CC BY
9
11. Wang Jiade, Chen Xiaolong, Yao Jiachao «Decomplexation of Electroplating Wastewater in a Higee Electrochemical Reactor with Rotating Mesh-Disc Electrodes»
12. Kim C., Lee C.R., Song Y.E., Jang M., Kim J.R. «Hexavalent chromium as a cathodic electron acceptor in a bipolar membrane microbial fuel cell with the simultaneous treatment of electroplating wastewater»
УДК 50.502/504
Красногорская Н. Н., д.т.н. зав. кафедрой «Безопасность производства и промышленная экология»
Мусина С.А. ассистент
кафедра «Безопасность производства и промышленная экология»
Щелчкова А.И. студент магистрант 1 курса Хасанова Л. Ф. студент магистрант 1 курса факультет «защиты в чрезвычайных ситуациях» ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный
технический университет» Россия, г. Уфа
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ПРОБЛЕМЕ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ И ЕГО КОМБИНИРОВАНИЕМ С ДРУГИМИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
Аннотация: В статье проводится статистический анализ научно-исследовательской информации по проблеме очистки сточных вод гальванопроизводств различными электрохимическими методами.
Дано описание электрофлотационным методам очистки сточных вод гальванопроизводств, определены оптимальные условия для улучшения эффективности очистки.
Ключевые слова: очистка, тяжелые металлы, сточные воды, электрод, гальваническая промышленность, электрохимические методы, электрохимическая флотация
Krasnogorskaya N.N.
doctor of technical sciences, head of the department "Safety ofproduction
and industrial ecology" Musina S.A.
assistant of the department "Safety ofproduction and industrial ecology"
Shchelchkova A.I. Khasanova L.F.
Masters
1 course, faculty of "protection in emergency situations" Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa STATISTICAL ANALYSIS OF LITERARY DATA ON THE PROBLEM OF WASTEWATER TREATMENT BY ELECTROFLOTATION METHODS AND ITS COMBINATION WITH OTHER ELECTROCHEMICAL METHODS
Abstract: The statistical analysis of scientific and research information on the problem of sewage treatment of galvanic production of various electrochemical methods is carried out in the article.
A description is given of the electroflotation methods of wastewater treatment of galvanic production, preferential conditions for improving the efficiency of purification.
Key words: purification, heavy metals, waste water, electrode, galvanic industry, electrochemical methods, electrochemical flotation
Сточные воды, которые образуются на предприятиях гальванопроизводств, имеют определенный химический состав, определяющийся видом и технологией перерабатываемого сырья. Наиболее распространенными загрязнителями сточных вод гальванопроизводств являются ионы тяжелых металлов: медь, цинк, никель, хром и другие. Тяжелые металлы влияют практически на все системы организма, оказывая токсическое, аллергическое, канцерогенное действие [1, с. 114]. Так, накопление тяжёлых металлов в почве, воде, растениях у человека вызывает специфические токсикозы, мутагенные эффекты. Результатом такого нарушения в клетках может стать разбалансированность регуляции их деления, в итоге - злокачественные заболевания [2, с. 280].
В настоящее время электрохимические методы очистки сточных вод от загрязняющих веществ гальванопроизводств находят все более широкое применение, поскольку обладают следующими преимуществами по сравнению с другими способами очистки сточных вод:
• более высокая степень очистки;
• меньшие энергозатраты;
• простота эксплуатации и обслуживания;
• отсутствие реагентов;
• возможность создания оборотных систем водоснабжения.
Актуальность данной проблемы подтверждается исследованиями в
этой области различных ученых в период с 2002 по 2017 года (рис. 1). К электрохимическим методам относят процессы электрокоагуляции, электрофлотации, электродиализа, анодного окисления и катодного восстановления. Все эти процессы протекают на различных электродах при пропускании через раствор постоянного электрического тока.
Scopus
Рис. 1. Количество публикаций по годам по проблеме очистки сточных вод электрохимическим методом
Также интерес к данной проблеме проявляют такие страны как Китай, Индия, США, также другие страны, которые представлены на рис. 2.
Scopus
Indtal I
Unilml ftUilMN | Iran I
Рис. 2. Количество публикаций в разных странах по проблеме очистки сточных вод электрохимическим методом
По рисунку 2 можно сделать вывод, что наибольший интерес к данной проблеме проявляет Китай. Количество их публикаций достигло 29. Авторы Yan, X., Zhu, C., Huang, B., Yan, Q., Zhang, G. в основном публикуют только статьи по данной проблеме, а публикация книг и их систематизация
довольно мала, что затрудняет подбор оптимальных параметров и сравнение различных электрохимических методов очистки сточных вод друг с другом.
