CC BY
74
УДК 621.357:628.3:661.185.1
Бродский В. А., Волкова В.В., Иншакова К.А., Малькова Ю.О., Трифонова В.Б.
ВЛИЯНИЕ РН СРЕДЫ НА ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ, ДИСПЕРСНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОВМЕСТНОГО ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МАЛОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА (III), НИКЕЛЯ (II), КОБАЛЬТА (II) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Бродский Владимир Александрович*, к.х.н., старший научный сотрудник кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
Волкова Виктория Владимировна, студент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия; Иншакова Ксения Александровна, ведущий программист кафедры высшей математики, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
Малькова Юлия Олеговна, студент кафедры промышленной экологии, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
Трифонова Валентина Борисовна, студент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия *е-таЛ: vladimir_brodsky@mail.ru
Загрязнение воды токсичными ионами цветных и тяжёлых металлов представляет непосредственную угрозу для экосистемы и экологического благополучия регионов, территория которых подвергается такому виду антропогенного воздействия. Поэтому очистка сточных вод, содержащих ионы металлов является приоритетной задачей. Следует учитывать, что стоки промышленных предприятий, например предприятий гальванохимической отрасли, производств печатных плат и микроэлектроники, металлообрабатывающие предприятия и т.п. одновременно содержат широкую номенклатуру загрязняющих веществ, в том числе ионы различных металлов. Проведена оценка влияния физико-химических свойств (размер, заряд) дисперсной фазы малорастворимых соединений железа (III), никеля (II) и кобальта (II) на эффективность их извлечения из водных растворов методом электрофлотации в широком диапазоне рН.
Ключевые слова: водоочистка, электрофлотация, сточные воды, дисперсная фаза, ионы металлов, железо (III), никель (II), кобальт (II), электрокинетический потенциал, средний гидродинамический диаметр.
THE INFLUENCE OF PH ON THE ELECTROKINETIC POTENTIAL, DISPERSIBILITY AND THE EFFICIENCY OF JOINT FLOTATION EXTRACTION OF HARD SOLUBLE COMPOUNDS OF IRON (III), NICKEL (II), COBALT (II) FROM AQUEOUS SOLUTIONS
Brodskiy V. A., Volkova V.V., Inshakova K.A., Mal'kova Yu.O., Trifonova V.B. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Water pollution with toxic ions of nonferrous and heavy metals constitute an immediate threat to the ecosystems and environmental prosperity of the regions, the area which is subjected to this kind of anthropogenic impact. Therefore, the purification of waste water containing metal ions is a priority. Note that the drains of the industrial enterprises, such as enterprises galvanochemical industry, manufacturers of printed circuit boards and microelectronics, Metalworking, etc. at the same time contain a wide range of contaminants, including ions of various metals. The influence of physico-chemical properties (size, charge) of the dispersed phase of low-soluble compounds of iron (III), Nickel (II) and cobalt (II) on the efficiency of their extraction from aqueous solutions by the method of electro-flotation in a wide pH range. Keywords: water treatment, electroflotation, wastewater, disperse phase, metal ions, iron (III), nickel (II), cobalt (II), zeta potential, average hydrodynamic diameter.
Анализ диаграмм Пурбе показывает, что в зависимости от рН среды ионы металлов существуют в виде труднорастворимых соединений или растворимых комплексов и свободных ионов. Природа образующихся соединений зависит от потенциала и кислотности среды, валентного состояния металлов [1, 2]. Таким образом, одним из наиболее простых и максимально эффективных способов извлечения ионов металлов из водных растворов является их выделение в виде малорастворимых гидроксидов или
гидратированных оксидов путём регулирования рН
среды. Основным критерием, которым руководствуются при выборе рН среды для проведения процесса электрофлотационной очистки, является минимальная растворимость образующихся частиц дисперсной фазы, что, очевидно, способствует максимально полному извлечению ионов металлов из сточных вод [3]. В то же время, величина рН среды способна оказывать влияние на поверхностные характеристики частиц
малорастворимых соединений, в частности их размер и заряд (электрокинетический потенциал 0. Последние, как известно, оказывают влияние на
эффективность протекания электрофлотационного процесса [4, 5].
