Очистка сульфидсодержащих сточных вод в электролизере с растворимым железным анодом Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Н. А. Быковский, Л. Н. Пучкова, Н. С. Шулаев

Очистка сульфидсодержащих сточных вод в электролизере с растворимым железным анодом

Уфимский государственный нефтяной технический университет Стерлитамакский филиал 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября, 2; тел.: (3473) 24-27-50

Исследован процесс электрохимической очистки стоков, содержащих сульфиды, в электролизере с растворимым железным анодом. Показано, что в этом процессе происходит образование нерастворимого соединения — сульфида железа. Изучено влияние технологических параметров электрохимической обработки стока на процесс его очистки от сульфидов. Разработана математическая модель работы электролизера.

Ключевые слова: Сульфиды, электролизер, сточные воды, очистка.

Сульфиды являются достаточно токсичными веществами и представляют собой сильный яд нервно-паралитического действия. Основными источниками сульфидов в сточных водах являются нефтеперерабатывающая, химическая, целлюлозная и кожевенная промышленность. В частности, на Стерлитамак-ском кожевенном заводе сульфидсодержащие сточные воды образуются в процессе золения. Объем таких сточных составляет 185 м3/сут, а концентрация сульфидов в них после усреднения — 3.17 г/л в расчете на сульфид натрия 1. Существующие технологии очистки таких стоков от сульфидов, например, окисление кислородом воздуха 2, осаждение с ис-

3

пользованием железосодержащих реагентов 3 и др., предполагают использование химических реагентов. Такая организация процесса очистки наряду с извлечением сульфидов из стока приводит к появлению в сточных водах компонентов веществ, используемых для очистки 4.

В связи с этим представляет интерес исследование возможности электрохимической обработки таких стоков с целью их очистки от сульфидов. Известно, что сульфиды многих металлов являются труднорастворимыми соединениями. В частности, произведение растворимости сульфида железа составляет величину 3.4 • 10-19. Образование сульфида железа можно осуществлять в электролизере с растворимым железным анодом, в котором в качестве электролита используются сульфидные стоки. Следует отметить, что в этом случае

Дата поступления 30.03.06

в качестве материала анода можно применять железный металлолом 5. Образующийся в результате очистки осадок сульфида железа может перерабатываться на металлургических предприятиях.

Для исследования процесса извлечения сульфидов из сточных вод использовали электролизер, состоящий из камеры объемом 400 см3. В качестве катода применяли титановую пластину, покрытую окисью рутения, а в качестве анода — пластину из стали марки Ст3, расстояние между электродами — 3.5 см.

Опыты проводили как с модельными растворами, содержащими сульфид натрия, так и со сточными водами, выходящими из зольных цехов Стерлитамакского кожевенного завода, концентрация сульфида натрия в которых изменялась от 200 до 30 мг/л. Объем обрабатываемого раствора во всех опытах оставался постоянным и составлял 300 мл. После пропускания через аппарат необходимого количества электричества, раствор из электролизной ванны сливали в цилиндр и отфильтровывали. Осветленную часть стока анализировали на содержание сульфидов.

Таким образом были получены зависимости остаточной концентрации сульфидов в стоке от силы тока, протекающего через электролизер, от времени обработки стока и начальной концентрации сульфидов в стоке. Результаты зависимости концентрации сульфидов в стоке от времени его обработки в электролизере приведены на рис. 1. Процесс извлечения сульфидов из сточных вод определяется многими технологическими параметрами. В частности, снижение концентрации сульфидов в процессе электрохимической обработки стока определяется токовой нагрузкой на электролизере. Следует отметить, что минимальная скорость извлечения сульфидов из стока в начале процесса наблюдается при анодной плотности тока 67 А/м2, а максимальная — при анодной плотности тока 133 А/м2, причем увеличение анодной плотности тока от 133 А/м2 до 267 А/м2 приводит к снижению скорости извлечения. Видно,

что во всех опытах по мере снижения концентрации сульфидов происходит уменьшение и скорости извлечения их из стоков. Наибольшее изменение скорости извлечения сульфидов из сточных вод наблюдается при анодной плотности тока, равной 133 А/м2. Остаточная концентрация сульфидов в стоке после 40 мин обработки, колеблется от 1.38 мг/л до 0.38 мг/л.