В последние годы большое внимание уделяется разработке и применению электрофлотационного способа очистки производственных сточных вод. Основную роль в процессе электрофлотации выполняют пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде. Размер и интенсивность образования пузырьков водорода зависят от состава и температуры электролита, поверхностного натяжения на границе раздела фаз «электрод -раствор», материала электродов, их формы и шероховатости поверхности, плотности тока [3]. Изменяя перечисленные параметры, можно регулировать размер и интенсивность выделения пузырьков газов при электролизе, т.е. корректировать в зависимости от характера загрязнений технологический процесс очистки воды.
Метод электрофлотации имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами флотации сточных вод: простота изготовления аппаратов и несложность их обслуживания; возможность регулирования степени очистки путем изменения только одного параметра; высокая степень дисперсности газовых пузырьков; отсутствие вращающихся частей в рабочей зоне аппарата Однако применение этого метода связано с необходимостью предварительной очистки сточных вод от грубодисперсных загрязнений; в некоторых случаях требуется также и очистка поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей. Кроме того, электрофлотация не всегда обеспечивает требуемую степень очистки, что вызывает необходимость интенсификации процесса путем дополнительного применения коагулянтов или насыщения обрабатываемой жидкости газами в напорных электролитических сатураторах [4].
При исследовании авторов Khelifa A., Moulay S., Naceur A.W. [5] было определено, что процесс электрофлотация (EF) служит эффективной и перспективной альтернативой, чем существующие методы очистки сточных вод от тяжелых металлов в непосредственной близости от реки Мазафран, благодаря своей простоте и экономической рентабельности. Так как методы, используемые для предотвращения загрязнения, вызываемого сточными водами данной отрасли, являются дорогостоящими и плохо контролируемыми. В составе этих сточных вод содержится значительное количество тяжелых металлов, таких как никель, медь, цинк, кобальт и т. д. В данной работе, EF использовалась для снижения концентрации меди и никеля в образующихся сточных водах. Была исследована эффективность следующих параметров: плотность тока, рН, концентрация тяжелых металлов, концентрация поддерживающего электролита и природа электродов. Оптимизируя все параметры, извлечение тяжелых металлов достигло 98-99% и значения их концентраций не превышали нормы стандарта Всемирной организации здравоохранения, которые составляют 1 мг/л для никеля и меди.
Также существуют различные методы электрофлотационной очистки сточных вод. Например, в исследовании авторами Brahmi Bouguerra W.,Harbi S., Loungou M., Hamrouni B. [6] проведен анализ параметров эффективности новой технологии: балластная электрофлоккуляция (BEF), с использованием алюминиевых (А1) электродов, предназначенных для извлечения кадмия и цинка из промышленных сточных вод горных предприятий(MWW). Принцип BEF-процесса основан на совместном использовании микро-песка и полимера, для увеличения веса хлопьев и скорости, с которой они оседают. Данный BEF-процесс радикально меняет принцип осаждения частиц. Основываясь на анализе параметров процесса очистки один за другим, максимальный процент извлечения был получен при интенсивности тока = 2А, скорости потока = 20 л/ч, дозе микро-песка = 6 г/л, при содержании полиэтиленимина (РЕ1) =100 мг, при времени контакта = 30 мин, скорости перемешивания = 50 об/мин, при монополярной конфигурации электродов и числе электродов = 10. Результаты показали, что скорость потока и плотность тока имеют преобладающее влияние на изменчивость качества сточной воды. Было установлено, что процесс фильтрации более чувствителен к количеству электродов, дозировке микропеска и плотности тока. Методика данной реакции была применена для оценки эффективности очистки сточной воды, зависящей от скорости перемешивания, дозы полимера, интенсивности тока и числа электродов. Очистка сточных вод от ионов Cd и 7п из промышленных MWW проводилась по очень низкой цене = 0,04 €/м3. Очистка сточных вод методом балластной электрофлоккуляции BEF является рентабельным методом очистки, по сравнению с методом АсШо ТМ и электрокоагуляцией.
Также для повышения эффективности очистки сточных вод электрофлокуляционный метод применяют совместно с другими электрохимическими методами.
Например, исследование авторов Тетерина Н.Н., Адеев С.М., Радушев А.В., Силинг Л.И. [7] посвящено очистке сточных вод совместным электрохимическим и флотационным методами. Изобретение может быть использовано для очистки сточных вод в машиностроительной, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: предлагаемый способ позволяет очищать сточные воды гальванических производств от ионов токсичных металлов, например, никеля, железа, меди и цинка, комбинированием электрохимического (электро- или гальванокоагуляционного) и флотационного методов. Для повышения степени извлечения и скорости очистки воды от ионов токсичных металлов очистку проводят последовательно в коагуляторах и пневматическом колонном флотоаппарате с пульсирующим аэратором. В качестве флотационного реагента используют 2-5%-ные водные растворы следующего состава, мас.% : № - мыла синтетических жирных кислот фракции выше С21 85-95, спирты пиранового и диоксанового ряда 5-15.
