CC BY
57
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ / CHEMICAL TECHNOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 621.669.056.9
DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-94-99
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ СОЗДАНИИ АЛГОРИТМА ПРОЦЕССА
РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННОГО РАСТВОРА ФОСФАТИРОВАНИЯ © А.И. Чиванов, С.Л. Фукс
Вятский государственный университет
Цель данной работы - обоснование возможности применения на практике принципов моделирования при разработке химико-технологических систем (ХТС). Экспериментальная часть основана на последовательном осуществлении процесса фосфатирования с последующей очисткой образуемых сточных вод. При нанесении фосфатного покрытия определены количественные потери растворов с уносом поверхностью деталей и испарением. Исследовано количественное изменение содержания ионов Zn2+ и PO43 в процессе очистки сточных вод. На основе полученных данных разработан алгоритм очистки сточных вод процесса нанесения фосфатного покрытия с возвратом воды на вход в систему. Результаты проведенной работы позволяют судить о целесообразности использования на практике моделей ХТС.
Ключевые слова: моделирование, адсорбция, фосфатирование, очистка, алгоритм, катионит.
Формат цитирования: Чиванов А.И., Фукс С.Л. Возможность практического применения принципов моделирования ХТС при создании алгоритма процесса регенерации отработанного раствора фосфатирования // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 3. С. 94-99. DOI: 10.21285/22272925-2016-6-3-94-99
THE POSSIBLE PRACTICAL APPLICATIONS OF PRINCIPLES OF CHEMICAL-TECHNOLOGICAL SYSTEMS MODELING IN THE CREATION OF ALGORITHMS PROCESS OF REGENERATING THE SPENT PHOSPHATE SOLUTION
A.I. Chivanov, S.L. Fuks
Vyatka State University
The purpose of this work is to justify the possibility of practical using the principles of modeling in the development of chemical engineering systems. The experimental part is based on the consistent implementation of the phosphatizing process followed by purification of wastewater generated. Quantitative losses of solutions owing to details surface and evaporation were identified, when the phosphate coating was applied. Quantitative changes in the content of Zn2+ and PO43- ions in the process of wastewater purification were investigated. Based on these results, the algorithm was designed for wastewater treatment process by applying a phosphate coating with the water returning to the beginning of the system. The results of this work demonstrate that practical using of intervention models chemical engineering systems is expedient. Keywords: modeling, adsorption, phosphatization, cleaning, algorithm, cationite
For citation: Chivanov A.I., Fuks S.L. The possible practical applications of principles of chemical-technological systems modeling in the creation of algorithms process of regenerating the spent phosphate solution. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no 3, pp. 94-99. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-94-99 (in Russian)
ВВЕДЕНИЕ рительно создавать модели технологических
При проектировании производства, в осо- процессов и очистки образуемых ими отходов.
бенности химического, целесообразно предва- Каждая модель, воспроизводя основные ха-
рактеристики объекта-оригинала, позволяет в дальнейшем избегать возможные непредвиденные негативные воздействия с его стороны на окружающую среду.
Сточные воды предприятий химической промышленности содержат растворенные вещества, такие как: щелочные (OH", CO32"), кислотные (NO3", О", PO43" и др.), тяжелые металлы ^е2+, Fe3+, 2п2+, Со +, Ыр+ и др.), а также всплывающие вещества - нефтепродукты, суммарно приводящие к токсичности выше ПДКРХ [1]. Присутствие примесей в сбрасываемых водах затрудняет применение некоторых способов очистки, например, биологического. В связи этим целесообразно применение физико-химических и химических методов очистки. Возможность применения таких способов очистки позволяет создать модель очистки сточных вод гальванических производств, в том числе процесса нанесения фосфатного покрытия. Отработанные растворы фосфатирования наиболее просты по химическому составу, широко распространены и имеют большие объемы [2].
В связи с этим разработка условий очистки фосфатсодержащих сточных вод является актуальной задачей, решение которой возможно на основе модели, реализованной в виде алгоритма, используемом при разработке технологической линии фосфатирования стальных деталей с утилизацией компонентов раствора, в том числе воды.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Количественно технологию нанесения химического покрытия характеризуют показатели
Состав
потерь компонентов применяемых растворов. Для аналитической оценки потерь раствора использовалась многофакторная модель процесса нанесения фосфатного покрытия, состоящая из элементов обезжиривания, травления, позволяющих очищать поверхность обрабатываемой детали от жировых загрязнений, оксидов и шламов, фосфатирования, сопровождающихся промежуточными промывками поверхности изделий от загрязняющих веществ, накопления остатков раствора фосфатирования в ваннах улавливания. Количественный контроль за технологическими процессами осуществлялся по двум основным ионам: 2п2+, Р043-.
