CC BY
36
А.Н. Ющишина, А. А. Зубенко, Л.А. Петриченко, А.П. Малюшевская,
А. А. Смалько, С. А. Хайнацкий
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ГИДРОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ЖЕЛЕЗА
Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина
Введение. Сточные воды гальванических цехов содержат в своем составе ядовитые вещества (цианиды, медь, хром, кадмий, никель, цинк), концентрация которых в десятки тысяч раз превосходит предельно допустимые ПДК. Для ионов тяжелых металлов, содержащихся в гальванических стоках (ГС), не существует механизмов естественного самоочищения, в связи с чем они особенно опасны для окружающей среды. Поэтому проблеме очистки гальванических стоков во всех развитых странах уделяется особое внимание, так как от ее качества зависит экологическая безопасность окружающей среды.
Традиционной технологией, практически повсеместно применяемой для очистки гальванических стоков, является реагентная. По этой технологии из гальванических соков не удается удалить больше 90% солей тяжелых металлов. Практически 100% очистка гальваностоков от ионов CrO42-, Ni2+, Cd2+, Zn2+ достигнута применением электрокоагуляторов [1]. Но при этом способе очистки чрезвычайно велик расход электроэнергии.
Радикальное изменение процесса очистки ГС может быть достигнуто при комплексном воздействии на обрабатываемую жидкость ряда факторов. В [2, 3] рассмотрены результаты экспериментальных исследований очистки хромсодержащих гальваностоков в электроразрядных реакторах с металлической загрузкой.
Данная работа является продолжением исследований.
С целью интенсификации процесса очистки гальваностоков с использованием электроразрядных коагулянтов изучено влияние различных типов реакторов на свойства получаемых гидроксидов металлов (алюминия и железа), а также влияние природы и концентрации солей, содержащихся в гальваностоках, на седиментационные характеристики гидроксидов.
Рис. 1. Реактор электроэрозионного диспергирования № 1
Получение электроразрядных гидроксидов алюминия и железа осуществляли в трех различных камерах-реакторах: для реактора № 1 (рис. 1) длина камеры составляла 5,6-10-2 м, ширина слоя загрузки b варьировала от 1,2-10-2 до 5,8-10-2 м, высота загрузки h - от 0,7-10-2 до 4,0-10-2 м, индуктивность L варьировала от 1,1-10"6 до 2,8-10-6 Гн, напряжение U - от 2,1 -103 до 7,1 -103 В, емкость С -от 0,25-10-6 до 2,7-10-6 Ф; для реактора № 2 (рис. 2) длина камеры варьировала от 1,5-10-1 до 5,0-10-1 м,
© Ющишина А.Н., Зубенко А.А., Петриченко Л.А., Малюшевская А.П., Смалько А.А., Хайнацкий С.А., Электронная обработка материалов, 2005, № 2, С. 64 - 67.
64
ширина слоя загрузки b составляла 1,5-10-2 м, высота загрузки h — от 1,3-10-2 до 2,5 -10"2 м, индуктивность L варьировала от 1,2-10-6 до 1,5-10-6 Гн, напряжение U — от 4,5-103 до 12,5-103 В, емкость С — от 0,25-10-6 до 1,35-10-6 Ф; для реактора № 3 (рис. 3) длина камеры варьировала от 5,5-10-2 до 8,0-10-2 м, высота загрузки h — от 1,0-10-2 до 2,0-10-2 м, индуктивность L варьировала от 1,2-10-6 до 2,0-10-6 Гн, напряжение U — от 3,5-103 до 9,2-103 В, емкость С составляла 1,35-10-6 Ф.
Рис. 2. Реактор электроэрозионного диспергирования № 2
Рис. 3. Реактор электроэрозионного диспергирования № 3. 1 — высоковольтный анод; 2 — анод объемной электроискровой обработки; 3 — диэлектрические крышка и корпус; 4 — система прокачки рабочей жидкости
Исследования влияния характеристик электроразрядных реакторов на увеличение выхода гидроксидов различных металлов в электроразрядных процессах его получения проводились в каждом из реакторов по разным параметрам.
Реактор № 1 предназначался для исследования зависимостей от высоты и ширины слоя загрузки, реактор № 2 от высоты и длины, реактор № З — от геометрических свойств камеры и высоты слоя жидкости над загрузкой.
В табл. 1 представлены режимы получения электроразрядного гидроксида алюминия в водопроводной воде.