Рис. 1. Зависимость концентрации сульфидов в стоке от времени обработки в аппарате

На рис. 2 приведена зависимость концентрации сульфидов в стоке от количества электричества, пропущенного через электролизер.

Из представленных данных следует, что увеличение токовой нагрузки на электролизере снижает эффективность очистки. Так, для получения остаточной концентрации сульфидов в стоке, равной 2 мг/л, через электролизер при анодной плотности 133 А/м2 необходимо пропустить заряд, равный 1.8 кКл, а при анодной плотности тока 267 А/м2 — более 5 кКл. В связи с этим представлялось интересным изучить влияние анодной плотности тока на степень извлечения сульфидов. Зависимость степени извлечения сульфидов из стока от анодной плотности тока при фиксированном количестве электричества, пропущенного через электролизер, представлена на рис. 3.

Рис. 2. Зависимость концентрации сульфидов в стоке от количества пропущенного электричества

Рис. 3. Зависимость степени извлечения сульфидов от анодной плотности тока

Анализ приведенных данных показывает, что максимальная степень извлечения сульфидов достигается при анодной плотности тока, равной 133 А/м2. Так, в случае пропускания через электролизер заряда, равного 2 кКл, максимальная степень извлечения сульфидов достигает 99.2%. Следует отметить, что при изменении анодной плотности тока от 67 до 133 А/м2 степень извлечения сульфидов изменяется в значительно меньшей мере, чем при изменении анодной плотности тока от 133 до 267 А/м2. Действительно, изменение анодной плотности тока от 67 до 267 А/м2 увеличивает степень извлечения сульфидов из стока всего лишь с 98.3 до 99.2 % в случае, если через электролизер пропущен заряд, равный 2 кКл, и с 89.9 до 93.2 при пропускании через элек-тролизер 1 кКл электричества. В то же время, изменение анодной плотности тока от 133 до 267 А/м2 приводит к понижению степени извлечения сульфидов из стока с 99.2 до 85.9 % при пропускании через электролизер заряда в 2 кКл и с 93.2 до 56.1 % при пропускании через электролизер 1 кКл электричества.

Нами была разработана математическая модель работы электролизера. Разработку математической модели процесса извлечения сульфидов из сточных вод их обработкой в электролизере с растворимым железным анодом проводили, исходя из процессов, протекающих на электродах.

Ре - 2е ^ Ре2+

2Н20 + 2е ^ Н2 Т + 20Н-

Ре2+ + Я2- ^ БеЯ ^

На основании этих процессов записана система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в электролизере.

аа

л

ас

ж

- а2СБеСЯ

ас,

ж

0Н = а4! азСреСон

(1)

(2)

(3)

а3 — коэффициент рекомбинации ионов железа и гидроксила, л/г-с;

а4 — объемный электрохимический эквивалент гидроксила, г/Кл • л

Решение этой системы дает уравнения зависимостей концентраций сульфида, гидроксила и железа в растворе от времени электролиза:

С8(1) - С^е-^

Сре -

а11

а2СБ + азС0Н

Сон —^(1 - е-азСр'‘)

где Сре — концентрация ионов железа, г/л;

С — концентрация ионов сульфида, г/л;

Сон — концентрация ионов гидроксила, г/л; а1 — объемный электрохимический эквивалент железа, г/Кл-л;

а2 — коэффициент рекомбинации ионов железа и сульфида, л/г-с;

(4)

(5)

С V- - , (6)

азСРе

Следует отметить, что полученные уравнения достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Экспериментальные данные, полученные при исследовании процесса, свидетельствуют о том, что на процесс очистки оказывают влияние такие факторы, как время обработки стока, количество электричества, пропущенного через электролизер, токовая нагрузка на электролизере.