Известно, что рН гидроксообразования зависит от природы и валентности металла. Так, в соответствии с данными диаграмм Пурбе, ионы железа (III) переходят в форму малорастворимых соединений начиная с рН 5 и выше, в то время как ионы никеля (II) и кобальта (II) - при значениях рН 8 и выше. Поэтому представляет интерес изучить процесс формирования дисперсной фазы в растворах содержащих ионы металлов с различным рН гидроксообразования, влияние физико-химических свойств дисперсной фазы на эффективность протекания электрофлотационного процесса в широком интервале рН.
Объектом исследований являлись растворы, содержащие малорастворимые коллоидно-дисперсные соединения железа (III), никеля (II) и кобальта (II) индивидуально и в смеси.
Изучено влияние рН среды на электрокинетический потенциал С, мВ, средний гидродинамический диаметр dav, мкм, и электрофлотационную активность малорастворимых соединений металлов подгруппы железа в воде а, %.
При исследовании однокомпонентных систем исходная концентрация ионов металлов составляла 50 мг/л. При исследовании многокомпонентных систем суммарная концентрация металлов также составляла 50 мг/л с массовым соотношением металлов 1:1. Эксперименты проводились в интервале рН 5-12. Процесс электрофлотационного извлечения частиц дисперсной фазы проводился в непроточном аппарате объемом 0.5л с нерастворимыми электродами (анод - ОРТА, катод -сетка из нержавеющей стали) в интервале объёмных плотностей тока ^ 0.2-0.4 А/л в растворах содержащих 0.01 М SO42". Электрофлотационную активность частиц дисперсной фазы оценивали по степени извлечения а =[(С0 - Ст) / С0]-100 (%), где С0 и Ст - исходное и конечное содержание металла в растворе (в дисперсной и ионной формах). Измерение массовой концентрации металлов в растворах осуществлялось на атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ-АФА. Размер частиц определялся с помощью лазерного анализатора частиц «АпаКзсТТс ЫапоТсс».
5 6 7 8 9 10 11 12 рН 13
Рис. 1. Зависимость Z-потенциала частиц малорастворимых соединений Fe(III), Ni(II) и Со(11)от рН среды в 0.001 М SO42-: 1 - Fe(OH)3-Ni(OH)2-Co(OH)2; 2 - Co(OH)2; 3 - Fe(OH)3; 4 - Ni(OH)2.
измерение дзета-потенциала проводилось на лазерном анализаторе характеристик частиц «Photocor Compact Z».
На первом этапе работы изучено влияние рН среды на индивидуальную растворимость, соединений железа(Ш), никеля(П) и кобальта(П). Установлено, что, начиная с рН=5.0, более 98% процентов ионов железа(Ш) образуют малорастворимые гидроксиды. Остаточная концентрация по ионам железа(Ш) в растворе находится в диапазоне 0.5-0.7 мг/л. Максимально полный переход ионов никеля и кобальта в форму малорастворимых соединений (более 99%) происходит при рН = 9.0 и выше. При этом минимальные значения остаточной концентрации ионов Ni2+ и Co2+ в растворе не превышают 0.02 (рН=10) и 0.09 (рН=11) мг/л, соответственно, что значительно ниже, чем для соединений железа.
Исследовано влияние рН среды на значения электрокинетического потенциала Z дисперсной фазы, образующейся в растворах, содержащих ионы Fe(III), Ni(II) и Co(II) индивидуально и в смеси. Полученные данные представлены на рисунке 1. Показано, что в растворе содержащем ионы всех трёх металлов (крив. 1), происходит усреднение электрокинетического потенциала дисперсной фазы, по сравнению с растворами, содержащими один металл (крив. 2-4).
Изучено влияние рН среды на значения среднего гидродинамического диаметра dav частиц малорастворимых соединений Fe(III), Ni(II) и Co(II) индивидуально и в смеси (рис. 2).
Установлено, что в растворе, содержащем ионы всех трёх металлов (крив. 1) средний гидродинамический диаметр частиц дисперсной фазы крупнее, чем в растворах, содержащих один металл (крив. 2-4). При этом кривая распределения частиц по размерам в зависимости от рН для трёхкомпонентной системы имеет два пика. Первый пик в области рН 5-7, по всей видимости, соответствует образованию дисперсной фазы Fe(OH)3, второй пик - образованию дисперсной фазы Co(OH)2 и Ni(OH)2. Показано, что в области рН 9.5 - 10.5 dav частиц малорастворимых соединений Fe(III), Ni(II) и Co(II) в смеси больше, чем частиц
Рис. 2. Зависимость среднего гидродинамического диаметра dav частиц малорастворимых соединений Fe(III), Ni(II) и Со(11)от рН среды в 0.001 М SO42-: 1 - Fe(OH)3-Ni(OH)2-Co(OH)2; 2 - Co(OH)2; 3 - Fe(OH)3; 4 - Ni(OH)2.
