CC BY
8
УДК 66.067.16
К.Н.ТИШКОВ
Нижегородский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО
АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПО ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ
ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ МАЛОТОННАЖНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Исследован процесс и разработан опытно-промышленный образец аппаратурно-технологического комплекса для отделения неметаллической компоненты из металлосо-держащих отходов. Проведено математическое моделирование процесса выщелачивания и оптимизация режима выщелачивания. Разработанный способ на 20-30 % экономичнее существующих методов.
The process is investigated and the trial sample of a hardware - technological complex for branch not metal components from metal contents wastes is developed. Mathematical modeling and optimization of a mode of process dissolving of heavy metal were made. The developed way on 20-30 % of more economically existing methods.
Металлсодержащие промышленные и бытовые отходы наряду с их отрицательным воздействием на окружающую среду содержат значительное количество ценных цветных металлов, и поэтому целесообразно перерабатывать их с извлечением всех ценных компонентов.
Настоящая работа посвящена исследованию отделения неметаллической компоненты путем перевода тяжелых металлов (ТМ) из гальваношламов (ГШ) в растворенное состояние. Анализ твердых и жидких проб на содержание в них ТМ проводился с использованием атомно-абсорбционного метода. Содержание ионов тяжелых металлов в исследуемых гальваношламах составляло, %: Са 35-39; Zn 0,04-1,8; Fe 1,0-2,2; Си 0,5-18; Сг 0,02-0,88; N1 0,004-0,14; РЬ 0,05-0,1. По степени токсичности исследуемые отходы относятся к 4-му классу опасности.
В качестве растворяющего реагента использовали 5-10-процентный раствор серной кислоты. Выбор этого реагента связан с относительно низкой стоимостью, хорошей растворимостью в ней ТМ и ее низкой летучестью. Кроме того, в серно-кислых раство-
рах облегчено последующее выделение ТМ из отработанных растворов и регенерация самой кислоты.
Образование при выщелачивании мелкодисперсной фазы сульфата кальция и особенности физико-химических свойств ГШ таковы, что ни один из применяемых методов выщелачивания не удовлетворял требованиям создания экологически безопасного энерго- и ресурсосберегающего процесса. Поэтому происходил значительный вынос мелкодисперсной фазы, забивка фильтров. Исследование влияния различных факторов (температуры, концентрации и т.п.) на процесс выщелачивания показало, что процесс лимитируется внешней диффузией. Для таких процессов скорость сильно зависима от гидродинамических условий.
Авторами был разработан и запатентован новый способ выщелачивания, который в отличие от существующих методов более полно соответствовал требованиям создания малоэнергоемких аппаратурно-технологи-ческих комплексов по глубокой переработке металлосодержащих отходов. Этот метод позволил исключить отдельные операции
(например, фильтрацию), была существенно увеличена концентрация ТМ в выщелачивающем растворе (ВР), сокращен расход выщелачивающего раствора, уменьшены габариты оборудования и сокращены требуемые производственные площади и т.д.
Обрабатываемые металлосодержащие отходы загружали на осциллирующие в вертикальной плоскости лотки с фильтрующим дном, размещенные в емкостях с обрабатывающим раствором. При ходе лотка вниз раствор проходил через фильтрующее дно и слой шлама, частицы ГШ переходили во взвешенное состояние. За счет этого происходило увеличение поверхности взаимодействия жидкой и твердой фаз, уменьшение диффузионных ограничений и соответственно возрастание скорости выщелачивания. При ходе лотков вниз раствор, насыщенный перешедшими ионами тяжелых металлов, перетекал в емкость, и далее цикл повторялся.
Зависимость скорости выщелачивания от значительного количества факторов потребовала для практической реализации разработанной технологии проведения математического моделирования процесса выщелачивания и оптимизации режима.
В качестве переменных факторов были выбраны следующие: концентрация ВР (Х1), соотношение жидкой и твердой фаз (Х2), скорость протока ВР (в долях объема рабочей емкости) (Х3), время процесса (Х4), температура растворов (Х5) и число ступеней (Хб). Параметром оптимизации выбрана степень выщелачивания ТМ из ГШ (степень очистки).
