CC BY
31
УДК 66.087.4, 661.185.1
Маслянникова Д.В., Колесников А.В., Какуркин Н.П.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ СУЛЬФАТА БАРИЯ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ
Маслянникова Дарья Валерьевна, студентка 1-го курса магистратуры факультета инженерной химии, инженер I категории технопарка «Экохимбизнес-2000+» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, e-mail: dar_m_95@mail.ru;
Колесников Артем Владимирович, к.т.н., старший научный сотрудник технопарка «Экохимбизнес-2000+»; Какуркин Николай Потапович, к.т.н., доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов,
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Электрофлотационное извлечение сульфата бария из сточных вод является перспективным методом очистки от сульфат-ионов. Исследовалось влияние коагулянтов и различных добавок на эффективность процесса. Установлено, что процесс электрофлотационного извлечения сульфата бария в присутствии коагулянтов и ПАВ проходит эффективно, степень извлечения при оптимальных условиях доходит до 98%.
Ключевые слова: сточные воды, гальванические производства, электрофлотация, сульфат бария, коагулянт.
EXTRACTION OF BARIUM SULPHATE FROM WASTEWATER OF GALVANOCHEMICAL PRODUCTION BY ELECTROFLOTATION METHOD
Maslyannikova D.V., Kolesnikov A.V., Kakurkin N.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Electroflotation extraction of barium sulphate from wastewater is a promising method of purification from sulphate ions. The effect of coagulants and various additives on the efficiency of the process was investigated. It is found that the process of electro-flotation extraction of barium sulfate in the presence of coagulants and surfactants is effective, the recovery rate reaches 98% under optimal conditions.
Keywords: wastewater, electroflotation, galvanic production, barium sulfate, coagulant.
Введение
Гальванохимические производства являются одним из серьезных источников загрязнений окружающей среды. Сточные воды таких предприятий помимо цветных и тяжелых металлов содержат в большом количестве ионы сульфатов, хлоридов, фосфатов.
Кислотное травление алюминия и его сплавов широко применяется в процессах анодного оксидирования на гальванических производствах. В результате в сточных водах оказывается большое количество различных ионов, таких как БО/", А13+ и другие.
В настоящий момент способы очистки сточных вод позволяют получить воду высокой степени чистоты, но это связано с огромными денежными и эксплуатационными затратами.
В последнее время российские химические заводы часто сталкиваются с трудностями в очистке сточных вод от сульфат-ионов (ПДК сульфатов в воде водоемов хозяйственно"питьевого назначения составляет 500 мг/л [1]). В реальных сточных водах гальванического производства их концентрация может достигать 1 г/л. Некоторые предприятия используют для очистки от таких примесей различные методы, в том числе и метод седиментации. В таком случае в сток добавляется какой-либо реагент для получения нерастворимого сульфата, после чего его направляют в отстойник
для осаждения. Но данный метод не всегда эффективен ввиду остаточной растворимости многих сульфатов (сульфаты кальция, магния). С другой стороны, сульфат бария, например, имеет низкий показатель остаточной растворимости (2,45 мг/л [2]), поэтому является удобным с точки зрения очистки сточной воды, однако осаждение чистого сульфата бария в отстойниках происходит довольно медленно (больше часа). Поэтому оказалось необходимым прибегнуть к другим способам выделения сульфата бария из сточных вод.
Существуют другие методы извлечения дисперсной фазы, а именно: фильтрация, флотация, электрофлотация [3]. При больших концентрациях сульфата бария (в районе 1 г/л) может применяться метод седиментации, однако для малых концентраций (менее 1 г/л) возможно использования метода электрофлотации, который получил развитие в последние 10 лет.
В процессе электрофлотации при электролитическом разложении воды образуются на катоде и аноде газовые пузырьки, которые, всплывая в объёме воды, взаимодействуют с частицами дисперсной и эмульгированной фаз. В результате происходит их взаимная коагуляция, обусловленная уменьшением поверхностной энергии между флотируемой частицей и газовым пузырьком на границе раздела фаз жидкость-газ. Плотность образовавшихся флотокомплексов меньше
плотности воды, что обусловливает их всплывание на поверхность воды с образованием пенного слоя
[4].