С повышением рН размер частиц коллоидно-дисперсных соединений исследованных металлов проходит через экстремум. Это можно объяснить незначительным повышением растворимости дисперсной фазы в сильно щелочных областях и затруднением коагуляции частиц с высокими отрицательными значениями ^-потенциалов [6].
Проведено сравнение физико-химических
характеристик дисперсной фазы малорастворимых соединений Fe(Ш), №(П), Со(11) индивидуально и в составе трёхкомпонентной смеси в интервале рН 7-8 и 10-11. Проанализировано влияние заряда и размера дисперсной фазы на эффективность протекания электрофлотационного процесса. Полученные данные представлены в табл. 1.
Таблица 1. Влияние дисперсных характеристик и ^-потенциала малорастворимых соединений железа(Ш), никеля(П) и кобальта(П) на их электрофлотационную активность индивидуально и в составе трехкомпонентной
системы
рН 7-8 рН 10-11
Дисперсная фаза dav, мкм мВ а, % dav, мкм мВ а, %
Однокомпонентные системы Fe, Ni, Co
Fe(III) 45 - 58 -(7-8) 97 - 98 28 - 30 -(10-15) 70 - 74
Ni(II) 10 -29 -(1-3) 0 -5 64 - 89 -(1-4) 97 - 98
Co(II) 9 - 10 -(3-5) 6 - 22 25 - 27 -(8-10) 97 - 98
Трёхкомпонентная система Fe-Ni-Co
Fe(III) 80-85 90 -94
Ni(II) 20 - 30 -(1 -5) 14-23 30 - 40 -(6-10) 95 -99
Co(II) 14 -16 95 -99
0.01 М SO42-; тэф = 10 мин
Установлено, что в трёхкомпонентной системе, содержащей ионы Fe(Ш), №(П), Со(11), средний гидродинамический диаметр и электрокинетический потенциал частиц дисперсной фазы усредняются. Так, в интервале рН 6-7 средний гидродинамический диаметр частиц дисперсной фазы системы Fe-Ni-Co составляет 20-30 мкм, повышение рН растворов приводит к укрупнению частиц, значение dav возрастает до 30-40 мкм (рН 78). С повышением рН растворов электрокинетический потенциал частиц сдвигается в более отрицательную область (с - (1 - 5) мВ в растворах с рН 6-7 до - (6 -10) мВ в растворах с рН 10-11).
Исследование физико-химических
характеристик и электрофлотационной активности трёхкомпонентной системы Fe(Ш)-Ni(П)-Co(П) показало, что частицы дисперсной фазы оказывают друг на друга сильное влияние: средний гидродинамический диаметр и электрокинетический потенциал частиц усредняются. Наблюдается синергетический эффект, заключающийся в более полном извлечении ионов металлов в сильно щелочной области (рН 10-11). При этом в слабо щелочной области (рН 7-8) наличие ионов №(П) и Со(11) приводят к затруднениям при извлечении малорастворимых соединений железа(Ш).
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 - 2020 годы» в рамках Соглашения о предоставлении субсидии от 27.10.2015 № 14.577.21.0174, уникальный идентификатор соглашения
RFMEFI57715X0174.
Список литературы
1. Справочник химика, т. III. Л.: Химия, 1969.
2. Кумок В.Н., Кулешова О.М., Карабин Л.А. Произведения растворимости. Новосибирск: Наука, 1983.
3. Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / Под ред. Колесникова В.А. М.: Химия, 2007.
4. Бродский В.А., Колесников В.И., Губин А.Ф., Ильин В.И. Механизм формирования заряда дисперсных частиц труднорастворимых соединений металлов в водных растворах // Хим. физика. 2012. Т. 31. № 10. С 46.
5. Кокарев Г.А., Колесников В.А., Капустин Ю.И. Межфазные явления на границе раздела оксид/раствор электролита. М.: Изд. центр РХТУ, 2004.
6.Москвичева Е.В., Москвичева А.В., Игнаткина Д.О. и др. // Совр. пробл. науки и образов. 2014. № 6. С. 98.
