CC BY
13
УДК 546.6;544.6.
Половинкина В.А., Колесников А.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД В ПРИСУТСТВИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Половинкина Валерия Алексеевна, бакалавр 4 курса факультета инженерной химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Колесников Артем Владимирович, к.т.н., старший научный сотрудник технопарка «экохимбизнес-2000+» РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, вл. 20, e-mail: valeripolovinkina@gmail.com
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований по электрофлотационному извлечению труднорастворимых соединений алюминия из водных растворов в присутствии органических компонентов (бромтимоловый синий и ксиленоловый оранжевый, Gardostrip Q7940, 2-аминоэтанол, ацетон, ацетонитрил, 2-бутоксиэтанол, н-бутиловый спирт, изопропиловый спирт, моноэтаноламин, полиэтиленгликоль, триэтиламин, эпихлоргидрин, хлорбензол) Было установлено, что органические компоненты в основном подавляют процесс электрофлотации, за исключением красителя бромтимолового синего, который улучшает процесс при любой изученной концентрации(1-100мг/л) на 20%.
Ключевые слова: очистка сточных вод; электрофлотация; алюминий.
STUDY ON ELECTROFLOTATION PROCESS OF EXTRACTION OF ALUMINUM HYDROXIDE FROM WASTEWATER IN THE PRESENCE OF ORGANIC POLLUTANTS
Polovinkina V.A., Kolesnikov A.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this paper the results of experimental studies on electroflotation extraction of insoluble aluminum compounds from aqueous solutions in the presence of organic components (bromothymol blue and xylene orange, Gardostrip Q7940, 2-aminoethanol, acetone, acetonitrile, 2-butoxyethanol, n-butyl alcohol, isopropyl alcohol, monoethanolamine, polyethylene glycol, triethylamine, epichlorohydrin, chlorobenzene). It was found that organic components mainly suppress the electroflotation process, except for the dye bromothymol blue, which improves the process at any studied concentration (1-100mg/l), 20 percent growth %.
Keywords: wastewater treatment; electroflotation; aluminum.
Вода - один из самых значимых природных ресурсов. Она является основой жизни для большинства существ, средой обитания, так же имеет огромное значение в промышленности и сельском хозяйстве, поэтому предотвращение попадания в неё опасных компонентов, является одной из важнейших научно-практических задач.
При обработке алюминия образуются сточные воды из промывных вод, которые появляются, как видно из рисунка 1, после следующих операций: обезжиривание органическими растворителями и травления; снятие травильного шлама; полирование химическое/полирование электрохимическое и нейтрализация; Иммерсионное цинкование или
никелирование [1-3]. Органические компоненты, попадающие в сточные воды представлены в таблице 1.
Объектом исследования являются модельные растворы, имитирующие сточные воды предприятий, цехов, участков и линий где осуществляется обработка поверхности алюминия и его сплавов. Модельные растворы содержат ионы алюминия (III) концентрацией 50 мг/л, и сульфат натрия в концентрации 1 г/л. Указанные концентрации соответствуют промывным водам [4,5]. В работе изучается влияние различных органических компонентов, применяемые для обработки поверхности алюминия и его сплавов.
Рисунок 1. Схема обработки механически не полированной поверхности алюминия
Таблица 1. Попадание органических компонентов в сточные воды
Промывка № После каких операций Органические компоненты
1 Обезжиривание органическими растворителями + травление Олеиновая кислота, моноэтаноламин, мыла натриевые, триэтиламин, изопропанол, синтанол ДС-10, алкилсульфонаты, сульфанол НП-3, смачиватель ДБ, обезжириватель ДВ-301
2 Снятие травильного шлама -
3 Полирование химическое/полирование электрохимическое + нейтрализация Глицерин, моноэтаноламин, триэтаноламин, карбоксиметилцеллюлоза
4 Иммерсионное цинкование или никелирование Глицерин, триэтанолами, полиэтоксиамин, п-диметиламинобензальдегид, декстрин; янтарная кислота, барбитуровая кислота, 1,4-бутиндиол, сахарин, хлорамин, формальдегид.
В качестве органических загрязнителей были исследованы: красители: бромтимоловый синий и ксиленоловый оранжевый; индивидуальные органические компоненты: 2-аминоэтанол, ацетон, ацетонитрил, 2-бутоксиэтанол, н-бутиловый спирт, изопропиловый спирт, моноэтаноламин,
полиэтиленгликоль, триэтиламин, эпихлоргидрин, хлорбензол; смывка: Gardostrip Q7940;
Измерение концентрации ионов Al3+ проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии в Центре коллективного пользования им. Д.И. Менделеева.
Для исследования эффективности процесса электрофлотации используют параметр степени извлечения а, %, которая рассчитывается по
формуле (1)
а = ■
■ , (1)
сисх - концентрация вещества до начала электрофлотации, мг/л
скон - концентрация вещества после 20 минут ЭФ или после фильтрации, мг/л
Извлечение гидроксида алюминия (III) и органических загрязнителей из водного раствора Na2SO4 осуществлялось в непроточном электрофлотаторе с нерастворимыми анодами. В качестве катода была использована сетка из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с размером ячеек
0,5^0,4 мм и толщиной проволоки 0,3 мм, тип анодов - ОРТА (титановая пластина с термически нанесенным покрытием из оксидов титана и рутения).
