CC BY
20
УДК 628.16.087
А.В. Перфильева*, В.И. Ильин, В.А. Бродский, П.Н. Кисиленко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: anjik-83@mail.ru
РАЗРАБОТКА МОДУЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ ХРОМА(Ш) И СВИНЦА (II)
На основе проведенных исследований разработаны модульная технологическая схема и конструкция электрофлотационного аппарата для очистки сточных вод от соединений хрома (III) и свинца(П). Предложенные конструкция и схема позволяют достигать ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования по ионам хрома (III) и свинца (II), составляющих 0,5-0,05 мг/л при продолжительности электрофлотационного процесса 8-10 мин.
Ключевые слова: модульная технологическая схема; конструкция; электрофлотационный аппарат; хром (III); свинец
(II)
Одним из электрохимических методов, используемых в практике очистки производственных сточных вод, является электрофлотационный, при котором извлечение загрязняющих веществ происходит при помощи электролизных пузырьков. Несмотря на большие потенциальные возможности этого метода, имеется ряд дисперсных систем, содержащих гидрофильные частицы
малорастворимых соединений цветных и тяжелых металлов, в частности, хрома (III) и свинца (II), являющихся агрегативно-устойчивыми и
обладающими канцерогенными и кумулятивными свойствами, при очистке которых, данный метод не обеспечивает требуемой степени извлечения [1]. В связи с чем, создание новых и изыскания путей интенсификации и повышения эффективности существующих способов и технологических приемов электрофлотационной очистки сточных вод является актуальной научной задачей.
На кафедре технологии электрохимических процессов РХТУ имени Д.И. Менделеева проведены работы по интенсификации и повышению эффективности электрофлотационного процесса извлечения малорастворимых соединений хрома (III) и свинца (II) из водных растворов.
Исследовано влияние физико-химических свойств водной среды (pH и температуры, катионов, анионов, ПАВ, флокулянтов) и физического воздействия (магнитной обработки) во взаимосвязи с дисперсностью извлекаемых соединений и технологических параметров электрофлотационного процесса.
В ходе проведенных исследований установлено, что применение анионных флокулянтов ^-10 и ЦГ-30), повышение температуры среды и воздействие
постоянного магнитного поля способствует увеличению среднего размера частиц дисперсной фазы малорастворимых соединений хрома (III) и свинца с 2-13,5 до 30-90 мкм и скорости всплывания флотокомлексов в 2-3 раза.
Определены оптимальные условия
электрофлотационного процесса извлечения частиц малорастворимых соединений хрома (III) из водных растворов, при которых степень извлечения частиц повышается с 80-83 до 98-99 %, остаточная концентрация снижается с 2-2,5 до 0,2-0,05 мг/л, продолжительность процесса сокращается с 15-20 до 8-10 мин, производительность процесса увеличивается 2-3 раза [2].
Определены оптимальные условия
электрофлотационного процесса извлечения частиц малорастворимых соединений свинца из водных растворов, при которых степень извлечения частиц повышается с 2-5 до 98-99 %, остаточная концентрация снижается с 2-2,5 до 0,2-0,5 мг/л, продолжительность процесса сокращается с 30-40 до 8-10 мин, производительность процесса увеличивается в 5-6 раз [3].
На основании экспериментальных исследований предложена и запатентована конструкция электрофлотационного устройства (рис. 1) в виде равнобокой трапеции с наклонёнными боковыми сторонами под углом 70-75 градусов к горизонтальной плоскости, в которой по мере всплытия газовых пузырьков и уменьшения поперечного сечения объемная концентрация газовой фазы возрастает (без дополнительного увеличения энергозатрат), что повышает вероятность столкновения извлекаемых частиц дисперсной фазы с газовыми пузырьками и образование
флотокомплексов, и как следствие, приводит к повышению эффективности электрофлотационного процесса [4].
При такой конструкции поперечное горизонтальное сечение уменьшается в сторону всплывания газовых пузырьков. По мере всплытия и уменьшения поперечного сечения емкости объёмная концентрация электролизных газовых пузырьков водорода и кислорода возрастает (без дополнительного увеличения энергозатрат), что повышает вероятность столкновения удаляемых частиц загрязнений с
газовыми пузырьками, образования флотокомплексов и их флотации на поверхность очищаемой воды, что в конечном счёте повышает эффективность электрофлотационного процесса, т.е. повышает скорость и степень очистки сточных вод.
Благодаря уменьшению в верхней части ёмкости площади зеркала воды достигается более равномерное распределение пенного продукта (флотошлама) по поверхности воды и повышается его содержание, приходящееся на единицу площади зеркала воды.
Рис. 1. Конструкция электрофлотационного устройства для извлечения частиц дисперсной фазы малорастворимых
соединений тяжелых и цветных металлов: 1, 11 - флотокамеры; 2 - патрубок для ввода сточной воды; 3 - патрубок для ввода раствора флокулянта; 4 - патрубок для вывода флотошлама; 5 - сборник флотошлама; 6 - пеносборное устройство; 7, 8 - перегородки; 9 - мотор-редуктор,
10 - патрубок для вывода очищенной воды; 12 - электроды
Впервые проведены исследования по извлечению дисперсной фазы хрома и свинца в проточном режиме. Эффективность процесса зависит от различных факторов, большинство из которых взаимосвязаны и определяются конструкцией аппарата, гидродинамическими параметрами флотационных систем (скоростью протекания воды через флотокамеры аппарата и временем ее пребывания в них, характером движения потоков воды в флотокамерах) и технологическими параметрами процесса. Наиболее эффективным оказалось использование двухкамерных аппаратов. По сравнению с однокамерным достижение максимальной степени извлечения в данном случае обеспечивается автономным регулированием силы тока во флотокамерах аппарата.
