CC BY
38
УДК 628.16.087
М. С. Гречина, 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 КОБАЛЬТА (II) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Исследован электрофлотационный процесс извлечения дисперсной фазы кобальта (II) из водных растворов. Показано, что в диапазоне плотности тока 0,3-0,5 А/л степень очистки водных растворов от дисперсной фазы соединений кобальта (II) составляет 97-99 % при времени обработки 8-10 минут. Проведение процесса электрофлотации с предварительной флокуляционной обработкой воды позволяет сократить время до 3-5 минут и затраты электроэнергии в 2-3 раза.
Ключевые слова: интенсификация, водоочистка, электрофлотация, дисперсная фаза кобальта (II)
Разнообразие перерабатываемого сырья, сложность и многостадийность производственных процессов обусловливают большой выход сточных вод, высокую степень их загрязненности. Если в составе сточных вод предприятий цветной металлургии нормативно-чистые воды составляют около 15 %, то доля загрязненных вод, сбрасываемых в природные поверхностные водные объекты, достигает порядка 50 %. Это в основном сточные воды, образующиеся в электролизных цехах, при смыве полов и обмыве аппаратуры. Несмотря на то, что схемы обогащения, водопотребления и водоотведения, номенклатура и расход применяемых реагентов на предприятиях различаются, сточные воды в значительной степени загрязнены соединениями цветных металлов (кобальта, меди, никеля, цинка, кадмия, и др.). Повышение требования к качеству сброса сточных вод в объекты рыбохозяйственного значения по их содержанию создает определенные сложности в разработке технологических решений глубокой очистки сточных вод.
Проблема охраны водных объектов в значительной мере решается при внедрении новых технологий, сооружений и установок, которые позволяют обеспечивать эффективную очистку сточных, шахтных и рудничных вод.
В общем случае очистку сточных вод проводят механическими и физико-химическими процессами, связанными с извлечением загрязняющих примесей. Практически отсутствуют процессы глубокой очистки воды, при которой степень удаления загрязняющих веществ определяется условиями сброса очищенных вод в водные объекты.
В настоящее время уровень обеспеченности новейшими технологиями и установками для очистки сточных вод невысок. Непрерывное ужесточение нормативных требований привело к исчерпанию технических возможностей существующих технологий осуществлять очистку сточных вод до нормативных показателей. Действующие очистные сооружения большей
частью нуждаются в ремонте и модернизации. В последние годы разрабатываются и внедряются все более эффективные способы очистки и доочистки сточных вод с применением таких процессов как электрохимические, мембранные, сорбционные и др. В то же время возросшие требования к качеству воды обусловливают поиск новых путей интенсификации процессов водоочистки, направленных на повышение интенсификации и эффективности процесса, повышение экономичности и производительности очистных сооружений и устройств, сокращение их эксплуатационных затрат.
Для практического применения в РХТУ им. Д.И. Менделеева на кафедре технологии электрохимических процессов ведутся работы по исследованию электрофлотационного процесса извлечения из водных растворов цветных металлов и в частности соединения кобальта (II).
В качестве объекта исследования были использованы модельные растворы и имитаты сточных вод. Массовое содержание кобальта в пробе воды определяли методом атомно-адсорбционной спектроскопии.
В начальной стадии экспериментов было исследовано влияние температуры очищаемого водного раствора в диапазоне от 20 до 90 оС при величине рН от 9,0 до 11,5 на свойства дисперсной фазы соединений кобальта (II).
Установлено, что повышение температуры водного раствора до 90 оС не влияет на растворимость дисперсной фазы соединений кобальта (II), но влияет на их фазово-дисперсный состав.
В последующей серии опытов выяснено влияние объемной плотности тока на эффективность извлечения дисперсной фазы кобальта (II). Полученные данные свидетельствуют о том, что в диапазоне плотности тока от 0,3 до 0,5 А/л и при продолжительности обработки до 10 минут, степень извлечения дисперсной фазы кобальта (II) увеличивается и достигает максимального значения, равного 9799 % при объемной плотности тока 0,3 А/л и
продолжительности электрофлотации 8 минут. При этих условиях удельные затраты электроэнергии электрофлотационного процесса составляют 0,7-0,8 Вт-ч/л. Следует отметить, что при других значениях объемной плотности тока степень извлечения дисперсной фазы кобальта снижается.
Показано [1], что одним из распространенных способов интенсификации процесса извлечения диспсерной фазы малорастворимых соединений цветных металлов является использование полиэлектролитов, воздействие которых направлено на изменение гранулометрических характеристик дисперсных частиц.
В этом направлении исследовано влияние органических флокулянтов различных типов (анионные, катионные и неионогенные), относящиеся к таким группам соединений как полиэпихлоргидриндиметиламины, акриламиды, полидиаллилдиметиламмоний хлориды.
В результате исследований установлено, что основными параметрами, влияющими на флоккулирующую способность полиэлектролитов, являются природа, размер, величина и знак дзета-потенциала поверхности флотируемых частиц, природа, концентрация и плотность заряда полиэлектролитов, молекулярная масса, рН среды. Так, в присутствии катионного флокулянта, относящегося к группе полиакриламидов, при объемной плотности тока 0,3 А/л степень извлечения дисперсной фазы кобальта (II) достигает порядка 99 % уже за 5 минут. Удельные затраты электроэнергии составляют 0,2 Вт-ч/л, что в 3 раза меньше, чем при проведении процесса в отсутствии флокулянта.