Увеличение анодной плотности тока до 133 А/м2 приводит к повышению эффективности очистки стока. Дальнейшее увеличение анодной плотности тока, наоборот, снижает эффективность очистки. Такое влияние токовой нагрузки на процесс очистки стока от сульфидов можно объяснить следующим образом. В процессе электрохимической обработки стока на катоде происходит образование ионов гидроксила, концентрация которых с течением времени увеличивается. Зависимость концентрации ионов гидроксила от параметров процесса электролиза, рассчитанная по закону Фарадея, представлена в табл. 1.

Видно, что с увеличением токовой нагрузки на электролизере и продолжительности процесса концентрация ионов гидроксила возрастает и, в ряде случаев, превышает концентрацию сульфидов. Это обстоятельство приводит к тому, что процесс образования осадка гидроксида железа с течением времени и увеличением токовой нагрузки интенсифицируется и своим действием снижает эффективность очистки стока от сульфидов. Представленные рассуждения хорошо согласуются с данными, представленными на рис. 1—3.

Одним из важных технологических параметров электрохимических процессов явля-

Концентрация ионов гидроксила

Время процесса, мин Концентрация ОН-, мг/л

] = 67 А/м2 ] = 133 А/м2 ] = 200 А/м2 ] = 267 А/м2

5 88 176 264 352

10 176 352 528 705

20 352 705 1057 1409

30 528 1057 1585 2114

40 705 1409 2114 2819

Таблица 2

Выход по току процесса электрохимической очистки сточных вод от сульфидов

Плотность тока, А/м2 67 133 200 267

Степень очистки, % 98.3 99.2 94.3 85.9

Выход по току, % 17.8 18.0 17.1 15.5

ется выход по току. Выход по току для процесса очистки сточных вод от сульфидов их обра- 1.

боткой в электролизере с растворимым железным анодом рассчитывали как отношение количества железа, необходимого для образова- 2. ния осадка сульфида железа, к количеству железа, поступающего в электролит за счет растворения анода. Массу железа, пошедшего на образование осадка сульфида железа опре- 3. деляли в соответствии с экспериментальными данными, приведенными на рис. 2. Массу железа, поступающего в раствор сульфида, рассчитывали по закону Фарадея. Расчет выхода по току производили для количества электричества равного 2 кКл. Результаты расчета представлены в табл. 2.

Полученные результаты свидетельствуют 5 о том, что на процесс извлечения сульфидов из стока расходуется около 20% заряда, протекающего через электролизер.

4.

Литература

Страхов И. П., Шестакова И. С., Куциди Д. А., и др. Химия и технология кожи и меха.— М.: Легкая индустрия, 1979.— 504 с.

Чурбанова И. Н., Федоровская Т. Г., Кудряшова Г. Н. Каталитическое окисление сульфидов в сточных водах / Эффективные процессы и аппараты для очистки сточных вод предприятий легкой промышленности.— М.: 1984.— 85 с.

Патент 1820903 СССР Способ очистки сточных вод от сульфидов /Хромых В. Ф., Курюмджи Ю. М., Гершкович М. В., Целиков В. И. и др. // Заявка №4882215/26; заявл. 16.11.90.

А.с. 1579902 СССР Способ локальной очистки высококонцентрированных сульфидсодержащих зольных стоков и установка для его осуществления / Чурбанова И. Н., Кудряшова Г. Г., Начева П. М., Федоровская Т. Г., Лабуренко Ю. А. // Заявка №4420051/31-26; заявл. 29.04.88.

Пат 2165892 РФ Способ очистки сточных вод от сульфидов / Быковский Н. А., Быковская Л. Н., Шулаев Н. С., Абрамов В. Ф., Рыскулов Р. Г. // Заявка №99122118/12; заявл. 20.10.1999.