Способ позволяет повысить скорость флотационной очистки до 2-3 мин, снизить расход реагента в 2-3 раза и обеспечить очистку воды от ионов никеля, железа, меди и цинка до 98 - 100%.
Также метод электрокоагуляции, флотации является эффективным, дешевым и простым электрохимическим методом для очистки сточных вод, содержащих медь (Си(П)), который включает применение коагулянтов с использованием электродов при постоянном напряжении, одновременно генерируя газообразный водород на катоде, который может использоваться в процессе флотации. В данной работе авторами Moneer A.A., El-Shafei A.A., Elewa M.M., M.M. [8] был разработан усовершенствованный
электрокоагуляционный аппарат, используемый для удаления ионов Си (II) из водного раствора. Было исследовано множество факторов, влияющих на эффективность удаления ионов Си (II), а именно: начальная концентрация ионного раствора Си (II), скорость магнитного перемешивания в ячейке электрокоагулятора, количество и тип расходуемых электродов (алюминий (А1) или железные ^е) электроды), смешанные электроды, соотношение сторон ячейки электрокоагулятора и добавление электролита. Было обнаружено, что для 100% удаления ионов Си (II) при низких начальных концентрациях требуется минимальное количество времени. Установлено, что при минимальной концентрации равной 3 г/л для полного удаления ионов Си (II) потребовалось всего 25 минут, при этом скорость очистки составляет 300 об/мин. При начальной концентрации равной 10 г/л потребовалось 45 мин при 120 об/мин, а при начальной концентрации равной 6,5 г/л потребовалось 30 мин при 240 об/мин. Электроды Fe были более эффективны при удалении ионов Си (II) по сравнению с электродами А1. Что касается очистки в флотационной камере, то она приводит к полной очистке воды и требует меньшего времени, необходимого для полного удаления Си (II).
Скорость электрофлотации в значительной степени зависит от температуры обрабатываемой жидкости. Повышение температуры способствует уменьшению перенапряжения водорода примерно на 2-3 мВ на каждый градус, с повышением температуры от 20 до 70-800 0С оно снижается для большинства металлов на 30-40%. При этом уменьшается вязкость жидкости и поверхностное натяжение на границе фаз, что интенсифицирует процесс разделения [9].
Таким образом, при анализе литературных данных выявлено, что диапазон параметров, влияющих на эффективность очистки сточных вод от тяжелых металлов электрофлотационным методом, очень широк. Например, значение скорости очистки варьируется от 50 до 300, а длительность электрокоагуляции - от 25 до 45 минут. Основными материалами электродов являются железо и алюминий. Данный метод очистки является очень эффективным, так как степень очистки от различных тяжелых металлов достигает во всех случаях примерно 99 %.
Использованные источники:
1. Авцын А.П. Микроэлементозы человека / А.П. Авцын, А.А. Жаворонков, М.А. Риш, Л.С. Строчкова // - М.: Медицина. 1991. - 496 С.
2. Чикенева И.В., Абузярова Ю.В. Содержание тяжёлых металлов в побочной продукции полевых культур в условиях техногенного воздействия // Известия 0ГАУ.2011. №4 (32). С. 280-282
3. Ротинян А.Л., Тихонов К.Л., Шошина И.А. Теоретическая электрохимия. Л.: Химия, 1981. 421 с.
4. Филатова Е.Г. Обзор технологий очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, основанных на физико-химических процессах // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. №2 (13). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-tehnologiy-ochistki-stochnyh-vod-ot-ionov-tyazhelyh-metallov-osnovannyh-na-fiziko-himicheskih-protsessah (дата обращения: 07.03.2018).
5. Khelifa, A., Moulay, S., Naceur, A.W. «Treatment of metal finishing effluents by the electroflotation technique»
6. Brahmi K., Bouguerra W., Harbi S., Loungou M., Hamrouni B. «Treatment of heavy metal polluted industrial wastewater by a new water treatment process: ballasted electroflocculation»
7. Тетерина Н.Н., Адеев С.М., Радушев А.В., Силинг Л.И. «Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов»
8. Moneer A.A., El-Shafei A.A., Elewa M.M., Naim M.M. «Removal of copper from simulated wastewater by electrocoagulation/floatation technique»
9. Иванов Г.В. Расчет флотационных установок для жиросодержащих сточных вод: учеб. пособие. Л.: ЛИСИ, 1984. 84 с.
