СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF PURIFYING SEWAGE WATERS FROM IONS OF HEAVY METALS

Изобретение относится к области очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, например никеля, меди, цинка и железа, и может найти применение в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности, кроме того, заявляемое изобретение относится к такому приоритетному направлению развития науки и технологии, как «Обработка промышленных или бытовых сточных вод, характеризующихся природой загрязнений».
Сточные воды, содержащие ионы токсичных тяжелых металлов, с одной стороны, оказывают вредное воздействие на окружающую среду, а с другой стороны, содержат значительное количество ценных компонентов.
Известен способ очистки сточной воды гальванических производств от ионов тяжелых металлов никеля, железа, меди и цинка (SU №1643464, МПК C02F 1/24, опубликовано 23.04.1991), включающий очистку сточных вод комбинированием электрохимического и флотационного методов. Для повышения степени извлечения и скорости очистки воды от ионов токсичных металлов очистку проводят последовательно в коагуляторах и пневматическом колонном флотоаппарате с пульсирующим аэратором.
Общими признаками заявляемого способа с аналогом являются очистка сточной воды гальванопроизводства электрокоагуляцией и удаление шлама при флотации с поверхности воды.
Недостатками данного способа являются дополнительные затраты, связанные с тем, что процесс очистки сточных вод является двухстадийным, включающим электрокоагуляцию, проводимую в коагуляторе, и флотацию, осуществляемую в пневматическом колонном флотоаппарате с пульсирующим аэратором.
Известен способ электрокоагуляционной очистки сточных вод (RU №2129531, МПК C02F 1/463, опубликовано 27.04.1999), включающий поляризацию растворимых и нерастворимых электродов с использованием тока переменной полярности и раздельное регулирование амплитудами анодного и катодного тока.
Общими признаками заявляемого способа с аналогом является очистка сточных вод электрокоагуляцией с растворимым электродом.
2
Недостатками данного способа являются высокие затраты, связанные с тем, что очистка сточной воды проходит в диапазоне более высоких плотностей тока от 50 до 200 А/м, и, как следствие, более высокий расход электроэнергии.
В качестве прототипа принят способ очистки сточной воды от тяжелых металлов (RU №2023670, МПК C02F 1/46, опубликовано 30.11.1994).
2
По известному способу сточные воды легкой промышленности, содержащие соли тяжелых металлов, в частности хрома, обрабатывают до рН 6,0-8,0, фильтруют, а затем подвергают электрообработке переменным током при плотности тока 10-30 А/м и напряжении 6,0-10,0 В с использованием растворимого алюминиевого анода, полученный осадок отделяют фильтрацией.
Общими признаками заявляемого способа с прототипом является предварительная обработка воды перед электрокоагуляцией, в результате чего снижается содержание нерастворимых конгломератов тяжелых металлов, например гидроксида трехвалетного хрома, что снижает расход коагулянта, а следовательно, расход электроэнергии.
2
Недостатками данного способа являются дополнительные затраты, на фильтрацию сточной воды до и после электрокоагуляционной обработки, также достаточно высокие затраты на электрокоагуляцию, связанные с более высокой плотностью тока 10-30 А/м, а также использование менее безопасного электрокоагуляционного устройства, работающего на переменном токе. В случае пассивации алюминиевого электрода, что при работе с алюминием не исключено, использование при электролизе переменного тока частотой 50 Гц приведет к образованию на аноде и на катоде гремучего газа. Это происходит потому, что каждый из электродов 50 раз в секунду является катодом и 50 раз анодом, в первом случае на нем выделяется два объема водорода, а во втором - один объем кислорода. Следовательно, во избежание взрыва, переменный ток при электролизе водных растворов лучше не использовать. Применение переменного тока более высокой частоты чем 50 Гц ведет к полному прекращению электролиза.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение вредного воздействия сточных вод гальванических цехов на окружающую среду за счет полноты извлечения ионов никеля, меди, цинка и железа из стоков, до норм ПДК и ниже.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в снижении затрат на расход алюминия и электроэнергии, а также в повышении эффективности и скорости очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.
2
Технический результат достигается тем, что в способе очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, включающем их обработку раствором щелочи до pH=7,6 и электрообработку с применением растворимых алюминиевых анодов, согласно изобретению электрообработку сточных вод от ионов тяжелых металлов ведут постоянным током при плотности тока 6-9 А/м и напряжении 12 В в течение 10-15 мин, а образующийся шлам, содержащий ионы тяжелых металлов, поднимают на поверхность воды пузырьками водорода, выделяющимися на алюминиевых катодах, и удаляют с поверхности воды.
Отличием предлагаемого технического решения от прототипа является удаление образующегося при электрокоагуляции шлама с поверхности воды механическим способом без применения флотореагентов, исключение стадий предварительной фильтрации воды перед электрокоагуляционной обработкой, введение стадии отстаивания и исключение повторной фильтрации после электрокоагуляции, использование электрокоагуляционного оборудования, работающего на постоянном токе.
Физико-химическая сущность заявляемого способа основывается на том, что перед электрокоагуляцией сточные воды обрабатывают щелочью до рН 7,6, при этом на 40% снижается содержание ионов железа, в результате на электрокоагуляцию поступают сточные воды с низким содержанием железа (1-2 мг/л) и после электрохимической обработки воды образуются мелкие частицы скоагулированого гидроксида алюминия, которые сорбируют на своей поверхности ионы тяжелых металлов, а пузырьки водорода, выделяющиеся на алюминиевых катодах, поднимают эти мелкие частицы на поверхность воды без применения специальных флотореагентов.
