регенерацГйних розчишв до 1.5-2.0, що рГзко знижуе ефектившсть процесу регенерацп катютту вгд ГонГв нГкелю при повторному використанш розчину.

В процесах електрохГмГчно! переробки кислих регенерацГйних розчишв, що мгстять Гони важких

Рис.2 Залежнють залишковоТ концентрацп iонiв шкелю вщ часу електролiзу розчину сульфату жкелю (С(Ni2+)=23.774 г/дм3; C(H2SO4)=10 г/дм3) у двокамерному электролiзерi (мембрана АВ-17-8) при щтьносп струму 3.33 А/дм2 i рiзних концентрацiях сiрчаноТ кислоти в аноднш областi

Як видно з рис. 2 швидюсть видглення нГкелю на першому етапГ (першГ 4 години) практично не залежить вгд концентрацп кислоти в аноднш области Однак при подальшому електролГзГ цей вплив достатньо Гстотний. При концентрацп кислоти в аноднш областГ на рГвш 0.01 гекв/дм3 час електролГзу, за який концентрацгя нГкелю знизилася до 0.88 г/дм3 - 8 годин, тодГ як при концентрацп кислоти в аноднш областГ 1.91 гекв/дм3 така ж залишкова концентрацгя нГкелю була досягнута протягом 12 годин.

Така ж тенденщя спостерпаеться й у змт виходу за струмом для нГкелю й кислоти. Так за 4 години вихгд нГкелю за струмом при концентрацп кислоти в аноднш областГ 0.01 гекв/дм3 сягнув 52%, при концентрацп кислоти 1.1гекв/дм3 сягнув 46% Г при концентрацп 1.91 гекв/дм3 - 44%. Виходи за струмом кислоти за той же час при вгдповгдних концентращях склали вгдповгдно 62%, 46% й 7%.

Значно повгльшше росте концентрацгя кислоти в аноднш областГ зГ збгльшенням И вихгдно! концентрацп (рис.3). Для вихгдно! концентрацп кислоти 0.01 гекв/дм3 приргст концентрацп склав 0.11гекв/годи-ну, для концентрацп 1.10 гекв/дм3 - 0.10 гекв/година й

для концентрацп 1.91 гекв/дм3 - тшьки 0.06 гекв/годи-на в цшому й тiльки 0.015 гекв/година за перш i 4 години.

C(H2S04), гекв/дм3

3

концентрацiю кислоти в аноднш областi можна лише до 1 гекв/дм3. В цшому вданому разi концентрацш iонiв нiкелю вдалось знизити з 23.77 г/дм3 до 0.88 г/дм3.

2,5 2

-•-1 1=600мА(| З.ЗЗА/дмг),С(Н2504)=0.01пеко/дм3 —#—2 и600мА(|=З.ЗВА/дм:),С(Н:504) 1 1гсно/дм3 —3 1-600мА[| З.ЗЗА/дмЧС(Н2504И.91геко/дм3

Рис. 3 Залежжсть концентрацп арчаноТ кислоти в аноднш

обласп вiд часу електролiзу розчину сульфату шкелю (С(Ni2+)=23.774 г/дм3; С(Н^04)=10г/дм3) у двокамерно-му электролiзерi (мембрана АВ-17-8) при щiльностi струму 3.33 А/дм2 i рiзних вихiдних концентращях арчаноТ кислоти в аноднш обласп

З наведених даних видно, що при вилученнi нiкелю електролiзом з кислого розчину п1двищувати

3. Висновки

Таким чином в данш робот було розгляну-то електохiмiчнi процеси преробки нейтральних регенерацiйних розчитв та кислих регенерацiйних розчинiв, що мктили сульфат нiкелю, в двохкамерно-му електролiзерi з застосуванням анюнообмших мембран МА-40 та АВ-17-8. Встановлено, що юни нiкелю видшяються з нейтральних регенерацiйних розчинiв в електролiзерi з анiонообмiнною мембраною марки МА-40 лише при щшьносп струму до 0.4 А/дм2. При цьому вдалося знизити концентрацш ютв нжелю з 15 г/дм3 до 3.5 г/дм3. Значно кращих результапв було досягнуто при електрохiмiчнiй переробщ кислих регенерацiйних розчинiв з використання двохкамерного електролiзера та анюнообмшно! мембрани марки АВ-17-8. Було досягнуто зниження концентрацп юшв нжелю з 23.77 г/дм3 до 0.88 г/дм3 за термш електролiзу 8-12 годин в залежносп вщ концентрацп арчано! кислоти в прианодному шарi. Крiм того було отримано розчини арчано! кислоти в концентрацп 0.9- 2.68 гекв/дм3.

Литература

1. Максин В.И. Осаждение гидроксидов и гидроксикарбонатов железа, никеля и меди из сточных вод и технологических растворов / Максин В.И., Волуйская Е.А. // Химия и технология воды. - 1989. - Т.11, № 1. - С.12-25.

2. Глушко О.В. Вилучення шкелю з промивних вод гальвашчних виробництв / Глушко О.В., Радовенчик В.М. // „Науков1 вют1 НТУУ „КШ"" - 2006. - № 6 С.123-127.

3. Сагайдак 1.С. Локашзащя та знешкодження ст1чних вод, забруднених сполуками хрому, кадмш та цинку : автореф. дис. кандидата техшчних наук: 10.10 2000 / 1.С. Сагайдак [НТУУ «КП1»]. - К., 2000. - С.11-12.

4. Сучасш проблеми охорони довюлля, рац1онального використання водних ресурав та очистки природних i ст1чних вод. [Донченко М.1., Редько Р.М., Коваленко С.Ю. Електрох1м1чне осадження шкелю 1з йрчанокислих елюат1в, утворених при регенерацЦ кат1он1т1в ]: матер1али м1жнародно! науково-практично! конференций 30 травня 2007 м.Кшв,.- Ки!в: товариство „Знання Украши", 2007. - С.69-72.