Применение процессов электрофлотации и флотации для очистки сточных вод

На поляризационных кривых Р1;- и Р1;-МоОх -электродов (рис. 2) также можно отметить два пика окисления этанола. При включении в осадок соединений молибдена наблюдается значительное увеличение плотности тока, в особенности при потенциале Е = 0,8 В, соответствующем максимуму первого пика окисления этилового спирта. Этот результат указывает на каталитические свойства композитного материала Р1;-МоОх в отношении электроокисления этанола и не может быть связан с различием истинных поверхностей осадков, которые сопоставимы по порядку величины.

Каталитическая активность Pt-MoOx -электрода в реакции окисления этанола может быть обусловлена как бифункциональностью полученного композитного материала, так и большей его устойчивостью к отравлению продуктами реакции.

Для оценки степени отравления поверхности осадков Pt и Pt-MoOx в процессе окисления этанола были записаны квазистационарные хроноамперометрические кривые при потенциале Е = 0,8 В, соответствующем максимуму первого пика окисления этилового спирта (рис. 3). Более высокие плотности тока, наблюдаемые для Pt-MoOx -электрода, свидетельствуют о меньшем отравлении поверхности осадка монооксидом углерода, образовавшимся в результате диссоциативной хемосорбции этанола.

УДК 628.337

В.А. Колесников Д.В. Павлов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ И ФЛОТАЦИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Method has been developed for clearing water from heavy metals by combining electroflotation and flotation processes. The technical results are the increase of efficiency of water treatment and the decrease of electrode material's consumption due to using of ceramic membrane. Comparative experimental data of clearing model solutions from Fe3+ ions are mentioned in this work.

Разработан способ очистки воды от солей тяжелых металлов комбинированным методом флотации и электрофлотации. Технический результат - повышение эффективности и производительности очистки воды, снижение затрат на электродные материалы за счёт использования керамической мембраны. Приведены сравнительные экспериментальные данные по очистке модельных растворов от Fe3+ электрофлотационным и комбинированным методами.

Проблема очистки промышленных стоков приобретает все более серьезное значение, поскольку большинство очистных сооружений предприятий устарело и не в состоянии обеспечить качественную очистку стоков в соответствии с существующими нормативами. В настоящее время электрофлотационные технологии получают всё более широкое распространение.

С целью снижения материальных затрат на электродные материалы, в частности ОРТА, используемые в электродных блоках электрофлотаторов, а также интенсификации и повышения эффективности самого электрофлотационного процесса было предложено создание аппарата сочетающего процесс мембранной- и электрофлотации.

Для проведения экспериментальных исследований совместного процесса флотации и электрофлотации был сконструирован и изготовлен аппарат (флотатор), сочетающий в себе прямоточную мембранно-флотационную камеру объемом 5,7 л. и про-тивоточную электрофлотационную камеру объемом 11 л. Общий объём аппарата составляет 16,7 при соотношении объёмов камер 1:1,9. Схема данного аппарата представлена на рис. 1.

В качестве конструкционного материала для изготовления флотатора было выбрано прозрачное оргстекло толщиной 10 мм. Этот материал является достаточно прочным и легким и, в месте с тем, позволяет наблюдать за процессом как невооруженным глазом, так и с помощью увеличительной фототехники.

Насыщение исходной сточной воды воздухом на первой мембранно-флотацион-ной стадии в данном флотаторе происходит на трубчатом керамическом мембранном элементе с внутренним селективным слоем со средним диаметром пор 1 мкм. Исходная вода подается внутрь элемента, в то время как воздух под давлением подается с внешней стороны и, преодолевая сопротивление мембраны и поверхностного натяжения жидкости, барботирует в струю жидкости, движущуюся внутри мембранного элемента. Благодаря турбулентному движению жидкости внутри керамического элемента происходит «срезание» пузырьков воздуха во время их роста, задолго до времени их свободного отрыва в покоящейся жидкости. Таким образом, в первую камеру флотатора попадает двухфазный поток с газосодержанием 15-25%.

На первой, мембранно-флотационной, стадии происходит удаление большего количества наиболее крупнодисперсных загрязнений за счет интенсивного барботажа и высокого газосодержания.

Во вторую камеру флотатора поступает, таким образом, уже предочищенная жидкость, в которую противотоком подаются электрофлотационные пузырьки, генерирующиеся на электродах, расположенных в нижней части второй камеры. Электроды представляют собой горизонтально расположенные пластины с просечкой. В качестве материала катодов и анодов используется нержавеющая сталь и титан с оксидным покрытием соответственно.

Отвод очищенной воды производится из верхней части флотатора через гидрозатвор 11. Отвод пены с загрязнениями (флотошлама) производится с противоположной стороны верхней части флотатора 12. Внизу второй камеры флотатора предусмотрен нижний слив, предназначенный для удаления осадка и для опорожнения аппарата.

Для исследования эффективности флотационной очистки с помощью мембранной флотации и электрофлотации отдельно, а также комбинированного процесса мем-

СТОЧНАЯ ВОДА

Рис. 1. Схема флотатора

бранной- и электрофлотации был собран лабораторный испытательный стенд, технологическая схема которого представлена на рис. 2.

Воздух подается во флотатор компрессором 16, расход воздуха регулируется вентилем 6. Давление в воздушной линии измеряется с помощью манометра 15. Очищаемая жидкость подается из емкости 1 насосом 2, ее расход регулируется с помощью вентилей 3 и 4, измеряется ротаметром 7. Электрофлотация осуществляется с помощью электродов и источника постоянного тока 13 модели Б5. Флотошлам утилизируется.

