CC BY
103
3. Жуков А.И., Моигайт Л.И., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1997.
УДК 66.047
В. Б. Сажин, А. Б. Половников
Российский химико-технологический университет им. Д;Й. Менделеева, Москва. Россия
ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПОЛУЧЕНИЕМ ФЕРРИТОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Ферриты обладают магнитными свойствами и применяются в радиотехнической аппаратуре (антенны сотовых телефонов) и электронных системах для преобразования электрической энергии в другие формы, в частности тепловую (микроволновые печи), механическую (поворот ракетных двигателей, вращение оружейных систем наведения). Ферриты очень дорогостоящее сырье, т.к. для их изготовления применяются оксиды цветных металлов очень высокой степени очистки» и сама технология является энергетически затратной, требуется предварительный обжиг и спекание в. течение 2-4 часов при температурах 900-1200 град, Цельсия.
Нами в развитие исследований японских ученых (предложивших метод электролитической обработки воды и получением ферритов в качестве конечного продукта) разработана совершенно новая, существенно упрощенная и дешевая технология получения ферритов из водного раствора (так называемая, безэлектролизная ферритизация). Реакция получения ферритов проходит в водной среде за счет окисления сульфата железа и ионов тяжелых металлов (далее ИТМ) под действием атмосферного воздуха, в результате образуются первичные структуры ферритов, которые являются трудно растворимыми и выпадают в осадок. После сушки осадок превращается в ферритовое сырье, из которого получают ферриты.
Основой водного раствора могут быть сточные воды гальванического производства, экспериментально доказано, что очистка таких стоков проходит на 99%, итоговое значение содержания ИТМ находится в пределах допустимых концентраций.
Данная технология, в отличие от традиционной технологии, позволяет получать ферритовую крошку без предварительного обжига при высоких температурах и в отличие от японского метода без энергозатратной электролизной составляющей. Разработанная схема также является экологически выгодной и безотходной, и позволяет в значительной мере снизить расходы на получения ферритов за счёт исходного сырья - отходов других производств.
Полученное сырье полностью удовлетворят техническим условиям по электромагнитным показателям, и обладает некоторыми преимуществами, так имеется возможность варьировать некоторыми параметрами будущих феррнтовых изделий (намагниченность), за счет добавок, и изменений температурных условий спекания.
Промышленные сточные воды (например, травильных и гальванических производств) характеризуются тем, что содержащиеся в них затрязне-
ния невозможно удалить с помощью фильтрования и других традиционных методов. Вместе о тем, такие загрязнения являются сильнейшими токсикантами. Наиболее часто встречаются неорганические кислоты и их соли (в сточных водах процессов травления металлов), щелочи, поверхностно активные вещества (при обезжиривании) и неорганические соли тяжелых металлов (при гальванотехнических процессах).
Постоянный прогресс в технологии химической и электрохимической обработки металлов влияет на изменение структуры сточных вод в связи с применением в технологических процессах различных органических и металлоорганических ингибиторов, а также соединений для очистки и окраски. В ряде случаев затруднена индикация нетрадиционных загрязнителей в сточных водах (так как во многих случаях даже неизвестны методы удаления этих загрязнений из сточных вод). Есть возможность попадания таких загрязнителей в водоемы и тогда, несмотря на небольшую концентрацию этих загрязнений в очищенных сточных водах, они все же представляют большую санитарную проблему при снабжении населения водой.
Проблема очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ) весьма актуальна. Известны высокоэффективные схемы очистки воды. Однако требование высокой степени очистки обуславливает существенные финансовые затраты как на собственно очистные ооружения, так и на периферийную инфраструктуру при значительных эксплуатационных расходах. Еще одна проблема связана с рассеиванием и безвозвратной утратой в окружающей среде огромного количества стратегически важных элементов, в том числе тяжелых металлов.
Весьма полезными и актуальными представляются технические решения в области очистки, позволяющие сделать ее малоотходной, т.е. использовать образующиеся вещества для получения товарной продукции, стоимость которой может существенно снизить расходы на очистку.
Одно из таких решений предложено нами. Используя предложенный японскими исследователями метод ферритизации, мы разработали малозатратную и эффективную технологию очистки стоков, содержащих ИТМ. В модифицированном варианте удалось исключить самую энергоемкую стадию очистки - электролиз, заменив его очень простым и доступным практически любому предприятию процессом реагентной очистки с помощью сульфата железа, который в свою очередь является отходом металлургического производства.
В протекающей окислительно-восстановительной реакции ионы железа одновременно соединяются с ионами тяжелых металлов и кислородом, при избытке в растворе последнего и образуются первичные структуры ферритов, которые являются трудно растворимыми и выпадают в осадок. После сушки осадок превращается в ферритовое сырье, из которого получают ферриты - магнитные материалы, необходимые для производства электро- и радиоаппаратуры и электронных приборов.
