CC BY
11
УДК 628.31
Любушкин Т.Г., Носова Т.И., Кузин Е.Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА НА ПРОЦЕСС КОАГУЛЯЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Носова Татьяна Игоревна, магистр 1 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии, e-mail: nti16041998@gmail.com;
Любушкин Тимофей Геннадьевич, студент 4 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии Кузин Евгений Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В рамках исследования рассмотрена оценка влияния добавки соединений титана (оксисульфат) на эффективность процесса очистки модельных хромсодержащих сточных вод. Установлено, что использование добавки соединений титана (комплексный железо-титановый коагулянт) позволяет существенно повысить (25 — 40 %) эффективность процесса седиментации и фильтрации коагуляционных шламов для сточных вод с различным уровнем минерализации. Оптимальная добавка оксисульфата титана не превышает 5%, ввиду чего ожидаемая конечная стоимость комплексного реагента возрастет незначительно.
Ключевые слова: коагулянт, гальваническое производство, сточные воды, оксисульфат титана
INFLUENCE OF TITANIUM-CONTAINING REAGENT ADDITION ON THE COAGULATION PROCESS OF GALVANIC WASTEWATER
Lyubushkin T.G., Nosova T.I., Kuzin E.N.,
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
As part of the study, of the addition of titanium compounds (oxysate) on the efficiency of the process of purification of chromium-containing wastewater was evaluated. It was found that the use ofadditives of titanium compounds (complex iron-titanium coagulant) to maximize the efficiency of the process of sedimentation and filtration of coagulation sludge for wastewater with various degrees ofmineralization. The optimal cost of titanium oxysulfate is not higher than 5%, taking into account that the expectedfinal cost of the complex reagent will increase slightly. Keywords: coagulant, electroplating, wastewater, titanium oxysulfate
Гальваническое производство - основной потребитель чистой, пресной воды и основной источник поступления тяжелых металлов в сточные воды. Именно поэтому вопрос разработки
высокоэффективного метода очистки подобных сточных вод остаётся крайне актуальным. В литературных источниках предлагается широкий спектр технологий обезвреживания стоков гальванического производства, однако до сих пор самым распространённым остаётся реагентный метод
[1]. Большую часть промывных вод достаточно обработать щелочными реагентами (нейтрализация/осаждение нерастворимых гидроксидов), однако для хромсодержащих стоков подобная очистка будет неэффективной.
Хромсодержащие сточные воды на первом этапе очистки обрабатывают восстановителями, чаще всего металлическим железом и его солями (II) или солями сернистой кислоты. В процессе обработки хорошо растворимый хром (VI) восстанавливается в хром (III), который затем направляется на стадию нейтрализации и осаждения. Повсеместное использование соединений железа (II) обусловлено возможностью работать в широком диапазоне рН, а также относительно невысоким расходом реагента и его низкой стоимостью
[2]. Образующиеся соли железа (III) не только переводят хром в плохо растворимую форму, но и являются
коагулянтом, способным приводить к ускоренному осаждению образующихся коллоидных частиц гидроксидов металлов. Сульфиты щелочных металлов распространены значительно меньше, ввиду узкого эффективного диапазона рН и значительного расхода реагентов.
Коагуляция - базовый и высокоэффективный метод очистки воды от дисперсных взвесей, позволяющий укрупнить частицы, повысить скорость и эффективность их седиментации или фильтрации. Популярными коагулянтами в гальванической промышленности считаются соединения
трехвалентного железа (сульфаты или хлориды). К сожалению, несмотря на низкую стоимость и достаточно высокую эффективность их применение приводит к образованию значительного количества трудноотделяемого, плохо фильтруемого шлама. Причем на 1 массовую долю гидроксида хрома образуется 3,12 массовых частей нерастворимого Ре(ОН)з [1].
Сегодня весьма перспективным считается применение комплексных коагулянтов,
представляющих собой смесь двух или более коагулирующих реагентов. В качестве наиболее перспективной добавки для повышения эффективности традиционных реагентов все чаще упоминают соединения титана. Обладая многочисленными
достоинствами, они уже при крайне низкои дозе способны существенно увеличить эффективность очистки и улучшить седиментационные свойства образующегося шлама [3-6].
Основной целью работы является оценка влияния добавки соединений титана на свойства коагуляционных шламов, образующихся в процессе очистки сточных вод гальванического производства (хромсодержащих сточных вод). Основной задачей исследование было определение оптимальной добавки соединений титана к традиционным коагулянтам и оценка влияния на процессы седиментации и фильтрации осадков.