Показано, что в случае разноименно заряженных полиэлектролита и поверхности частиц дисперсной фазы кобальта (II) движущей силой адсорбции является электростатическое притяжение между ними, а в случае одноименно заряженных адсорбция протекает по ионообменному механизму, т. е. ионы диффузной части двойного электрического слоя электролита вблизи поверхности вытесняются молекулами полиэлектролита, несущими тот же заряд. Это подтверждают экспериментальные исследования, проведенные с помощью радиоизотопной методики «по раствору».
Среди полиэлектролитов, относящихся к одному типу по знаку заряда, наиболее эффективными флоккулирующим действием обладают те, которые имеют более высокую молекулярную массу.
Существенным для электрофлотации положительным свойством полиэлектролитов состоят в том, что они способствуют адсорбционной перезарядке поверхности газового пузырька и возникновением электростатических сил притяжения между частицами дисперсной фазы и пузырьками.
В конечном итоге действие полиэлектролитов при электрофлотации сводится к обеспечению агрегирования частиц в более крупные агрегаты, эффективность захвата которых газовыми пузырьками существенно выше, чем исходных, что повышает эффективность извлечения частиц.
Наиболее эффективное флоккулирующее действие полиэлектролитов в водных растворах проявляется при добавлении их в количестве 0,011 % от массы дисперсной фазы, что соответствует их концентрации от 0,1 до 1 мг/л.
В ходе исследований установлено, что эффективность электрофлотационного процесса в присутствии флокулянтов определяется не только подбором типа флокулянта с определенными характеристиками, но и условий приготовления и хранения рабочих растворов и их применения.
Другими закономерностями,
характеризующими электрофлотационный
процесс извлечения частиц дисперсной фазы кобальта (II) в присутствии флокулянтов, являются: снижение величины токовой нагрузки и расширение диапазона оптимальных значений, снижение оптимальной высоты рабочей зоны с 0,8 до 0,5 м и расширение верхней границы исходной концентрации дисперсной фазы кобальта (II) с 200 до 1500 мг/л.
Исследования по электрофлотационному извлечению дисперсной фазы кобальта (II) с концентрацией 20-100 мг/л (в пересчете на ионы Со) проводили из растворов, содержащих электролиты №аС1 (100 г/л), №2804 (100 г/л) и смесь №аС1 (30 г/л) и №2804 (70 г/л).
Установлено, что электролиты №а2Б04 и №N03 с концентрацией до 100 г/л практически не влияют на растворимость дисперсной фазы кобальта (II) и равновесная концентрация ионов кобальта (II) находится на уровне 0,2-0,3 мг/л (в отсутствии электролитов - 0,1 мг/л). Более высокие значения (0,9 мг/л) наблюдаются в бинарной системе №аС1 и №2804.
В бинарной системе, моделирующей сточные воды гидрометаллургического предприятия, электрофлотационный процесс характеризуется средней степенью извлечения: степень извлечения дисперсной фазы кобальта (II) не превышает 60 % за 8 минут. Увеличение продолжительности процесса до 15 минут позволяет повысить степень извлечения на 12 %.
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 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 объемной плотности тока в первой флотокамере равной 0,15-0,2 А/л, а во второй флотокамере от 0,1 до 0,15 А/л при кратности обмена раствора 6-7 ч-1 и при исходной концентрации ионов кобальта (II) не превышающих 150 мг/л.
Разработана конструкция электрофлотатора в виде равнобокой трапеции с наклоненными
боковыми сторонами под углом 70-75 градусов к горизонтальной плоскости, которая позволяет повысить исходную концентрацию ионов кобальта (II) до 200 мг/л со степенью извлечения 98 %.
При такой конструкции 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 электрофлотационного процесса,
т. е. увеличивает скорость очистки [2].
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.
Таким, образом, проведенные исследования указывают на целесообразность использования электрофлотационного процесса для извлечения дисперсной фазы кобальта (II) из водных растворов с предварительной флоккуляционной обработкой. Разработанные технологические и конструкторские решения могут стать основой для разработки промышленной технологии по извлечению частиц дисперсной фазы из сточных вод предприятий цветной металлургии.
Гречина Марина Сергеевна аспирант кафедры технологии электрохимических процессов 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. 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., Перфильева А. В., Гречина М. С. Электрофлотационное устройство // Патент России № 137027, 2014. Бюл. № 3.
GrechinaMarina Sergeevna, 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 COBALT (II) FROM WATERY SOLUTION
Abstract
A process of the electroflotation of recovery of a dispersed phase TOnnections of cobalt (II) from watery solution has been studied. It is shown that in the range of current densities 0,3-0,5 А/l the degree treatment of the watery solution from dispersed phase of cobalt (II) is 97-99 % and time treatment of waste water 8-10 min. The process of electroflotation combined with flocculation treatment of the watery solution enables time to 3-5 min and electric power consumption by 2 to 3 times.
Key words: intensification, water treatment, electroflotation, dispersed phase of cobalt (II)