Таблица 1. Режимы получения электроразрядного гидроксида алюминия
№ образца Напряжение, 103 В Емкость, 10-6 Ф Коли- чество импуль- сов Разрядный промежуток, 10-3 м Тип разряд- ной камеры Толщина слоя загрузки, 10-3 м Размер частиц загрузки, 10-3 м Индуктивность, 10-6 Гн Масса загруз- ки, 10-3 кг
1 4,5 1,35 1000 55 Реактор 1 8 4 2,0 210
2 Режим обработки, как в 1 + 100 импульсов с U = 20000 В и С = 0,25-10-6 Ф
3 5 1,35 5000 500 Реактор 2 18 4 1,5 200
4 4,5 1,35 10000 55 Реактор 3 12 4 1,2 330
5 3,7 1,35 10000 50 Реактор 1 15 2,5 1,1 66
6* 4,5 1,35 10000 55 Реактор 3 12 4 1,5 330
* Электроразрядная обработка проводилась в сточной воде, остальные образцы получены при разряде в водопроводной воде
По данным седиментационного анализа рассчитаны радиусы образовавшихся частиц гидроксида алюминия (табл. 2) в соответствии с методикой, приведенной в [4]. Вычисления проводили, используя зависимость:
r =
9^м
2(Р — Р0) - g
(1)
где r — радиус частицы, м; п — вязкость жидкости, Па-с; и — скорость седиментации частиц, м/с; р — плотность вещества частицы, кг/м3; р0 — плотность среды, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.
65
Исследования по кинетике осаждения гидроксидов выполняли визуальным и фотометрическим методами. Измерения проводили сразу же после электроразрядного получения гидроксида.
Таблица 2. Результаты седиментационного анализа
№ образца 1 2 3 4 5 6
Радиус частиц, мкм 20,3 21,5 21,7 24,6 20,1 40,6
Как следует из таблиц, размер частиц электроразрядного гидроксида алюминия в основном определяется энергией в импульсе и мало зависит от количества импульсов, геометрической формы разрядной камеры, массы и толщины слоя загрузки.
Увеличение размера частиц электроразрядного гидроксида алюминия при его получении в сточной воде обусловлено, по-видимому, участием ионов растворенных солей в формировании частиц гидроксида. Аналогичное влияние концентрации электролита (NaCl) на максимальный размер агрегатов в коллоидном растворе А1(ОН)3 описано в [4]. С увеличением концентрации электролита размер хлопьев коагулята сначала, как правило, возрастает, а затем уменьшается.
Результаты исследований влияния солей металлов на седиментационные характеристики и размер частиц электроразрядного гидроксида алюминия представлены в табл. 3. Опыты проводили в водных растворах солей сульфатов меди и цинка, моделирующих содержание сточных вод.
Добавление солей металлов в рабочую среду при получении электроразрядного гидроксида алюминия увеличивает примерно от 2 до 3 раз размер его частиц по сравнению с чистой водной средой (см. табл.2). Причем в случае сульфатов меди и цинка природа катиона соли оказывает относительно слабое влияние на метрические характеристики частиц гидроксидов.
Большая концентрация соли, как это отмечалось ранее на примере хлорида натрия, сначала увеличивает агрегаты частиц, а затем приводит к уменьшению их размера. Эта тенденция наблюдается и для сульфата цинка.
Таблица 3. Режимы получения и результаты седиментационного анализа электроразрядного гидроксида алюминия, выработанного в разрядной камере РЭД2, в растворах солей
№ об- раз- ца Напря- же-ние, 103 В Емкость, 10-6 Ф Коли- чество импуль- сов Pаз-рядный промежуток, м Толщина слоя загрузки, 10-3 м Размер частиц загрузки, 10-3 м Исход- ная кон- центра ция, 10-3 кг/м3 Масса заг- рузки, кг Радиус частиц сразу после обабот- ки, 10-6 м Радиус частиц через 2 часа, 10-6 м Радиус частиц через сутки, 10-6 м
Сульфат меди (гид роксид алюминия)
1 8,2 0,25 30000 0,5 30 3 1000 0,3 39,43 39,27 38,43
Сульфат цинка (гидроксид алюминия)
2 7,7 0,25 10000 0,5 30 3 300 0,3 91,40 89,77 -
3 7,7 0,25 20000 0,5 30 3 1000 0,3 54,93 - 76,26
Сохранение размеров частиц через сутки после получения гидроксида свидетельствует о медленных процессах кристаллизации, что согласуется с данными других исследователей (кристаллизация обнаруживается только в промежутке времени от 4 до 5 недель после образования гидроксида, полученного химическим методом в растворе сульфата алюминия) [5].