Нужно принимать во внимание, что для получения воздушных пузырьков малого размера, способных образовывать флотокомплексы и осуществлять транспорт дисперсной фазы, необходимо присутствие в растворе поверхностно-активных веществ в количестве 5-10 мг/л. В противном случае крупные пузырьки воздуха будут не столько флотировать осадок, сколько перемешивать и гомогенизировать раствор, снижая тем самым эффективность очистки вплоть до полного её прекращения. Кроме того, при диспергировании воздуха через керамическую мембрану образующиеся пузырьки не приобретают поверхностный заряд, как это происходит в случае электрофлотации при отрыве пузырьков водорода и кислорода от электродов. Частицы труднорастворимых соединений металлов, как правило, являются заряженными, поэтому образование фло-токомплексов за счёт электростатического притяжения при проведении воздушно-дисперсионной флотации затрудняется.

Рис. 2. Технологическая схема лабораторного испытательного стенда: 1-накопительная ёмкость, 2-насос, 3, 4, 5, 6-вентиль регулировочный, 7-ротаметр, 8-флотатор, 9-камера флотационной очистки, 10-камера электрофлотационной очистки, 11-гидрозатвор, 12-пеносборник, 13-ис-точник постоянного тока, 14-мембранный блок, 15-манометр, 16-компрессор.

На лабораторном испытательном стенде была проведена серия экспериментов. Для проведения исследований в проточном режиме в качестве модельной системы был выбран раствор с загрязнением в виде ионов Бе3, с исходными концентрациями 15, 30, 50 и 100 мг/л. рН приготовленного раствора доводилось до 6. Был использован флоку-лянт суперфлок А-100, концентрация 2 мг/л. ПАВ БОБ, концентрация 5 мг/л. Ка2804 для повышения электропроводности раствора, концентрация 5 мг/л. рН рабочего раствора измеряли с помощью рН-метра фирмы Aquapro, модель рН-600. Содержание ионов Бе3+ в очищенной воде определялось атомно-абсорбционным методом. На начальном этапе находились оптимальные значения давления газа для процесса мембран-

ной флотации и силы тока для процесса электрофлотации. Было установлено, что процесс мембранной флотации лучше всего проводить при давлении 0,6 ат, а электрофлотации - при силе тока 1,6 А. Далее проводились исследования зависимостей степени очистки от исходной концентрации железа для разных времён пребывания и от времени пребывания для разных значений концентраций отдельно для мембранной камеры флотатора и отдельно для электрофлотационной. Было установлено, что чем больше исходная концентрация и время пребывания, тем выше селективность. При одном и том же времени пребывания степени очистки для двух процессов не намного отличаются с небольшим преимуществом электрофлотационного процесса. При мембранной флотации для достижения наивысшей селективности по железу достаточно уже 6 минут, а при электрофлотации - 9 минут. Для различных концентраций исходного раствора - чем больше концентрация, тем меньше преимущество электрофлотации над мембранной флотацией при одинаковом времени пребывания. На следующем этапе проводилось исследование совместного процесса, включающего в себя как мембранную флотацию, так и электрофлотацию и его сравнение с отдельными процессами.

Табл. 1. Зависимость эффективности извлечения ионов Ре3+ от процесса извлечения Ре(ОН)3 с исходной концентрацией 100 мг/дм3, в присутствии флокулянта Суперфлок А-100 (2 мг/л); ПАВ -ББ8 (5 мг/л); = 0,15 А/дм3; рН = 6; расход раствора 60 л/ч:

Показатель Процесс

Флотация Флотация + Электрофлотация Электро флотация

Остаточная концентрация, мг/дм3 13,6 3,45 1,8

Степень извлечения, % 86,40 96,55 98,20

3+

Максимальная степень извлечения ионов Бе достигается в процессе электрофлотации, в совместном процессе флотации и электрофлотации степень извлечения понижается примерно на 1,5 %.

На заключительном этапе исследований была проведена серия экспериментов с

• 2+ 2+

модельными растворам с загрязнением в виде ионов N1 и Си . Результаты коррелируют с полученными в экспериментах по извлечению ионов Бе3+. Также были определены удельные затраты. Удельные затраты на мембранную флотацию составляют 0,5 кВтчас/м3 очищенной воды за счёт использования насоса высокого давления или компрессора для нагнетания воздуха, а удельные затраты на электрофлотацию - 0,2 кВтчас/м3 при 1=1,6 А. Поэтому экономически более выгодно применять электрофлотацию, чем совместный процесс.

Выводы: 1. Разработан способ очистки воды от солей тяжелых металлов комбинированным методом электрофлотации и флотации 2. Комбинирование мембранной флотации на первой стадии очистки и электрофлотационной доочистки в одном аппарате позволяет достигнуть степени очистки около 97%. 3. Использование в первой камере аппарата керамической мембраны вместо анодов и катодов снижает материальные затраты на производство электрофлотационного оборудования. 4. Можно рекомендовать использование комбинированного метода для очистки сточных вод в реальных условиях.

Список литературы

1. Колесников, В.А. Анализ, проектирование технологий и оборудования для очистки сточных вод/ В.А.Колесников, Н.В.Меньшутина. - М.: ДеЛи принт, 2005. - 266 с.

2. Колесников, В.А. Экология и ресурсосбережение в электрохимических производствах/ В.А.Колесников, В.И.Ильин. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2004.- 220 с.

3. Физико-химические основы флотации/Отв. ред. Б.Н.Ласкорин, Л.Д.Плаксина.-М.: Наука, 1983.- 264 с.