Составы применяемых растворов представлены в табл. 1.
Плоские образцы из стали марки 45ХН2МФЮА последовательно при комнатной температуре погружались в исследуемые растворы на 30 си переходили на последующую стадию гальванической линии с интервалом в 2-3 с. Количественные результаты потерь компонентов растворов с уносом поверхностью деталей представлены ниже (табл. 2).
Потери воды на испарение [3] оценивались с использованием ячеек одинаковой формы и объема. При использовании растворов обезжиривания, фосфатирования, горячей промывки детали выдерживались при требуемой температуре (80, 80 и 50 °С) в течение часа (табл. 3).
Определение потерь компонентов образованных сточных вод на этапах очистки осуществлялось с использованием модели четы-рехстадийной физико-химической очистки
Таблица 1
Раствор Качественный состав Концентрация, г/л
Обезжиривания NaOH №2^3 25,0 25,0
Травления НС1 200,0
Фосфатирования гпЫОз 7п(Н2РО4)2-2Н2О Н3РО4 50,0 32,0 11,5
Таблица 2
Потери растворов на унос с поверхности деталей
Операция Площадь обработанной поверхности, *10"2, м2 Унос деталями, *10-5 м3 Удельный унос раствора из ванны поверхностью детали, *10"4 м3/м2
Обезжиривание 0,8 1,15
Горячая промывка 0,4 0,57
Холодная промывка 0,4 0,57
Травление 6 96 0,6 0,86
Холодная промывка 0,6 0,86
Фосфатирование 1,4 2,01
Горячая промывка 1,0 1,44
Холодная промывка 0,8 1,15
Таблица 3
Потери воды на испарение с зеркала ванны
Раствор Площадь зеркала ванны, х 10-2, м2 Температура нагрева, °С Потери на испарение, х 10-5, м3 Скорость потерь воды с единицы открытой поверхности, X 10-2, м3/(м2хч)
Обезжиривание 80 5 1,0
Фосфатирование 80 5 1,0
Горячая промывка 0,5 50 1 0,2
водой
наиболее концентрированного из стоков -отработанного раствора фосфатирования, сопровождаемой химическими процессами его обработки (Са(ОН)2 и С17Н35СООМа) [4].
Результаты физико-химического этапа очистки, основанного на последовательном пропускании отработанного раствора через колонки, заполненные активированным углем [5], катионитом, анионитом, лигнином, и химического этапа, основанного на осаждении
2+ 3
ионов 2п и РО4 - [6], показали, что концентрации ионов на выходе из колонок снижаются, а рассчитанная эффективность находится в пределах от 6,4 до 97,67% для РО43- и от 18,33 до 85,8 для 2п2+ (табл. 4).
Помимо отработанного раствора фосфа-тирования в технологической линии образуются стоки обезжиривания, травления, воды межоперационных промывок, а также промывные воды регенерации фильтров [7]. Все жидкие отходы были учтены в разработанном алгоритме очистки сточных вод данного производства (рисунок) [8].
Как видно из рисунка, вода, нормативно очищенная для гальванопроизводства, из коллектора регенерационной воды распределяется по трем основным направлениям: на подготовку поверхности детали, на фосфатирование и на регенерацию фильтров.
В процессе подготовки поверхности деталей (обезжиривание, травление и последующие промывки) возникают потери, связанные с испарением и уносом растворов. Образуемые отработанные воды направляются на взаимную нейтрализацию, после чего объединяются с частично очищенными водами фосфатиро-вания и регенерации.
Воды процесса фосфатирования, включающие использованный раствор фосфатиро-вания и воды последующих стадий промывок, направляются на физико-химическую очистку, состоящую из угольного, катионитового, анио-нитового фильтров и фильтра с лигнином, что позволяет очистить воды до концентраций £п2+] = 0,12 г/л и [Р043-] = 2,10 г/л. После чего вода направляется на химическую очистку. При недостаточной очистке воды она вновь направляется на физико-химическую очистку.
После химической очистки с применением Са(ОН)2 и С17Н35СООЫа достигаются следующие значения концентраций: £п2+] = 0,05 г/л и [РО43-] = 0,05 г/л. Далее вода поступает на смешение с водами подготовки поверхностей детали и частично очищенными регенерацион-ными водами. При недостаточной очистке воды химическими способами вода вновь направляется на стадию очистки.
