CC BY
33
УДК 658.567.1: 669.2.012.3.004.18
НОВАЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ РЕДКИХ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ И СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СТРУЙ
А.М. Касимов, профессор, д.т.н., А.В. Поваляева, аспирант, Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, г. Харьков
Аннотация. Изложены теоретические основы гидро- и газодинамики исследуемых микрогетерогенных систем в процессах взаимодействия гетерофазных струй реагирующих компонентов, установлены зависимости характеристик высокотемпературных газокапельных струй от технологических особенностей основных процессов.
Ключевые слова: сточные воды, тяжелые металлы, токсичные соединения, выделение, струйный реактор.
НОВА РЕСУРСОЗБЕРЕЖНА ТЕХНОЛОГИЯ ВИЛУЧЕННЯ СПОЛУК Р1ДК1СНИХ
I ВАЖКИХ МЕТАЛ1В З ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ РОЗЧИН1В I СТ1ЧНИХ ВОД 1З ВИКОРИСТАННЯМ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ГАЗОР1ДИННИХ СТРУМЕН1В
О.М. Каимов, професор, д.т.н., А.В. Поваляева, асшрант, УкраТнський науково-дослiдний iнститут еколопчних проблем, м. Харкчв
Анотаця. Викладено теоретичм основи ггдро- та газодинамти досл1джуваних мтрогетеро-генних систем у процесах взаемодИ гетерофазних струметв реагуючих компонент1в, встанов-лет залежност1 характеристик високотемпературних газокраплинних струметв в1д техноло-г1чних особливостей основних процеав.
Ключов1 слова: ст1чн1 води, важк метали, токсичш сполуки, вилучення, струминний реактор.
A NEW RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY OF RARE AND HEAVY METALS COMPOUNDS EXTRACTING FROM TECHNOLOGICAL SOLUTIONS AND SEWAGE WATERS WITH HIGH-TEMPERATURE GAS-LIQUID JETS
APPLICATION
A. Kasimov, Professor, Doctor of Technical Sciences, A. Povalyaeva, postgraduate, Ukrainian Scientific Research Institute of Ecological Problems, Kharkiv
Abstract. Hydro- and gas dynamics theoretical bases of investigated micro-heterogeneous systems in heterophase jets of reacting components interaction processes are stated, dependences of high-temperature gas-drop jets characteristics on technological features of main processes are determined.
Key words: sewages, heavy metals, toxic compounds, extraction, stream reactor.
Введение
Соединения редких и тяжелых металлов (РТМ) играют большую роль в научно-техническом прогрессе всех индустриально развитых
стран. Эти металлы и их сплавы используются в атомной, космической технике, широко применяются в черной металлургии, цветной металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства. С
другой стороны, эти соединения токсичны, и их присутствие в сточных водах, поступающих в окружающую природную среду (ОПС), приводит к отрицательным последствиям.
Анализ публикаций
Молекулярно-кинетическая теория Косселя-Странского-Каишева описывает «блоковый» механизм образования в растворах зародышей кристаллов за счет слияния квазикристаллических частиц. Одно- и двумерные «блоки» ионов срастаются в трехмерные. Частица критического размера, находящаяся в кинетическом равновесии с раствором, растет далее за счет молекулярной диффузии [1-4]. В равновесных жидкостных системах, согласно теории флуктуаций Фольмера, в результате термодинамических флуктуаций создается повышенная концентрация вещества в отдельных микрозонах раствора. В микрогетерогенной системе с растущими кристаллами движение жидкости относительно неустойчивых субмикрозародышей твердой фазы позволяет последним превратиться в устойчивые, благодаря их перемещению в богатые кристаллизантом зоны, быстрому подводу свежих порций раствора к граням растущего кристалла и отводу продуктов реакции [1-6].
Цель и постановка задачи
Неуклонный рост потребления РТМ требует обеспечения роста их производства не только за счет увеличения объемов переработки сырьевых материалов, но и путем повышения степени их извлечения из первичного сырья, отходов и сбросов. Для решения данной задачи с учетом проблем охраны окружающей среды необходимо разработать технологические схемы и способы, позволяющие значительно повысить степень извлечения ТРМ, например, ванадия и существенно сократить объем поступления его токсичных соединений в ОПС.
Способ гидролитического выделения соединений некоторых переходных металлов из растворов в высокотемпературных газожидкостных струях
Свойства поверхностных слоев раствора значительно отличаются от его свойств в макро-
объеме. С ростом поверхности контакта фаз влияние поверхностных свойств и кривизны поверхности жидкости резко возрастают. Диспергирование раствора на капли вызывает увеличение энергии Гиббса, давления насыщенного пара, смещение равновесия химических реакций, может играть основную роль в образовании новых фаз. Гидролиз металлсодержащих растворов при температурах выше 373 К позволяет получать интересные, с научно-практической точки зрения, продукты. К преимуществам высокотемпературной кристаллизации твердой фазы в растворах относятся: ускорение в десятки раз процесса кристаллообразования, снижение остаточной концентрации выделяемого вещества, иногда ниже равновесной, с кратковременным «замораживанием» неравновесного состояния, улучшение фильтруемости получаемого осадка [5-8].
