CC BY
27
УДК 628.16.087
А. В. Перфильева, В. И. Ильин*, В. А. Колесников
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева», Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1 * e-mail: lera@muctr.ru
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ХРОМА (III) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Установлены основные факторы и направления интенсификации электрофлотационного процесса извлечения частиц малорастворимых соединений хрома (III) из водных растворов. Показано влияние рН и состава среды во взаимосвязи с дисперсностью извлекаемых соединений и технологическими параметрами электрофлотационного процесса.
Ключевые слова: интенсификация, водоочистка, электрофлотация, дисперсная фаза хрома (III)
Одним из электрохимических процессов, используемых в практике очистки производственных сточных вод, является электрофлотация, при котором извлечение загрязняющих веществ происходит при помощи электролизных пузырьков. Несмотря на большие потенциальные возможности этого метода, имеется ряд дисперсных систем, содержащих гидрофильные частицы малорастворимых соединений цветных металлов, в частности, хрома (III), являющиеся агрегативно устойчивыми и обладающими канцерогенными и кумулятивными свойствами, при очистке которых, данный метод не обеспечивает требуемой степени извлечения. В связи с чем, создание новых и изыскания путей интенсификации эффективности существующих способов и технологических приемов электрофлотационного процесса очистки сточных вод является актуальной научной задачей.
На основании экспериментальных
исследований установлены основные факторы и направления интенсификации процесса электрофлотационного извлечения частиц малорастворимых соединений хрома (III) из водных растворов, определена степень их влияния.
Результаты экспериментальных исследований по влиянию рН среды на формирование и свойства дисперсной фазы малорастворимых соединений хрома (III) в интервале от 5 до 10 показали, что при рН~7,8 происходит перезарядка поверхности частиц, их средний размер равен 13,5 мкм, а равновесная концентрация ионов хрома (III) в водном растворе составляет 2,5 мг/л. При этом, максимальная степень извлечения дисперсной фазы хрома, равная 81-83 %, достигается при рН 7,2-7,5 и ^-потенциале, равном +(0,2-0,5) мВ при продолжительности электрофлотации 15 минут. Следует отметить, что то же значение степени извлечения достигается отстаиванием за 20 ч.
Максимальная степень извлечения частиц малорастворимых соединений хрома (III) достигается при плотности тока 0,2-0,25 А/л.
При исследовании влияния ионного состава дисперсной системы на эффективность
электрофлотационного процесса установлено, что положительное влияние оказывают анионы С1-, КО3- и Б- при соотношении исходной концентрации ионов хрома к данным ионам 1:(0,2-2). В данном случае наблюдается повышение степени извлечения с 83 до 90-92 %. При более высоких концентрациях анионов наблюдается торможение процесса и снижение степени извлечения дисперсной фазы до 10-70 %.
В присутствии ионов Б2-, РО43-, СОз2-, Са2+, М§2+ и КН4+ при их соотношении к исходной концентрации ионов хрома как 1 :(0,1—1) степень извлечения не изменяется, а при их увеличении -степень извлечения снижается.
Установлено, что в присутствии катионов металлов наиболее эффективно процесс протекает в присутствии ионов Бе3+ при рН 7-9 и ионов А13+ при рН 7-8 при соотношении Сг3+: (Бе3+, А13+) как 1:(0,5-2). Степень извлечения дисперсной фазы хрома (III) при данных условиях составляет 9095 % за 10-12 минут, при этом равновесная концентрация ионов хрома (III) в присутствии Бе3+ составляет 0,15-0,2 мг/л, а в присутствии А13+ -0,05-0,1 мг/л.
В присутствии катионов №2+, Си2+ и 2п2+ степень извлечения дисперсной фазы хрома (III) не превышает 70-80 %.
При проведении исследований в проточном режиме в двухкамерном аппарате степень извлечения дисперсной фазы хрома (III) в зависимости от состава среды не превышает 80 % при кратности обмена раствора 3-4 ч-1, что соответствует времени пребывания очищаемой воды в аппарате 20-15 мин.
Дальнейшие исследования были направлены на поиск путей интенсификации
электрофлотационного процесса извлечения дисперсной фазы хрома (III).
Если уравнение (1) позволяет рассчитать время очистки воды, то уравнение (2) позволяет определить время электрофлотационного процесса извлечения частиц дисперсной фазы хрома (III).
vk
Гэф = Q (1);
Тэф
ифк
(1) (2),
где ¥к - объём флотокамеры, м3; Qв - расход очищаемой воды, м3/с; Нк - высота флотокамеры, м;
°фк - средняя скорость всплывания флотационных комплексов, м3/с.
-2
g( Рв -Рфк )d фк
ифк = -
4 18ij
где Ц - динамическая вязкость воды, кг/м-с; £ - скорость свободного падения, м/с2; Рфк - плотность флотокомплексов, кг/м3;
^фк - средний диаметр флотокомплексов, м; рв - плотность воды; кг/м3.
Подставляя (3) в уравнение (2) получим
18?]Нк
(3)
гэф
-2
g(Рв~ Рфк )dфк
(4)
Из уравнения (4) следует, что чем больше средний размер частиц, при прочих равных условиях, тем меньше продолжительность процесса электрофлотации.
Показано [1], что одним из распространенных способов повышения эффективности извлечения агрегативно и седиментационно устойчивых загрязняющих веществ является использование флокулянтов, действие которых направлено на изменение дисперсных свойств частиц, приводящее к их объединению и коагуляции.
В этом направлении исследовано влияние флокулянтов серии Бирегйос, Ferrocryl, Praestol, Zetag, а также марок ПАА, LT 30, M 10 различных ионогенных типов на дисперсные характеристики малорастворимых соединений хрома (III) и их электрофлотационную активность при рН 7,2-7,5 (табл. 1).