Проведен дробно-факторный эксперимент для установления влияния отдельных факторов системы и совокупного их влияния на результативный параметр выщелачивания.
Задача множественной регрессии и выбор значимых факторов были решены с применением статистического пакета программ STATGRAPШCS на РС ЭВМ. Степень выщелачивания У = У\/(У + У2), где У1 -убыль ТМ из ГШ; У2 - остаток ТМ в ГШ.
Далее для уменьшения модельной ошибки эта функции преобразована к виду
Y =
exp(LnY1)
100 %.
ехр(Ъп^ ) + ехр(ЬпУ2 )
В итоге получены следующие уравнения:
ЩУО = 1,93 - 0,13 X1 - 0,125 X з -
- 0,02X4 + 0,37X6 - 0,45 X1X4 -
- 0,444X1X5 - 0,486 X1X6 + 0,344XX +
+ 0,941 X2X4 + 0,619 X2X6 - 0,571 X2X2 -
- 0,094 X3X3 - 0,379 X6X6 ;
Ln(Y2) = 0,7816 + 0,76 X1 + 0,091 X3 +
+ 0,1 X4 - 0,585 X6 + 0,159X1X2 +
+ 0,109 X1X3 - 1,646 X2X5 - 0,721 X2X6 -
- 0,286X5X6 - 0,51 XX + 0,565 X2X2 -
11
22
- 0,22 X4X4 - 0.025 Х5Х5 ,
где X - безразмерные независимые переменные.
Связь между исходными и кодированными переменными задается соотношением X = (X - ОУ)/ИВ, где ОУ - основной уровень; ИВ - интервал варьирования.
Сравнение результатов, рассчитанных по модельному уравнению, с экспериментальными данными и расчет критерия Фишера дали основание считать, что полученная модель адекватно отражает исследуемый процесс. Средняя ошибка регрессивного (модельного) уравнения составила 9,3 % (при уровне доверия 95 %).
На основе математической модели оптимизирован режим процесса выщелачивания. При поиске максимума функции степени выщелачивания комплексным методом Бокса получены следующие значения переменных в оптимальной точке: Х1 = 50 г/л, Х2 = 11, Хз = 0,5, Х4 = 1 ч, Х5 = 48 °С, Хб = 4.
Анализируя выведенную математическую модель, приходим к выводу, справедливому в исследуемой области факторного пространства при выбранных интервалах варьирования: характер влияния всех фак-
240 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.158.
торов системы на степень выщелачивания -нелинейный и достаточно сложный. Кроме того, наиболее существенное влияние на степень выщелачивания оказывает концентрация серной кислоты, скорость протока растворов, время процесса и число ступеней обработки.
Испытания разработанного технологического процесса на макетах оборудования показали высокие удельные характеристики, а по такому показателю, как расход электроэнергии, способ осцилляторного выщелачивания существенно экономичнее имеющихся аналогов. Степень извлечения тяжелых металлов на каждой ступени от 55 до 70 %, что обеспечивало суммарную степень извлечения 90-97 % и близко к теоретически рассчитанным значениям. Разработанная конструкторская документация на опытно-промышленный образец аппаратурно-техно-
логического комплекса имеет следующие основные технические характеристики: производительность - до 20 т/год; температура обработки - 20-60 °С; время обработки - 1 ч; число ступеней кислотной обработки - 3-4; число промывочных ступеней - 3-4; объем раствора на одной ступени - 20 л; расход энергии без нагрева - 45 Вт-ч/кг, с нагревом - 250 Вт-ч/кг.
Разработанный способ переработки отходов может быть использован при организации станций централизованной и локальной утилизации металлосодержащих промышленных и бытовых отходов, а также в образовательном процессе при изучении дисциплин «Промышленная экология», «Малоотходные и ресурсосберегающие технологические процессы», «Безопасность технологических процессов».