Объектом исследования являлась модельная вода, с содержанием ионов шестивалентного хрома 100 мг/л. Процесс очисти воды от ионов хрома (VI) соответствует схеме (реакции 1,2).
К2Сг207 + вРеБ04 + 7Н2Б04 =
= К2Б04 + 3¥е2 (Б04)з + Сг2 + 7Н2 О (1)
Сг2(504)3 + вМаОН = 2 Сг(ОН)3 I +3Ма2Б04 (2)
В заданный объем модельной воды вносили предварительно подобранную дозу сульфата железа (II), а затем вводили модифицирующую добавку соединений титана (оксисульфат титана), в количестве, не превышающем 10 %масс (по ТЮ2). Контрольным образцом вступал чистый сульфат железа (II). С целью последующего осаждения нерастворимого осадка гидроксида хрома (III) проводили корректировку рН гидроксидом натрия до слабощелочной среды (рН 8,09,0). Процесс очистки проводили на лабораторном флокуляторе фирмы "ЕЬР. Стадия быстрой коагуляции - 150 об/мин - 2 мин, стадия хлопьеобразования 10 об/мин - 8 мин, осадок отстаивали в течение 30 мин. Параметрами эффективности процесса коагуляции выступали скорость фильтрации осадка, а также объем осадка. Объем осадка измеряли в мерном цилиндре, а скорость фильтрации оценивали по объему фильтрата при пропускании обработанной воды через фильтр с рейтингом фильтрации 5 мкм в течение 60 секунд. На рисунках 1 и 2 представлены результаты, демонстрирующие влияние добавки оксисульфата титана на параметры процесса коагуляции.
0,00
2,00 4,00 600 8,00
Дибаака снн:нсульфнтл г и гаи л, ОI
10,00
Рис. 1. Влияние добавки соединений титана на скорость фильтрации осадка
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00
Добавка оксисульфата иггана. % (TÍD2 ]
Рис. 2. Влияние добавки соединений титана на объем образующегося осадка Из данных графика (рис. 1) видно, что добавка оксисульфата титана значительно интенсифицирует процесс фильтрации коагуляционного шлама. Отмечено, что осадок, полученный при добавлении соединений титана, отличается от полученных с использованием классического реагента. Осадок, полученный при использовании добавки оксисульфата титана рыхлым, а его влажность находилась в диапазоне 73 - 75 %. Данные графика (рис. 2) демонстрируют сокращение объемов шлама при использовании титансодержащей добавки. Полученные результаты в первую очередь обусловлены активной поликонденсацией, образующихся продуктов гидролиза оксисульфата титана [7]. Известно, что поверхность частиц гидроксида титана заряжена отрицательно, и при столкновении с положительно заряженным гидроксидом железа (III), происходит процесс зародышеобразования, что дополнительно интенсифицирует процесс коагуляции [8]. При достижении определённой концентрации
титансодержащего реагента эффективность коагуляции резко снижается: установлен рост количества образующегося шлама, а также снижение скорости фильтрации осадка. Данное явление, вероятно, связано с явлением перезарядки поверхности коллоидных частиц и их стабилизацией [9].
Согласно результатам экспериментов, оптимальная доза титансодержащей добавки (оксисульфат титана) составляет 4-5% от количества сульфата железа (II), так как именно при данных условиях наблюдается максимальная скорость фильтрации осадка. При этом количество образующегося шлама будет почти в 2 раза ниже, а скорость его фильтрации возрастет на 25 - 40%.
На гальваническом производстве хромсодержащие, кислотно-щелочные и цианистые стоки после первичной обработки направляются в усреднитель, образуя смешанные сточные воды, которые характеризуются высокой минерализацией [10]. В связи с этим было принято решение оценить влияние минерализации воды на процессы седиментации и фильтрации осадков. Исследование проводили с модельной хромсодержащей водой изменяя содержание NaCl . Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние ионов ^+ и С1- на процессы отстаивания и фильтрации осадка
Добавка ТЮ8С4, % 0 3,04 4,57 6,09 7,61 9,13 10,65 12,18
Объем осадка при с(№С1)=500 мг/л, см3 40 46 44 52 36 48 42 40
Объем осадка при с(№С1)=250 мг/л, см3 34 39 37 44 30 41 36 34
Объем фильтрата при с(№С1)=500 мг/л, см3 96 112 108 108 114 70 84 88
Объем фильтрата при с(№С1)=250 мг/л, см3 103 120 116 116 122 75 90 95
Из данных таблиц 1 видно, что высокая минерализация воды приводит к росту скорости фильтрации осадка, а также увеличивает объема образующегося шлама. При этом величина оптимальной добавки оксисульфата титана возрастает примерно в 1,5-2 раза. Сравнение объемов осадка и скорости фильтрации представлены на диаграмме (рис.
