CC BY
8
УДК 546.824-31
Савельев Д.С., Сычева О.В., Колесников А.В.
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ И КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ НА ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ДИОКСИДА ТИТАНА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Савельев Дмитрий Сергеевич, аспирант кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, ведущий инженер технопарка «Экохимбизнес- 2000+» РХТУ им. Менделеева, email: savelevdd@gmail.com.
Сычева Оксана Владимировна, магистр кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Менделеева
Колесников Артем Владимирович, к.т.н., с.н.с. технпарка «Экохимбизнес-2000+» РХТУ им. Менделеева Российский химико-технологический университет им Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
В данной работе представлены результаты исследований по электрофлотационному извлечению диоксида титана. Показано, что процесс протекает эффективно в области pH = 3-11, при увеличении размера частиц до 10-50 мкм за счет добавления коагулянтов (ОУ, Fe, Al, Cu, Zn) и флокулянтов или ПАВ различной природы. В оптимальных условиях степень извлечения достигает 99%, время электрофлотации не превышает 10 минут, энергозатраты- 0,5 кВт на 1 м3 водного раствора.
Ключевые слова: Электрофлотация, диоксид титана, поверхностно-активные вещества, сточные воды, коагулянты
INFLUENCE OF SURFACTANTS OF DIFFERENT NATURE AND ACIDITY OF THE ENVIRONMENT ON THE FLOTATION EXTRACTION OF TITANIUM DIOXIDE FROM AQUEOUS SOLUTIONS OF ELECTROLYTES
Savelyev D.S., Sycheva O.V., Kolesnikov A.V.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In the article, the results of studies on the electroflotation recovery of titanium dioxide are presented, they show that the process proceeds efficiently in the pH range of 3-11, with the particle size increasing to 10-50 pm by adding coagulants (OU, Fe, Al, Cu, Zn ) and flocculants or surfactants of various nature. Under optimum conditions, the recovery rate reaches 99%, the time of electroflotation does not exceed 10 minutes, the energy consumption is 0.5 kW per 1 m3 of the aqueous solution.
Keywords: Electrofloatation, titanium dioxide, surfactants, waste water, coagulants
Диоксид титана широко используется в производстве красок, эмалей, бумаги, полимерных композиций, функциональной керамики, а также при получении нерастворимых анодных материалов для электрохимических процессов [1]. Требования к оксидам титана постоянно растут, наибольший интерес представляют композиции суспензии водного раствора диоксида в присутствии поверхностно-активных веществ [2,3,4,5]. В связи с расширением применения диоксида титана, особенно частиц малых размеров, использование «золь-гель» технологий в технологических процессах образуются жидкие техногенные отходы содержащих коллоидно- устойчивые композиции TiO2 в водных растворах электролита. Известно, что оксиды и гидроксиды металлов, в том числе TiO2 являются коллоидно-устойчивыми системами в водных растворах, имеют малый размер частиц, трудно подвергаются процессам седиментации и фильтрации и часто являются источником загрязнений окружающей среды. [3, 6]. Как и все цветные тяжелые и редкоземельные металлы и их соединения являются токсичными. ПДК для оксида титана составляет 0,1 - 0,01 мг/л. Значения ПДК для других соединений титана 0,1 мг/л. Для извлечения высокодисперсных частиц оксидов и гидроксидов применяют различные методы, такие как: седиментация, фильтрация, флотация,
электрофлотация. [6]. Традиционные методы
седиментации, фильтрации и флотации для высокодисперсных частиц TiO2 не эффективны. Публикации по электрофлотационному извлечению TiO2 ограничены. В связи с этим разработка методов эффективного извлечения дисперсной фазы TiO2 является актуальной задачей.
Электрофлотационное извлечение проводилось в лабораторном непроточном электрофлотаторе с нерастворимыми анодами на основе титана с оксидным покрытием RuO2, TiO2 с объемом электролита 1 литр, по стандартизированной методике [6]. Эффективность электрофлотационного извлечения диоксида титана из водных растворов оценивали по значению степени извлечения а (%), которую рассчитывали, как отношение разницы между исходным и остаточным содержанием каждого элемента в растворе к исходному содержанию (уравнение (1)):
Сисх-Сост , .,_,,.
а= —--* 100% (1)
С иск
где С исх -начальная концентрация ионов металла в растворе, мг/л;
С ост -остаточная концентрация ионов металла в растворе, мг /л.
Анализ исходной и остаточной концентрации элементов (Al3+, Fe3+, Cu2+, Zn2) в растворах проводился по стандартизованной методике на спектрофотометре КВАНТ -2А. Концентрация Ti4+ определялась на портативном турбидиметре HANNA HI 98703, методом
пересчета показателя мутности КТи. В таблице 1 показана зависимость степени извлечения от рН среды.