Отработанные воды регенерации филь-
Таблица 4
Результаты применения физико-химической и химической очистки отработанного раствора фосфатирования
Этап очистки раствора С7п2+, г/л Эффективность очистки, % СрО43, г/л Эффективность очистки, %
Раствор фосфатирования 14,00 17,20
отработанный
Очистка активированным 2,81 79,90 16,14 6,40
углем БАУ-А
Очистка на катионите 0,26 85,80 16,14 0
КУ-2-8-чС
Очистка на анионите 0,26 0 4,05 74,90
АВ-17-8-чС
Очистка на лигнине 0,12 53,80 2,10 48,10
Осаждение ионов Са(ОН)2 0,09 18,33 0,05 97,67
Осаждение ионов С^Н35СОО№ 0,05 50,00 - -
Эффективность применения
физико-химической - 99,65 - 99,72
и химической стадий очистки
Алгоритм очистки сточных вод процесса нанесения фосфатного покрытия
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
тров проходят обработку раствором CaCO3 с последующей стадией отстаивания и фильтрации. В результате достижения требуемых показателей по сухому остатку и мутности, вода смешивается с частично очищенными водами процессов подготовки поверхности и водами фосфатирования. При недостаточности очистки осуществляется повторные отстаивание и фильтация.
Очищенные воды доводятся до pH 7: если pH > 7, то воды нейтрализуются раствором HCl, если pH < 7, то - раствором NaOH. При достижении нейтральной реакции вода направляется в сборник нейтрализата и далее на дополнительную стадию физико-химической очистки, где их концентрации приводятся к нормативно допустимым значениям в гальванопроизводстве. Полученная вода направляется в коллектор оборотной воды.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Наибольшие потери с уносом поверхностью детали (см. табл. 2) приходятся на операции фосфатирования (2,01 х 10-4 м3/м2), а меньшие наблюдается на стадиях промывки (0,57 х 10-4 м3/м2), что можно объяснить высокой концентрацией раствора фосфатирования. Исключение составляет горячая промывка после стадии фосфатирования, где удельный унос составляет 1,44 х 10-4 м3/м2, что можно объяснить изменением свойства поверхности, а именно увеличением ее площади за счет кристаллической структуры фосфатного покрытия [9].
Полученные результаты потерь воды на испарение (см. табл. 3) позволяют судить о том, что потери зависят только от температуры и не зависят от состава растворов [10]. Например, это видно из результатов нагрева растворов фосфатирования и обезжиривания.
Разработанная модель комплексной физико-химической и химической очистки позволяет определить наиболее эффективные способы утилизации ионов (Zn2+, PO43-).
На физико-химической ступени наибольшей очищающей способностью от ионов Zn2+ обладает катионит, эффективность применения которого составляет 85,8%, а наименьшей -лигнин (53,8%). Наибольшая эффективность очистки от ионов PO43- наблюдается у аниони-та (74,9%), а наименьшая - у активированного угля (6,4%). На стадии химической очистки от ионов Zn + более эффективным оказалось применение C17H35COONa (50%). Обработка растворов, содержащих ионы PO43- суспензией Ca(OH)2, составила 97,67%. Суммарная эффективность двух ступеней очистки для ионов Zn2+ - 99,65%, для ионов PO43- - 99,72%. Из полученных результатов следует, что при последовательном применении физико-химических и химических способов очистки сточные имеют характеристики, позволяющие применять их в технологическом цикле фосфатиро-вания.
ВЫВОДЫ
Данные испарения и уноса на стадии нанесения химического покрытия дают представления о количественных потерях компонентов раствора в зависимости от учитываемых факторов (температуры, площади обрабатываемой поверхности). Это позволяет своевременно производить корректировку состава раствора без его дополнительного отбора на химический анализ, благодаря чему достигается уменьшение потерь раствора и ускоряется процесс в целом.
Создание условий очистки воды с использованием модулей обработки последовательно физико-химическими и химическими методами позволило получить сведения на основе элементов разработанного алгоритма процесса очистки и регенерации сточных вод, направить основной поток в оборот.
Полученный алгоритм возврата водных потоков доказывает возможность и необходимость применения на практике принципов моделирования химико-технологических систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство. М.: Глобус, 1998. 302 с.
2. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко Т.М. и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983. 288 с.