При сочетании высоких температур, стабильно повышенных или пульсирующих давлений, развитой поверхности контакта реагирующих фаз и высоких скоростей их взаимного движения можно достичь максимального эффекта. На основании изложенного разработан новый способ гидролитического выделения соединений некоторых переходных металлов, например, ванадия (в виде солей щелочных и щелочноземельных металлов декаванадиевой кислоты) из растворов в высокотемпературных газожидкостных струях с пульсирующим давлением в реакционной зоне.
Кинетика роста кристаллов в растворах подчиняется зависимости [5-8]
_ _1_
Ж _ Ж0
-аКв-
_1_
(1)
где Ж - линейная скорость роста кристалла; Ж0 - скорость его роста в неподвижном растворе; Ж„ - скорость поверхностной реакции; Ктв - скорость кристалла относительно раствора; а1 - постоянная.
В соответствии с уравнением (1) рост кристалла включает стадии подвода вещества из объема раствора к его поверхности со скоростью Ж0+а1Ктв и перехода его в кристаллическую решетку со скоростью Ж„. Первый член правой части в (1) характеризует перенос вещества диффузией и потоком массы
(аК).
В разработанном авторами струйном реакторе находящееся в каждой капле вещество расходуется на образование определенного числа микрозародышей с достижением меньшей остаточной его концентрации, чем в макрообъеме раствора. Важное значение имеет явление слияния капель, уже содержащих затравку твердой фазы, с каплями, где еще отсутствуют центры ее кристаллизации. Свежеобразованные микрозародыши твердой фазы приобретают в движущихся каплях скорости, отличные от скорости движения раствора. При этом рабочее тело (несущий газ или пар) фильтруется через систему движущихся в нем капель. В реакционной зоне между сетчатыми перегородками проходит газо (паро)-капельная смесь. Капли обрабатываемого раствора приближаются к сетке, постепенно замедляя движение. Под действием сил вязкости вблизи сетки происходит рост удельного насыщения газа каплями и поверхности
контакта фаз при постоянном расходе реагентов (рис. 1).
В каждой капле в стесненных условиях полета возникает торообразный вихрь Хилла, в микрогетерогенной системе капель создаются лучшие условия кристаллизации благодаря интенсивному тепло-массообмену (рис. 2)
[5].
Высокие скорости движения жидкости под действием вихря Хилла способствуют интенсификации процессов тепло-массообмена и кристаллизации, в соответствии с увеличением Утв из (1). Это подтверждает правильность подхода к решению проблемы. Суммарная скорость движения жидкости внутри капли
[5-6]
1
Пбщ = V + УЦ2. (2)
Рис. 1. Струйный реактор для гидролитического выделения соединений редких и/или тяжелых металлов из растворов или очистки их от примесей
Рис. 2. Принципиальная схема движения реагирующих фаз в капле металлсодержащего раствора под действием вихря Хилла и эпюры скоростей движения растущего зародыша твердой фазы
В разработанном струйном реакторе максимальная скорость движения твердой частицы в растворе или ее обтекания раствором наблюдается в зоне лобового слоя у сетчатых перегородок, вблизи поверхности капли. Для лабораторного реактора производительностью 0,6 м3/ч расчетная скорость движения частицы составляет 428,8 м/с.
Выводы
Предложенный в статье способ скоростной перекристаллизации соединений выделяемого металла может быть эффективно использован на предприятиях черной и цветной металлургии Украины, Российской Федерации и др. стран, использующих процессы гидролитического выделения соединений РТМ из технологических растворов и сточных вод.
Литература
1. Николаев Н. М. Химические равновесия в
водных растворах при повышенных температурах / Н. М. Николаев. - Новосибирск : Наука, СОАН СССР ИНХ, 1982. - 182 с.
2. Матусевич Л. Н. Кристаллизация из рас-
творов в химической промышленности /
Л. Н. Матусевич. - М. : Химия, 1968. -303 с.
3. Странский И. Н. К теории роста кристал-
лов и образования кристаллических зародышей / И. Н. Странский, Р. Н. Каи-шев // Успехи физических наук. - 1939.
- Т. 21. - Вып. 4. - С. 408-412.
4. Веригин А. Н. Кристаллизация в дисперс-
ных системах / А. Н. Веригин, И. А. Шуп-ляк, М. Ф. Михалев. - Л. : Химия, 1986.
- 248 с.
5. Касимов А. М. Малоотходные и энерго-
сберегающие технологии в производстве редких и тяжелых цветных металлов / А. М. Касимов. - М. : Металлургия. 1990. - 112 с.
6. Касимов А. М. Управление промышлен-
ными отходами / А. М. Касимов // В 2 т.
- Харьков : РИП «Оригинал», 2000. Т.2. Технологии обезвреживания и утилизации отходов.- 306 с.
Рецензент: А. В. Гриценко, профессор, д. геогр. н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 октября 2009 г.
