CC BY
37
УДК 628.543(088.8)
М.С. Гречина, В.И. Ильин
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Москва, Россия
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ КОБАЛЬТА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Исследован электрофлотационный процесс извлечения дисперсной фазы кобальта из сточных вод предприятий цветной металлургии. Показано, что в диапазоне плотности тока 0,3-0,5 А/л степень очистки сточной воды от дисперсной фазы соединений кобальта составляет 97-99 % при времени обработки 8-10 минут. Проведение процесса электрофлотации с предварительной флокуляционной обработкой воды позволяет сократить время до 3-5 минут и затраты электроэнергии в 2-3 раза.
A process of the electroflotation of recovery of a dispersed phase TOnnections of a cobalt from waste waters of firms of non-ferrous metallurgy has been studied. It is shown that in the range of current densities 0,3-0,5 А/l the degree treatment of the waste water from dispersed phase of metals is 97-99 % and time treatment of waste water 8-10 min. The process of electroflotation combined with flocculation treatment of the waste water enables time to 3-5 min and electric power consumption by 2 to 3 times.
Разнообразие перерабатываемого сырья, сложность и многостадийность производственных процессов предприятий цветной металлургии обусловливают большой выход сточных вод, высокую степень их загрязнённости. Если в составе сточных вод предприятий отрасли нормативно-чистые воды составляют около 15 %, то доля загрязнённых вод, сбрасываемых в природные поверхностные водные объекты, достигает порядка 50 %. Это в основном сточные воды, образующиеся в электролитных цехах, при смыве полов и обмыве аппаратуры. Несмотря на то, что схемы обогащения, водопотребления и водоотведения, номенклатура и расход применяемых реагентов на предприятиях различаются, сточные воды в значительной степени загрязнены соединениями металлов: меди, никеля, кобальта, цинка, кадмия, свинца и т.п. Повышение требования к качеству сброса сточных вод в объекты рыбохозяйственного значения по их содержанию создаёт определённые сложности в разработке технологических решений глубокой очистки сточных вод.
Проблема охраны водных объектов в значительной мере решается при внедрении новых технологий, сооружений и установок, которые позволяют обеспечивать эффективную очистку сточных, шахтных, рудничных, ливнёвых вод, а иногда и технологических растворов.
В общем случае очистку сточных вод проводят механическими и физико-химическими методами, связанными с извлечением примесей. Практически отсутствуют методы глубокой очистки воды, при которой степень удаления загрязняющих веществ практически не ограничена и определяется условиями сброса очищенных вод в водные объекты.
В настоящее время уровень обеспеченности новейшими
технологиями и установками для очистки сточных вод невысок. Непрерывное ужесточение нормативных требований привело к исчерпанию технических возможностей существующих технологий производить очистку сточных вод до нормативных показателей. Действующие очистные сооружения большей частью нуждаются в ремонте и модернизации. В последние годы разрабатываются и внедряются все более эффективные методы очистки и доочистки сточных вод с применением новейших способов - электрохимических, мембранных, сорбционных, магнитных и др. В то же время, рост водопотребления и возросшие требования к качеству воды обусловливают поиск новых путей интенсификации процессов водоочистки, направленных на повышение скорости и эффективности процесса, повышение экономичности и производительности очистных сооружений и устройств, сокращение их эксплуатационных затрат.
Для практического применения в РХТУ им. Д.И.Менделеева на кафедре ТЭП ведутся работы по исследованию процесса очистки жидких отходов предприятий цветной металлургии с использованием электрофлотации с нерастворимыми электродами.
В качестве объекта исследования были использованы модельные растворы и имитаты сточных вод, содержащие соединения кобальта. Массовое содержание металла в пробе воды определяли методом атомно-адсорбционной спектроскопии.
В начальной стадии экспериментов было исследовано влияние температуры очищаемой воды в диапазоне от 20 до 90 оС при величине рН от 9,0 до 11,5 на свойства дисперсной фазы соединений кобальта.
Установлено, что повышение температуры воды до 90 оС не влияет на растворимость осадка металла, но влияет на фазово-дисперсный состав.