Аналогичные исследования проведены для электроразрядного гидроксида железа.
В табл. 4 представлены результаты экспериментальных исследований по получению электроразрядного гидроксида железа в растворах солей металлов в воде. Согласно данным подтверждается влияние солей металлов в рабочей среде на размеры образующихся хлопьев аморфного гидроксида железа. Причем сохраняются те же закономерности, что при электроразрядном гидроксиде алюминия - добавление соли вначале увеличивает размер частиц гидроксида, а затем при последующем увеличении концентрации растворенной соли происходит уменьшение размера образующих частиц.
Сравнивая результаты исследований по гидроксидам алюминия и железа, нетрудно заметить, что для последнего размеры образующихся частиц в некоторых случаях от 2 до 4 раз превышают аналогичные значения для гидроксида алюминия.
66
Таблица 4. Режимы получения и результаты седиментационного анализа электроразрядного гидроксида железа в растворах солей
№ образ- ца Напряжение, 103 В Коли- чество импуль- сов ?аз- ряд- ный про- межу- ток, 10-3 м Толщина слоя загрузки, 10-3 м Размер частиц загрузки, 10-3 м Исходная кон-концентрация, 10-3 кг/м3 Масса загрузки, кг Радиус частиц сразу после обработки, 10-6 м Радиус частиц через 2 часа, 10-6 м Радиус частиц через сутки, 10-6 м
Вода (железная металлозагрузка)
1 13,2 4000 500 10 3 - 0,7 14,70 - 220,00
Сульфат меди (железная металлозагрузка)
2 13,2 4000 500 10 3 300 0,7 71,11 268,00 248,50
Сульфат меди (железная металлозагрузка)
3 13,2 12000 500 10 3 1000 0,7 156,00 152,00 162,00
Сульфат цинка (железная металлозагрузка)
4 13,2 3200 500 10 3 300 0,7 331,49 320,65 311,79
5 13,2 10000 500 10 3 1000 0,7 78,69 70,34
6 13,2 30000 500 10 3 3000 0,7 38,63 41,68 41,68
калий двухромовокислый (железная металлозагрузка)
7 13,6 4000 500 10 3 300 0,7 252,2 283,8 -
8 13,6 8000 500 10 3 300 0,7 255,5 259,5 -
Модельный сток (аналог реального)
9 12,5 24000 500 20 4 1000 0,8 161,8 161,8 -
Реальный сток, разведенный трижды
10 10,0 45000 500 20 4 3000 0,8 108,9 101,1 -
Это связано с тем, что ориентация и плотность упаковки частиц в коагуляционных структурах могут быть неодинаковыми в разных участках. Как показано в [6], для солей гидроксида железа имеются, по крайней мере, две группы частиц, отличающихся по механическим свойствам. Это явление связано, вероятно, со способностью анизодиаметрических частиц гидроксида железа к построению тактоидов - агрегатов с ясно выраженной периодичностью расположения первичных частиц.
Таким образом, исследования показывают, что свойства электроразрядных гидроксидов алюминия и железа зависят не только от энергетических параметров их получения, но и состава водной среды. Это следует учитывать в тех технологических процессах, где предусмотрено совмещение стадий получения элекроразрядного коагулянта и одновременной очистки гальваностоков.
ЛИТЕРАТУРА
1. НазарянМ.М, Ефимов В.Т. Электрокоагуляторы для очистки промышленных стоков. Харьков, 1983.
2. Зубенко А.А., Ющишина А.Н. Исследование свойств электроразрядного гидроксида алюминия // Электронная обработка материалов. 2001. № 6. С. 60-65.
3. Зубенко А.А., Ющишина А.Н. Очистка хромсодержащих стоков в электроразрядных реакторах с металлической загрузкой // Там же. 2002. № 4. С. 77-79.
4. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М., 1975.
5. БабенковД.Е. Очистка воды коагулянтами. М., 1977.
6. Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. Л., 1971.
Summary
Поступила 04.10.04
The properties of electrical discharge aluminium hydroxide and iron hydroxide have been investigated. On the basic of sedimentation technique the particle size of these materials has been accounted. It was shown that the parameter dependent on obtaining of the coagulants. So the presence of copper, chromium and zinc salts in water solution is result to increasing of the radii particles of the materials. Apart from this sedimentation behavior of coagulants are also changed. Obtaining facts are needed to take into account on processes of purification of galvanic pollution by electrical discharge coagulant method.
67