3)
■ Скорость фильтрации, мл/мни
■ 06bei\i осадка, мл
I II
C(NaCl}=0 мг/л
C(NaCl)=250 мг/л
С(КаС1)= 500 мг/л
Рис .3. Оценка влияния минерализации воды на процесс удаления коагуляционного шлама (4,6 % ТЮ2)
Вероятнее всего, полученные результаты (диаграмма рис. 3) связаны с изменением числа заряженных частиц в обрабатываемой воде. Высокое содержание солей в стоке приводит к большему сжатию диффузного слоя коллоидных частиц, что благоприятно отражается на эффективности процесса коагуляции [9].
В рамках проведенной работы была установлена возможность использования добавки соединений титана для повышения эффективности коагуляционной очистки сточных вод гальванического производства. Применение оксисульфата титана в качестве добавки к сульфату железа (II) в количестве 4-5 % значительно интенсифицирует скорость фильтрации образующегося осадка (25- 40%) и уменьшает его количество практически вдвое. Подтверждена перспективность использования модифицирующей титансодержащей добавки в сточных водах с высоким солесодержанием. Указанные выше достоинства будут способствовать упрощению процесса удаления шлама, что позволит существенно сократить габариты очистного оборудования и снизить экономические затраты, а очищенная вода может быть использована повторно [11].
В рамках проведенной работы была установлена возможность использования добавки соединений титана для повышения эффективности коагуляционной очистки сточных вод гальванического производства. Применение оксисульфата титана в качестве добавки к сульфату железа в количестве 4-5 % значительно интенсифицирует скорость фильтрации образующегося
осадка (25- 40%) и уменьшает его количество практически вдвое. Подтверждена перспективность использования модифицирующей добавки в сточных водах с высоким уровнем солесодержания. Указанные выше достоинства будут способствовать упрощению процесса удаления шлама, что позволит существенно сократить габариты очистного оборудования и уменьшить стоимостной показатель, а очищенная вода может быть использована повторно [11].
Работа выполнена в рамках программы поддержки молодых ученых-преподавателей РХТУ им. Д.И.
Менделеева (Заявка 3-2020-013.) Список литературы
1. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство. М.: Глобус, 1998. - 302 с.
2. Перелыгин Ю. П., Зорькина О. В. Реагентная очистка сточных вод и утилизация отработанных растворов и осадков гальванических производств: учебное пособие. Пенза: Издательство ПГУ, 2013. - 80 с.
3. Кузин, Е. Н., Аверина, Ю. М., Курбатов, А. Ю. и Сахаров, П. А. (2019). Очистка сточных вод гальванического производства с использованием комплексных коагулянтов-восстановителей. // Цветные металлы, № 10, С. 91-96.
4. Мамченко А. В., Герасименко Н. Г., Пахарь Т. А. Влияние температуры на эффективность процесса коагуляции титанилсульфата и сульфата алюминия // Химия и технология воды. 2011. Т. 33, № 5. С. 530-542.
5. Izmailova N.L., Lorentson A.V., Chernoberezhskii Y.N., Composite coagulant based on titanyl sulfate and aluminum sulfate.// Russ. J. Appl. Chem. 2015. V. 88. pp. 458-462.
6. Кузин Е. Н., Кручинина Н. Е. Комплексные коагулянты очистки сточных вод гальванического производства // Гальванотехника и обработка поверхности. 2019. Т. 27, № 4. С. 43-49.
7. Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов. Учебное пособие Текст. М.: ИКЦ «Академкнига». 2007. - 309 с.
8. Драгинский, В. Л., Алексеева, Л. П. и Гетманцев,
C. В. (2005). Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Научное издание, -576 с.
9. Серпокрылов, Н. С. Экология очистки сточных вод физико-химическими методами / Н. С. Серпокрылов, Е. В. Вильсон, С. В. Гетманцев, А. А. Марочкин - Москва : Издательство АСВ, 2009. - 264 с.
10. Волоцков Ф.П. Очистка и использование сточных вод гальванических производств. М.: Химия. 1983 г. - 104 с.
11. Averina J.M., Kaliakina G.E., Zhukov
D.Y.,Kurbatov A.Y.,Shumova V.S. Development and design of a closed water use cycle. // 19th International Multidisciplinary Scientific Geoconference (SGEM 2019) Bulgary 2019, vol. 19 of 3.1., pp. 145-152.