Методика проведения эксперимента
Лабораторная электрофлотационная установка (рис. 1) изготовлена из стекла, площадь поперечного сечения 10,2 см2, что соответствует рабочей поверхности анода. Высота аппарата - 800 мм, объем обрабатываемого раствора - 500 мл. Вентиль отбора проб располагается на высоте 40 мм от электродного блока. Электродный блок (3) включает нерастворимый анод (6), выполненный из ОРТА (титановая основа с пленочным покрытием из оксидов кобальта и рутения, нанесенным термическим разложением смеси их солей) и катод
(5), выполненный из сетки нержавеющей стали с размером ячеек 0,5*0,4мм, толщина проволоки 0,3 мм). Питание электрофлотатора и контроль напряжения осуществляется с помощью источника постоянного тока Б5-48 (2). Диапазон объемных плотностей тока 0,1-0,5 А/л. По окончании процесса очистки через вентиль (4) осуществляется отбор проб с целью определения остаточной концентрации загрязняющего вещества в обрабатываемом растворе. При изучении кинетики процесса отбор проб осуществляется через каждые 5 мин. Объем пробы 5-10 мл. Дополнительную фильтрацию проб осуществляли с помощью фильтровальной бумаги.
Иэф:
-"a:' С'''"• 100%,
О
—
Рис. 1. Схема электрофлотационной установки: 1 -колонна электрофлотатора; 2- источник постоянного тока; 3 - электродный блок; 4 - вентиль для отбора проб; 5 - катод; 6 - анод; 7 - флотоконцентрат; 8 -колба для отбора проб.
Основным параметром, определяющим эффективность электрофлотационного процесса, является степень извлечения дисперсной фазы а:
где Сисх, Сост - соответственно исходная и остаточная концентрация дисперсной фазы в водной среде, г/м3(мг/л).
Концентрации рассчитывались через показатель мутности путем построения калибровочной кривой. Определение показателя мутности отобранных образцов проводили на мутномере HI 98703 Hanna.
Для исследования влияния ПАВ на электрофлотационную активность частиц были выбраны следующие поверхностно-активные вещества:
анионные ПАВ - додецилбензолсульфонат натрия (NaDBS);
катионные ПАВ - дидецилдиметиламмоний хлорид (Септапав);
неионогенный ПАВ - полиэтиленоксид (ПЭО-1500).
В экспериментах использовались стандартные растворы солей металлов и фоновых электролитов марок «ч», «х.ч.» и «ч.д.а.».
Экспериментальная часть
Чистый сульфат бария методом электрофлотации не извлекается, однако с введением в систему коагулянтов процесс начинает идти. Как видно из таблицы 1, добавление ионов Al3+ или Fe3+ существенно сказывается на процессе электрофлотации, добавление в систему анионного ПАВ максимально интенсифицирует процесс электрофлотации (до 97%).
В таблице 2 представлены результаты электрофлотационного извлечения сульфата бария в присутствии ионов Cu2+ и Zn2+ и катионного ПАВ. Наличие этих добавок в системе повышает степень извлечения сульфата бария до 90%.
В таблице 3 представлено сравнение степени извлечения сульфата бария с помощью электрофлотации в присутствии ионов железа (III) и алюминия в зависимости от концентрации сульфата бария.
Изучив таблицу 4, видно, что с повышением концентрации сульфата бария лучше всего работает система с ионами меди и катионным ПАВ при рН=10.
Таблица 1. Сравнение степени извлечения сульфата бария с помощью ЭФ в присутствии ионов железа (III) и алюминия
BaSÜ4 Fe3+ Fe3+ +ПАВ а Al3+ Al3+ +ПАВ а
электролит NaCl NaCl NaCl Na2SÜ4 Na2SÜ4
а, % 0 84 97 57 96
Условия эксперимента: C(BaSO4) NaDBS, C(NaCl) = 0,5 г/л.