Аппарат изготовлен из стекла, площадь поперечного сечения составляет 10,2 см2, что соответствует рабочей площади анода. Высота электрофлотатора - 800 мм, рабочий объем раствора в аппарате 0,5 дм3.
Питание электрофлотатора осуществляется с помощью источника постоянного тока ЫУ1803Б. Сила тока 100-800 мА.
Модельный раствор объёмом 500 мл заливают в колонну аппарата сверху. Далее включают источник тока и регулятором устанавливают необходимую силу тока. Продолжительность процесса электрофлотации составляет 20 минут.
В результате электролиза воды на поверхности электродов идет выделение пузырьков водорода и кислорода, которые, поднимаясь вверх, взаимодействуют с дисперсными частицами труднорастворимых соединений гидроксида алюминия и различными органическими соединениями с образованием флотокомплексов «частица - пузырьки газа».
В результате исследований были получены данные, представленные на диаграмме рис 2.
100
* 90
я so
S 70
Е 60
W 50
3 40
И 30
а 20
В 10
и о
I
/
Z5
!
I
I
I ,, % г
I I %
I
1
J JI J J I .
№ 'S-
.4Г ^
/
4t
? / / У /
J
х-
I
J
а>
v
¿о1
«V
Рисунок 2. Электрофлотационное извлечение алюминия (III) в присутствии органических загрязнителей до и после фильтрации. Слева - после электрофлотации, справа- после дополнительной фильтрации.
Условия эксперимента: Jv=0,4 А/л; С(Na2SO4)=1 г/л; рН=7; С(орг. компонентов)=1мг/л
Плотность образующихся флотокомплексов меньше плотности воды, что обусловливает их подъем на поверхность раствора и образование пенного слоя (флотошлама), состоящего из газовых пузырьков, водных прослоек и дисперсных частиц гидроксида алюминия. Последующая фильтрация выполнялась с помощью обеззоленных фильтров «Синяя лента».
Все эксперименты были проведены при рН=7, так как при данном рН степень электрофлотационного извлечения алюминия наибольшая [6,7] и равна 75%
Можно отметить, что в основном органические вещества подавляют процесс электрофлотационного извлечения труднорастворимых соединений алюминия(Ш), за исключением красителя бромтимолового синего(БТС). Влияние
концентрации красителя на электрофлотационное извлечение гидроксида алюминия представлено на рисунке 3.
I
ш т 0) г
т о 5;
л х 0) с (1) Р О
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
С
0 20 40 60 80 100 Концентрация красителя БТС, мг/л
Рисунок 3. Эффективность электрофлотационного извлечения труднорастворимых соединений А1 (Ш) и
красителя БТС в зависимости от его концентрации. Верхняя прямая - степень извлечения алюминия, нижняя
прямая - степень извлечения красителя. Условия эксперимента: Jv=0,4 А/л; С(Na2SO4)=1 г/л;рН=7
С увеличением концентрации красителя от 1 до 100 мг/л процесс ЭФ извлечения труднорастворимых соединений А13+ улучшается, оставаясь в пределах 95-100%.
Бромтимоловый синий краситель (БТС) (3',3'-дибромтимолсульфофталеин, С27Н28Вг205Б) — трифенилметановый краситель, малорастворимый в воде, кислотно-основный индикатор.
Бромтимоловый синий регистрирует изменения рН в диапазоне значений от 5,8 до 7,6, изменяя свой цвет с жёлтого на синий через оттенки зелёного. Нейтральные значения (рН=7,0) соответствуют травянисто-зелёному цвету. Значение константы
диссоциации кислоты (рКа) для бромтимолового синего составляет 7,10. БТС является гидрофобным соединением.
Процесс электрофлотации в присутствии БТС улучшается из-за того, что его гидрофобные частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз (газа и воды) и поднимаются наверх.
В процессе работы было изучено влияние индивидуальных компонентов на извлечение алюминия(Ш), откуда видно, что улучшает процесс ЭФ краситель БТС из-за своей природы, остальные изученные компоненты подавляют ЭФ извлечение труднорастворимых соединений А13+.
В ходе ЭФ происходит дополнительное извлечение органические компоненты за счет сорбции на гидроксиде алюминия.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения о предотвращении субсидии №14.574.21.0169 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) ЯЕМЕЕ157417Х0169.
Список литературы
[1] ИТС 11-2016 Производство алюминия
[2] ИТС 36-2017 Обработка поверхностей
металлов
и
пластмасс
использованием
электрических или химических процессов.
[3] ИТС 35-2017 Обработка поверхностей, предметов или продукции органическими растворителями.
[4] Виноградов С. С. Экологически безопасное гальваническое производство / Под ред. В. Н. Кудрявцева. М. Изд.2, перераб и доп. : ПИП «Глобус», 2002. 352 с
[5] Виноградов, С.С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование / под ред. Проф. В.Н. Кудрявцева - изд.2, перераб. И доп.: М.: Глобус, 2008. - 144 с.
[6] Нещименко Ю. П., Лагунцов Н. И., Феклистов Д. Ю., Кудинов А. Н., Афанасьев В. С., и др.//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований - 2014. - №8. - С. 99-102
[7] Колесников В.А., Крючкова Л.А., Ильин В.И., Колесников А.В. Электрофлотационное извлечение ионов металлов, находящихся в составе многокомпонентных систем, из сточных вод гальванического производства // Гальванотехника и обработка поверхности - 2015. - № 1. - С. 51-59