3. Селиванов В.Н., Перелыгин Ю.П. Универсальный раствор фосфатирования // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2013. N 1. С. 135-143.
4. Фукс С.Л., Чиванов А.И. Оценка возможности практического применения физико-
химической и химической очистки растворов гальванического производства // Наука, образование и инновации. 2015. Ч. 3, С. 197-200.
5. Deliyanni E.A., Kyzas G.Z., Triantafyllidis K.S., Matis K.A. Activated carbons for the removal of heavy metal // Open Chem. 2015. N 13. P. 699-708
6. Barakat M.A. New trends in removing heavy metals from industrial wastewater // Arabian Journal of Chemistry. 2011. N 4. Р. 361-377
7. Урецкий Е.А. Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий. Брест: Брестское изд-во, 2007. 396 с.
8. Воробьев О.Г. Инженерная защита окру-
жающей среды. СПб: Лань, 2002. 288 с.
9. Акаева Т.К., Акаев О.П., Родин О.Н., Най-ман Е.А. Оптимизация режимов фосфатирования составами на основе фосфорной кислоты // Вестник Костромского государственного университета
1. Vinogradov S.S. Ekologicheski bezopasnoe galvanicheskoe proizvodstvo [Environmentally safe galvanic production]. Moscow, Globus Publ., 1998. 302 p.
2. Koganovskii A.M., Klimenko N.A., Levchenko T.M. [et al.] Ochistka I ispo'zovanie stochnykh vod v promyshlennom vodosnabzhenii [Treatment and use of wastewater in industrial water supply]. Moscow, Khimiya Publ., 1983, 288 p.
3. Selivanov V.N., PerelyginYu.P. Universal solution phosphating. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Povolzhskii region. Estestvennye nauki [University proceedings. Volga region. Natural sciences]. 2013, no. 1, pp. 135-143. (in Russian)
4. Fuks S.L., Chivanov A.I. Assessment of a possibility of practical application of the physicist -chemical and chemical purification of solutions of galvanic manufacture. Nauka, obrazovanie i innovatsii [Science, education and innovation]. 2015, vol. 3, pp. 197-200. (in Russian)
5. Deliyanni E.A., Kyzas G.Z., Triantafyllidis K.S., Matis K.A. Activated carbons for the removal of
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Александр И. Чиванов
Вятский государственный университет, 610001, Россия, г. Киров, ул. Московская, 36 Студент
sanya.chivanov@yandex.ru Софья Л. Фукс
Вятский государственный университет 610001, Россия, г. Киров, ул. Московская, 36 К.т.н., доцент tzb_fu ks@vyats u. ru
Поступила 13.04.2016
им. Н.А. Некрасова. 2013. Т. 80, Вып. 4. С. 39-41
10. Sankara Narayanan T.S.N. Surface pre-treatment by phosphate conversion coatings // Rev. Adv. Mater. Sci. 2005. N 9. P. 130-177.
heavy metal. Open Chem. 2015, no. 13, pp. 699708.
6. Barakat M.A. New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arabian Journal of Chemistry. 2011, no. 4, pp. 361-377.
7. Uretskii E.A. Resursosberegayushchie tekhnologii v vodnom khozyaistve promyshlennykh predpriyatii [Resource-saving technologies in water management of industrial enterprises]. Brest, Brestskoe izdatel'stvo Publ., 2007, 396 p. (in Russian)
8. Vorob'ev O.G. Inzhenernaya zashchita okru-zhayushchei sredy [Environmental Engineering]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2002, 288 p.
9. Akaeva T.K., Akaev O.P., Rodin O.N., Nai-man E.A. Optimization of modes phosphating compositions based on phosphoric acid. Vestnik Ko-stromskogo gosudarstvennogo universiteta im. N.A. Nekrasova [Vestnik of Nekrasov Kostroma State University]. 2013, vol. 80, no. 4, pp. 39-41. (in Russian)
10. .Sankara Narayanan T.S.N. Surface pre-treatment by phosphate conversion coatings. Rev. Adv. Mater. Sci. 2005, no. 9, pp. 130-177.
AUTHORS' INDEX Affiliations
Aleksandr I. Chivanov
Vyatka State University
36, Moskovskaya St., Kirov, 610001, Russia
Student
sanya.chivanov@yandex.ru
Sofia L. Fuks
Vyatka State University 36, Moskovskaya St., Kirov, 610001, Russia PhD of Engineering Sciences, Associate Professor tzb_fu ks@vyatsu. ru
Received 13.04.2016