0,1 г/л, С(коагулянта) = 10 мг/л, С(ПАВ) = 10 мг/л, У(р-ра) = 500 мл, pH = 7, ПАВ а -
Таблица 2. Сравнение степени извлечения сульфата бария с помощью ЭФ в присутствии ионов меди и цинка
BaSÜ4 Cu2+ Cu^+ПАВ к Zn2+ Zn2+ +ПАВ к
электролит NaCl Na2SÜ4 Na2SÜ4 Na2SÜ4 Na2SÜ4
а, % 0 84 90 80 85
Условия эксперимента: C(BaSO4) = 0,1 г/л, С(коагулянта) = 10 мг/л, С(ПАВ) = 10 мг/л, У(р-ра) = 500 мл, ПАВ к -С(электролита) = 0,5 г/л, pH = 10.
СептаПАВ,
Таблица 3. Сравнение степени извлечения сульфата бария с помощью ЭФ в присутствии ионов железа (Ш) и алюминия
а, %
BaSÜ4 Fe3+ +ПАВ а Fe3+ +ПАВ к Al^+ПАВ а А13++ПАВ н
электролит NaCl NaCl NaCl Na2SÜ4 Na2SÜ4
C(BaSÜ4) = 0,1 г/л 0 97 96 96 70
C(BaSÜ4) = 0,2 г/л 0 98 97 98 64
Условия эксперимента: С(коагулянта) = 20 мг/л, С(ПАВ) = 10 мг/л, У(р-ра) = 500 мл, рН = 7, ПАВ а - ПАВ н - ПЭО-
1500, ПАВ к - СептаПАВ, С(электролита) = 0,5 г/л.
Таблица 4. Кинетика электрофлотационного процесса извлечения сульфата бария с различными коагулянтами в
присутствии ПАВ ^
а, %
Fe3+ +ПАВ а Al3++nAB а Cu^+ПАВ к Zn2+ +ПАВ к
рН 7 7 10 10
электролит NaCl Na2SÜ4 Na2SÜ4 Na2SÜ4
0 0 0 0 0
к 5 82 25 73 58
s s 10 91 44 92 77
« 15 95 58 94 79
<D а 20 96 69 96 80
« 30 97 86 98 88
Ф 99 100 99 100
Условия эксперимента: C(BaSO^) = 0,2 г/л, С(коагулянта) = 10 мг/л, С(ПАВ) = 5 мг/л, У(р-ра) = 500 мл, ПАВ а - NaDBS, ПАВ к - СептаПАВ, С(электролита) = 0,5 г/л.
Таким образом, установлено, что чистый сульфат бария в процессе электрофлотации не извлекается. Добавление в систему различных коагулянтов и ПАВ оказывают положительное влияние на извлечение дисперсной фазы. Наилучшие результаты показало введение ионов железа (III) и алюминия совместно с анионным ПАВ при рН=7, а также ионов меди с катионным ПАВ при рН=10. Дальнейшее фильтрование позволяет добиться почти 100%-ного извлечения нерастворимых соединений из модельных растворов. Комбинация этих методов может быть реализована на производстве для эффективной очистки от сульфат-ионов.
Часть работы выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии N°14.574.21.0169 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI57417X0169.
Список литературы
1. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, ГН 2.1.5.1315-03 с изменениями ГН 2.1.5.2280-07 и СанПиН 2.1.5.980-00. М: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Министерства здравоохранения Российской Федерации, 2003.
2. Ю.Ю. Лурье. Справочник по аналитической химии. - М.: Химия, 1971. - 456 с.
3. Колесников В. А., Ильин В.И., Бродский В.А., Колесников А.В. Электрофлотация в процессах водоочистки и извлечения ценных компонентов из жидких техногенных отходов. Теоретические основы химической технологии. — 2017. — Т. 51, № 4. — С. 361-375.
4. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / В. А. Колесников, В. И. Ильин, Ю. И. Капустин, др. - М.: Химия, 2007 - 304 с.