В последующей серии опытов выяснено влияние объёмной плотности тока на эффективность извлечения дисперсной фазы металла. Полученные данные свидетельствуют о том, что в диапазоне объёмной плотности тока от 0,3 до 0,5 А/л и при продолжительности обработки 10 минут, степень извлечения дисперсной фазы увеличивается и достигает максимального значения порядка 97-99 % при объёмной плотности тока 0,3 А/л и продолжительности электрофлотации 8 минут. При этих условиях удельные затраты электроэнергии электрофлотации составляют 0,7-0,8 Вт-ч/л. Следует отметить, что при других значениях объёмной плотности тока степень извлечения дисперсной фазы кобальта снижается.
Рассмотрена возможность использования органических полиэлектролитов (флокулянтов) для повышения эффективности электрофлотационного процесса извлечения дисперсной фазы кобальта. Было исследовано несколько образцов флокулянтов различного типа (анионные, катионные и неионогенные), относящиеся к следующим группам соединений: полиэпихлоргидриндиметиламины, полиакриламиды и смеси (сополимеры), полидиаллилдиметиламмоний хлориды,
В результате экспериментальных исследований установлено, что основными параметрами, влияющими на флоккулирующую способность полиэлектролитов, являются природа, размер, величина и знак дзета-
потенциала поверхности флотируемых частиц, природа, концентрация и плотность заряда полиэлектролитов, молекулярная масса, рН среды.
Установлено, что в присутствии катионного флокулянта, относящегося к полиакриламидам, при объёмной плотности тока 0,3 А/л степень извлечения дисперсной фазы кобальта достигает порядка 99 % уже за 5 минут. Удельные затраты электроэнергии составляют 0,2 Вт-ч/л, что в 3 раза меньше, чем при проведении процесса в отсутствии флокулянта.
Показано, что в случае разноимённо заряженных полиэлектролита и поверхности частиц дисперсной фазы кобальта движущей силой адсорбции является электростатическое притяжение между ними, а в случае одноимённо заряженных адсорбция протекает по ионообменному механизму, т. е. ионы диффузной части двойного электрического слоя электролита вблизи поверхности вытесняются молекулами полиэлектролита, несущими тот же заряд. Это подтверждают экспериментальные исследования, проведённые с помощью радиоизотопной методики «по раствору».
Среди полиэлектролитов, относящихся к одному типу по знаку заряда, наиболее эффективными флоккулирующим действием обладают те, которые имеют более высокую молекулярную массу.
Существенным для электрофлотации положительным свойством полиэлектролитов состоят в том, что они способствуют адсорбционной перезарядке поверхности пузырька и возникновением электростатических сил притяжения между частицами дисперсной фазы и пузырьками.
В конечном итоге действие полиэлектролитов при электрофлотации сводится к обеспечению агрегирования частиц в более крупные агрегаты, эффективность захвата которых газовыми пузырьками существенно выше, чем исходных, что повышает эффективность извлечения частиц.
Наиболее эффективное флоккулирующее действие полимеров в водных системах проявляется при добавлении их в количестве 0,01-1 % массы дисперсной фазы, что соответствует их концентрации от 0,1до 1 мг/л.
В ходе исследований установлено, что эффективность электрофлотационного процесса в присутствии флокулянтов определяется не только подбором типа полимера с определёнными характеристиками, но и условий приготовления и хранения рабочих растворов и их применения.
Другими закономерностями, характеризующими процесс электрофлотационного извлечения частиц дисперсной фазы кобальта в присутствии флокулянтов, являются: снижение величины токовой нагрузки и расширение диапазона оптимальных значений, снижение оптимальной высоты рабочей зоны с 0,8 до 0,5 м и расширение верхней границы исходной концентрации дисперсной фазы кобальта с 200 до 1500 мг/л.
Таким, образом, проведённые исследования указывают на целесообразность использования электрофлотационного процесса для извлечения дисперсной фазы кобальта с предварительной флокуляционной обработкой. Установленные оптимальные параметры процесса могут стать основой для разработки промышленной технологии по извлечению частиц дисперсной фазы металлов из сточных вод предприятий цветной металлургии.