Таблица 1. Влияние рН раствора на
электрофлотационное и фильтрационное извлечение ТЮ2
рН Степень извлечения (а%)
без ПАВ ПАВа ПАВк
ЭФ Ф ЭФ Ф ЭФ Ф
2 12 84 11 89 12 87
3 16 90 37 84 26 79
4 12 52 11 67 16 75
5 8 43 10 75 14 71
6 4 41 20 70 12 64
7 4 41 20 73 14 66
8 4 42 22 70 5 43
9 4 43 29 71 6 44
10 8 45 14 71 5 42
11 6 48 18 77 6 47
Условия эксперимента: с1Ю2 - 50 г/л, сNaCl - 1 г/л; сПАВа -5 мг/л; сПАВк - 5 мг/л; 1=0,4 А/л; т=20 мин; Ф - фильтрация; ЭФ - электрофлотация
Далее проведены эксперименты по оценки влияния природы электролита на эффективность электрофлотационного извлечения Т14+. Результаты сведены в таблице 2.
Таблица 2. Влияние природы и рН электролита на электрофлотационное извлечение ТЮ2 из водных
электролит а%
рН=3 рН=6 рН=9 рН=11
ЭФ Ф ЭФ Ф ЭФ Ф ЭФ Ф
NaCl 10 90 4 29 4 43 4 48
NaNO3 13 79 2 62 2 67 9 70
Na2SO4 23 88 5 70 2 70 4 65
Условия эксперимента: с - 50 мг/л; Jv=0,4 А/л; т=20
мин; с (электролита) - 1 г/л
Установлено, что в кислой области рН=3 наибольшая величина а наблюдается в электролитах на основе Ка2Б04, 25-35%. Указанный эффект связан со специфической адсорбцией ионов SO42-, в кислой области рН на ТЮ2 и увеличением размера частиц, что благоприятно сказывается на фильтрации и флотации. Характерно отметить, что 95% дисперсной фазы извлекается за 5 минут, что свидетельствует о высокой скорости протекания процесса электрофлотации.
Таблица 3. Влияние рН и природы коагулянта на степень извлечения ТЮ2 из водных растворов электролитов №01,
Условия экспериментов: J= 0,4 А/л, электролиты: NaCl, Na2SO4 - 1г/л, cTiO2 = 50 мг/л, коагулянты (ОУ, Fe, Al, Cu, Zn)- 5 мг/л, тэф= 20 мин
Анализ на остаточное содержание Бе, А1, Си, 2п показал, что концентрация коагулянта после электрофлотационного процесса не превышает 0,1 мг/л, степень извлечения составляет 98-99%. На рисунке 1 представлены результаты зависимости степени извлечения ТЮ2 в присутствии коагулянта РеС13 в нейтральной области рН с использованием ПАВ различной природы
а,%
рн Коагулянт Na2SO4+ коагулянт №^4без коагулянта NaCl+ коагулянт NaCl без коагулянта
3 ОУ 56 23 60 16
6 Al3+ 64 5 54 4
Fe3+ 60 5 99 4
10 Cu2+ 87 3 92 8
Zn2+ 92 3 90 8
Рис. 1. Влияние природы ПАВ и коагулянта Fe(OH)3 на электрофлотационное извлечение TiO2. Условия эксперимента: ПАВа. - М 345(a); ПАВк. -СептаПАВ(к); 1г/л NaCl; ПАВн. - ПЭО-1500(н); cTiO2 - 50 мг/л; Fe3+=10 мг/л; рН=7; 1=0,4А/л; 1 - без добавок, 2 - FeCl3, 3 - FeCl3+ ПАВан., 4 - FeCl3+nABK, 5 - FeCl3+ ПАВкат.
Таким образом проведенные исследования по электрофлотационному извлечению диоксида титана показывает, что эффективно процесс протекает в области pH = 3-11, при увеличении размера частиц до 10-50 мкм за счет добавления коагулянтов (ОУ, Fe, Al, Cu, Zn) и флокулянтов или ПАВ различной природы. В оптимальных условиях степень извлечения достигает 99%, время электрофлотации не превышает 10 минут, энергозатраты- 0,5 кВт на 1 м3 водного раствора.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0169 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI5 7417X0169.
Список литературы
1. Колесников В. А., Капустин Ю. И., Исаев М. К., Колесников А. В. Оксиды металлов -перспективные материалы для электрохимических процессов / //Стекло и керамика. — 2016. — № 12. — С. 23-28.
2. Hosokawa M., Nogi K., Naito M., and Yokoyama T.Nanoparticle Technology Handbook. Oxford, Amsterdam: Elsevier Sci., 2007. P 344.
3. Голикова Е.В., Чернобережский Ю.М., Йогансон О.М. // Коллоид. журн. 2000. Т. 62. С. 596.
4. Павлова, Веревкина О.Б., Озерина Л.А., Политова Е.Д., Судин Н. М,. Озерин А.М. // Коллоид. журн. 2009. Т. 71. С. 522.
5. Xu G., Zhang J., Li G., Song G. // J. Dispersion Sci. Technol. 2003. V. 24. P. 527.
6. Колесников В.А., Меньшутина Н.В., Десятов А.В. Оборудование, технологии и проектирование систем очистки сточных вод : монография. . - М. : ДеЛи плюс, 2016. - 288 с.