Таким образом, из сточной воды, содержащей ядовитые ИТМ, по разработанной схеме получают воду, в которой содержание ИТМ находится
в пределах допустимых концентраций, составляя десятые доли миллиграмма на литр воды. Очищенная вода пригодна для повторного использования в производстве (например, при промывки деталей после осаждения на них никелевых, хромовых, цинковых и других гальванических покрытий). Полученный в качестве отхода очистки шлам после просушивании полностью перерабатывается в ферритовую крошку, при этом имеется возможность варьировать параметры будущих ферритовых изделий (рисунок 2), за счет добавок, и изменений температурных условий спекания.
Приблизительную схему происходящих процессов для никеля можно представить следующим образом (опущена реакция гидролиза).
1. Ре804 + 2№ОН — Ре(ОН)2 + Ыа2804
2. N¡804 + 2№ОН — №(ОН)2 + '
3. 4Ре(ОН>2 + 02 + 2Н20 -» 4Ре(ОН)3
4. 8Ре(ОЫ)2 + 8Ре(ОН)3 + 2№(0Н)2 + 02 — РеРе204 + 2№Ре204 + 2Н20.
Первые три уравнения вполне отражают количественные соотношения элементов, участвующих в реакциях. Что касается четвертого уравнения, то оно только приблизительно соответствует количествам веществ, которые являются участниками реакции. Такое отступление от простых стехиометрических соотношений связано с тем, что образующиеся ферриты являются соединениями переменного состава (бертоллидами), они могут, не подчинятся закону постоянства состава, который меняться в зависимости от условий получения ферритов
В процессе работы исследованы все основные параметры очистки, особое внимание уделено влиянию соотношения металлов (рисунок 1).
Было установлено, что для большинства металлов оптимальные соотношения ионов железа (II) к ионам тяжелых металлов находятся в пределах 5...7, при дальнейшем повышении количества ионов железа до соотношения Ре2+/ИТМ = 15.. .25 практически не меняется, идет лишь избыточный расход железосодержащего реагента, и как следствие ухудшение ферритовых структур, при еще большем увеличении ионов железа степень очистки снижается.
Эксперименты проводились двумя методами, первый - лабораторный, когда насыщение раствора кислородом происходило за счёт добавления перекиси, и второй - в специальной установке, где кислород доставлялся вместе с пузырьками воздуха. В результате серий экспериментов удалось выяснить, что необходим двух- трехкратный избыток кислорода, что обеспечивается 20 минутной продувкой воздуха через наш аппарат. Оптимальный pH уровень протекания реакции девять, в процессе реакции высвобождаются кислотные остатки, которые снижают pH уровень на 2-3 единицы.
Исследования проводились, как с отдельными катионами, так и с комплексными модельными растворами (таблица) и применяемыми в промышленности электролитами.
Ферритовая крошка, полученная модифицированным способом, имеет некоторые сходства физических показателей, таких как намагниченность от 20 до 61 (полученная модифицированным способом), со смесью оксидов 30 - 40, при получении образцов (по общей методике) ц. — 160 и не менее 100 для образцов получаемых промышленностью. Тангенсы магнитных потерь не отличаются.
Остаточная ншенлицня.
Рис. I. Зависимость значений остаточной концентрации ионов от соотношения Ре2+/ИТМ для исходной концентрации Ш2+, Сиг*= I г/л, pH =9)
Табл. Остаточные концентрации ионов после комплексной очистки
Ион металла загрязнителя Исходная концентрация, мг/л Остаточная концентрация, мг/л (Результаты очистки, %)
Опыт без хрома Опыт с хромом
№2+ 100 0,0870 (99,9130) 0,2145 (99,7855)
Со2* 100 0,0771 (99,9229) 0,1902 (99,8098)
7я2* 100 0,1558(99,8442) 0,1029(99,8971)
Си2* 100 0,0699 (99,9301) 0,1146 (99,8854)
Следует отметить, что полученная ферритовая крошка, превосходит по своим параметрам обычную смесь оксидов применяемую для формовки изделий и пригодна для дальнейшей переработки в ферритовые изделия.
Время сушки,2,5 час
0 55-60
□ 50-55 В 45-50
□ 40-45
0 35-40 !
□ 30-35
□ 25-30
□ 20-25
□ 15-20
□ 10-15
0 5-10 |
□ 0-5 !
150 200 250 300 350 400
Температура сушки, “С
Намагниченность,
Рис. 2. Зависимость относительной магнитной проницаемости от температуры и времени первичного обжиг а
Разработанная схема очистки не только является безотходной, но и позволяет в значительной мере снизить расходы на проведение очистки за счет реализации получившегося сырья.
Библиографические ссылки
1. Сакураи Хиде. Практика электролитической обработки отработанной воды, [перевод с японского]. М.: ГНТБ, 1979.
2. Патент Японии № 51-22307,МКИ 91С91.
3. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов./УкрНИИНТ. Киев: УкрНИИНТ, 1988. Выпуск 1. С. 4-6.
4. Ферриты. Строение, свойства, технология производства. /Л.И. Рабкин [и др.]; М.: Наука, 1968.