Таблица 1
Влияние флокулянтов на средний размер частиц и электрофлотационную активность малорастворимых
Дисперсная Средний размер Степень
система частиц, мкм извлечения, %
Cr(OH)3 13,5 80-83
Cr(OH)3+M 10 91,5 98-99
^^Ц^ПАЛ 72,5 92-96
C^OH^+А 137 48,5 88-90
В присутствии флокулянтов с увеличением размера частиц их степень извлечения повышается, а концентрация ионов хрома (III) снижается. Наиболее эффективным является анионный флокулянт марки М 10.
Впервые исследован электрофлотационный процесс извлечения малорастворимых соединений хрома (III) из водных растворов в интервале температур от 20 до 90 °С. Показано, что с повышением температуры до 45-90 °С степень извлечения дисперсной фазы хрома (III) повышается до 98-99 % при времени электрофлотации 10 минут. При этом концентрация ионов хрома (III) снижается при t=45 °С до 0,9 мг/л, а при t=90 °С до 0,06 мг/л. Использование флокулянта при t=45±5 °С позволяет снизить продолжитльномть
электрофлотации до 6 мин.
При проведении электрофлотации в проточном режиме эффективность процесса зависит от различных факторов, большинство из которых взаимосвязаны и определяются конструкцией аппарата, гидродинамическими параметрами флотационных систем (скоростью протекания воды через флотокамеры аппарата и временем ее пребывания в них, характером движения потоков воды и пузырьков в флотокамерах) и технологическими параметрами процесса. Наиболее эффективным оказалось использование двухкамерных аппаратов. Достижение максимальной степени очистки в данном случае обеспечивается автономным регулированием силы тока во флотокамерах аппарата и их соотношением.
Наиболее эффективно процесс протекает при объёмной плотности тока в первой флотокамере равной 0,2 А/л, а во второй флотокамере - 0,1 А/л при кратности обмена раствора 6 ч-1 и при исходной концентрации ионов хрома (III) не превышающих 100 мг/л.
Утсановлено, что использование конструкции электрофлотационного устройства в виде равнобокой трапеции с наклоненными боковыми сторонами под углом 70-75 градусов к горизонтальной плоскости позволяет повысить исходную концентрацию ионов хрома до 150 мг/л с достижением степени извлечения не менее 98 %.
При такой конструкции (рис. 1) поперечное горизонтальное сечение емкости уменьшается в сторону всплывания газовых пузырьков. По мере всплытия и уменьшения поперечного сечения емкости объемная концентрация электролизных газовых пузырьков водорода и кислорода возрастает (без дополнительного увеличения энергозатрат), что повышает вероятность столкновения удаляемых частиц загрязнений с газовыми пузырьками, образования
флотокомплесов и их флотации на поверхность очищаемой воды, что в конечном счете повышает эффективность и скорость электрофлотационного процесса.
Благодаря уменьшению в верхней части емкости площади зеркала воды достигается более равномерное распределение пенного продукта (флотошлама) по поверхности воды и повышается его содержание, приходящееся на единицу площади зеркала воды.
- Нк
Рис. 10. Конструкция электрофлотационного устройства для извлечения частиц дисперсной фазы малорастворимых
соединений тяжелых и цветных металлов. 1, 11 - флотокамеры; 2 - патрубок для ввода сточной воды; 3 - патрубок для ввода раствора флокулянта; 4 - патрубок для вывода флотошлама; 5 - сборник флотошлама; 6 - пеносборное устройство; 7, 8 - перегородки; 9 - мотор-редуктор, 10 - патрубок для вывода очищенной воды; 12 - электроды
На основании результатов экспериментальных исследований разработаны новые
технологические и конструкторские решения, направленные на интенсификацию и повышение эффективности электрофлотационного процесса извлечения соединений цветных металлов из сточных вод, научная новизна которых
подтверждена 2 патентами России [2, 3], а также усовершенствованы электрофлотационные
технологии очистки сточных вод от соединений хрома (III), предусматривающие использование анионных флокулянтов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ по гранту № 14-29-00194 от 11.08.2014 г.
Перфильева Анна Владимировна ведущий инженер технопарка «Экохимбизнес-2000+» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия. Москва
Ильин Валерий Иванович к.т.н., в.н.с. кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия. Москва
Колесников Владимир Александрович д. т.н., профессор кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия. Москва
Литература
1. 1 Ильин В. И. Интенсификация электрофлотационных процессов извлечения загрязняющих веществ из жидких отходов. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева. - 2008. - 128 с.
2. Ильин В. И., Колесников В. А., Перфильева А. В. Способ очистки сточных вод от ионов цветных металлов // Патент России № 2426695 2011. Бюл. № 23.
3. Ильин В. И., Перфильева А. В., Гречина М. С. Электрофлотационное устройство // Патент России № 137027, 2014. Бюл. № 3.
Perfil'eva Anna Vladimirovna, Il'in Valeriy Ivanovich*, Kolesnikov Vladimir Alexandrovich D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, * e-mail: lera@muctr.ru
INTENSIFICATION OF THE ELECTROFLOTATION PROCESS OF RECOVERY OF A DISPERSED PHASE OF CHROMIUM (III) FROM WATERY SOLUTION
Abstract
The pacing factors and directions of intensification of electrofloatation process of recovery of a dispersed phase of chromium (III) from watery solution are established. The influencing pH and structure of environment in intercoupling with a degree of dispersion of recovery connections and technological parameters electrofloatation process is present
Key words: intensification, water treatment, electroflotation, dispersed phase of chromium (III)