Наиболее эффективно процесс протекает при объёмной плотности тока в первой флотокамере (гУл) равной 0,2 А/л, а во второй флотокамере (/у.2) - 0,1 А/л при кратности обмена раствора 7 ч-1. Двухкамерная
конструкция применяется как для извлечения хрома и свинца из индивидуальных растворов, так и в присутствии катионов других металлов.
Усовершенствованы технологические процессы очистки производственных сточных вод от соединений хрома (III) и свинца (II), в основе которых лежат решения, обеспечивающие интенсификацию и повышение эффективности электрофлотационного процесса [5].
Технологический процесс извлечения соединений хрома (III) и свинца из водных растворов состоит из нескольких стадий. Вначале осуществляется перевод ионов хрома (III) в малорастворимые соединения гидроксида хрома (III) и их электрофлотационное извлечение. Далее осуществляется перевод ионов свинца в малорастворимые соединения и их электрофлотационное извлечение.
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод от соединений хрома (III) и свинца (II): 1, 8 - реакторы; 2, 9, 15 - насосы; 3 - электрофлотатор 1-й ступени; 4 - дозатор щелочи; 5, 11 - выпрямители; 6, 10 -
дозаторы флокулянта; 7, 12 - сборники флотошлама; 13 - электрофлотатор 2-й ступени; 14 - буферная емкость; 16 - механический фильтр; 17 - дозатор кислоты
Таким образом, при очистке сточных вод процесс проводится в присутствии флокулянта две ступени: на первой ступени производится извлечение малорастворимых соединений хрома (III), а на второй - свинца (II) (рис. 2).
На первой ступени при рН 7-7,5 наряду с малорастворимыми соединениями хрома (III) извлекаются соединения железа и алюминия, а на второй при рН 10 - 10,2 - соединения свинца, никеля, цинка, меди. Остаточная концентрация катионов металлов в очищенной воде соответствует значениям предельно-допустимых концентраций (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
Разработанные технологии могут применяться при очистке сточных вод гальванических производств, металлургической, кожевенно-меховой,
деревообрабатыващей и целлюлозно-бумажной
прмышленностей, производств пигментов и красок, печатных плат электронной техники и химических источников энергии.
Технологический процесс электрофлотационной очистки хромсодержащих сточных вод с расходом 3 м3/ч апробирован на предприятии «Завод «Топаз» (Москва).
Таким образом, предложенные конструкция и схема позволяют достигать ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования по ионам хрома (III) и свинца (II), равных составляющих 0,5-0,05 мг/л при продолжительности электрофлотационного процесса 8-10 мин.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 14.574.21.0110 от 20 октября 2014 г., уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57414X0110.
Перфильева Анна Владимировна, ведущий инженер технопарка «ЭКОХИМБИЗНЕС 2000+» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Ильин Валерий Иванович, к.т.н., в.н.с. кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва,
Бродский Владимир Александрович к.х.н., с.н.с. кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва,
Кисиленко Павел Николаевич, к.т.н., главный специалист технопарка «ЭКОХИМБИЗНЕС 2000+» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Колесников В. А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. и др. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / Под ред. В.А. Колесникова. М., Химия. 2007. 304 с .
2. Патент 2426695 С2 РФ, МПК7 C02F1/465, C02F101/20. Способ очистки сточных вод от ионов свинца / В.И. Ильин, В.А. Колесников, А.В. Перфильева; заявитель и патентообладатель Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева. - № 2009125321/05; заявл. 02.07.2009; опубл. 20.08.2011. Бюл. № 23.
3. Патент 2445273 С1 РФ, МПК7 C02F1/465, C02F1/62, C02F101/22, C02F103/16. Способ очистки сточных вод от ионов цветных металлов / В.И. Ильин, В.А. Колесников, А.В. Перфильева; заявитель и патентообладатель Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева. - № 2010128121/05; заявл. 08.07.2010; опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8.
4. Патент на полезную модель № 137027 U1. Электрофлотационное устройство / В.И. Ильин, А.В. Перфильева, М.С. Гречина; заявл. 21.05.2013; опубл. 27.01.2014. Бюл. № 3.
5. Перфильева А.В., Ильин В.И., Гречина М.С. Технология электрофлотационной очистки сточных вод // Тез. докл. Международная конференция «Чистая вода. Опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки России». - М.:, 2014. - С. 119-121.
Perfil'eva Anna Vladimirovna., Il'in Valeriy Ivanovich, Brodskiy Vladimir Aleksandrovich, Kisilenko Pavel Nikolaevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: anjik-83@mail.ru
DEVELOPMENT OF THE MODULAR TECHNOLOGICAL SCHEME AND STRUCTURE OF ELEKTROFLOTATION DEVICE FOR THE TREATMENT OF COMPOUNDS OF CHROMIUM (III) AND LEAD (II)
On the basis of conducted research have been developed modular technological scheme and structure of electroflotation device for the treatment of compounds of chromium (III) and lead (II). The proposed structure and scheme allow to reach MPC of the chemical substances in water objects household water and water for amenity needs for the ions of chromium (III) and of lead (II), equal 0,5-0,05 mg/l during the electroflotation process 8-10 minutes.
Key words: modular technological scheme; structure; electroflotation device; chromium (III); lead (II).