Если электрокоагуляции подвергать сточные воды с содержанием железа выше 5 мг/л, то после воздействия постоянного тока образуются и достаточно крупные частицы гидроксида железа, которые под действием силы тяжести оседают на дно электрокоагулятора. Максимально снизив содержание железа в воде перед электрокоагуляционной обработкой, можно добиться получения более мелких частиц гидроксида алюминия, которые возможно поднять пузырьками водорода, выделяющимися на катодах, на поверхность воды без применения специальных флотореагентов. Удаляют образовавшиеся частицы гидроксида алюминия с поверхности воды с помощью скребкового транспортера.
Эффект увеличения эффективности и скорости очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и уменьшение затрат электроэнергии на электрокоагуляцию происходит:
- за счет исключения зашламления электродных систем гидроксидом железа и возникновением коротких замыканий;
- за счет сбора образующегося шлама с поверхности воды;
- за счет введения электрокоагуляции при оптимальных параметрах pH и плотности тока, при которых происходит максимальное извлечение ионов тяжелых металлов из стоков.
2
Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного исключением двух стадий фильтрации до и после электрокоагуляции, введением стадии отстаивания и стадии сбора электрокоагуляционного шлама с поверхности воды, а также введением процесса при постоянном токе и оптимальных условиях для электрокоагуляционного извлечения ионов тяжелых металлов при pH=7,6 и плотности тока 6-9 А/м.
2
2
Для доказательства соответствия заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень» проводилось сравнение с другими техническими решениями, известными из источников, включенных в уровень техники. Широко известны методы очистки сточных вод, при которых образующийся шлам удаляют с поверхности воды, например электрофлотация. При очистке сточных вод электрофлотацией, на аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде - водорода. Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При этом основную роль при электрофлотации также выполняют пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде. Размер и интенсивность образования пузырьков водорода зависят от краевого угла смачивания, от материала электродов, их формы, плотности тока и др. Оптимальное значение плотности тока для электрофлотации составляет 200-260 А/м, как правило, при флотации дополнительно используют специальные флотореагенты, например, в качестве пенообразователей используют слабые поверхностно-активные вещества, в качестве реагентов, предающих частицам гидрофобные свойства, используют ксантогенаты, дитиофосфаты и т.д. Кроме того, электрофлотация не всегда обеспечивает требуемую степень очистки сточных вод, что вызывает необходимость интенсификации процесса путем дополнительного применения коагулянтов или насыщения обрабатываемой жидкости газами в напорных электролитических сатураторах. В заявляемом способе для получения пузырьков водорода требуемого размера используют катоды, изготовленные из листового алюминия, оптимальное значение плотности тока при электрокоагуляции составляет 6-9 А/м. Образующиеся пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде, поднимают на поверхность воды частицы размером около 120-140 нм скоагулированного гидроксида алюминия, с сорбироваными ионами тяжелых металлов. Всплывший шлам удаляют с поверхности воды, как при электрофлотации, исключая при этом дополнительные затраты на флотационное оборудование и реагенты.
Примеры использования заявляемого способа
2
Пример 1. Для экспериментальной проверки заявляемого способа использовали модельные сточные воды с содержанием отдельных ионов никеля, меди, цинка и железа. Электрокоагуляционную обработку воды проводили в нейтральной среде при pH 7,6 в течение 10 минут при напряжении 12 В и плотности тока 6-9 А/м. Гидроксид алюминия, образовавшийся в результате проведения электрокоагуляции, коагулирует, собирая на своей поверхности ионы тяжелых металлов. В табл.1 представлены результаты очистки и размеры образующихся при этом частиц.
При электрокоагуляции сточных вод, содержащих отдельные ионы никеля, меди и цинка, образуются наноразмерные частицы, которые пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде, поднимают на поверхность воды, а в случае сточных вод, содержащих ионы железа, образуются более крупные частицы, которые под действием силы тяжести оседают на дно электрокоагулятора.
2
Пример 2. Сточные воды, содержащие ионы никеля, меди, цинка и железа, направляли на электрокоагуляционную обработку, которую проводили при рН=7,0-7,6 в течение 15 минут при напряжении 12 В, плотности тока 6-9 А/м.
Как видно из приведенных данных, при электрокоагуляции сточной воды образуются частицы, которые под действием силы тяжести оседают на дно электрокоагулятора.
2
Пример 3. Сточные воды, содержащие ионы никеля, меди, цинка и железа, направляли на электрокоагуляционную обработку, которую проводили при pH=7,0-7,6 в течение 15 минут при напряжении 12 В, плотности тока 6-9 А/м.
Как видно из приведенных данных, при электрокоагуляции сточной воды, содержащей менее 5 мг/л ионов железа, образуются наноразмерные частицы, которые пузырьки водорода, выделяющиеся на алюминиевых катодах, поднимают на поверхность воды.
2
Пример 4. Промывные сточные воды гальванического производства, содержащие никель 2,23 мг/л, медь 7,52 мг/л, цинк 13,75 мг/л, железо 1,57 мг/л, имеющие рН=2,13, смешивают со щелочью до получения рН 7,6. После 1-2 мин перемешивания вода поступает на электрокоагуляцию. Время электрокоагуляционной обработки воды составляет 10-15 минут, напряжение 12 В, плотность тока 9 А/м. Результаты основных этапов очистки приведены в табл.4.
Полученный шлам удаляют с поверхности воды с помощью скребкового транспортера и направляют в аппарат обезвоживания. В табл.5 представлены основные показатели очистки.
Таблица 5
Основные показатели эффективности очистки
Наименование токсичных загрязнений
Эффективность очистки сточных вод, %
Удельные затраты электроэнергии, кВт-ч/м<sup>3</sup>
Выход по току, %
Ni<sup>2+</sup>
96,5
0,21-0,46
98-99
Cu<sup>2+</sup>
99,9
Zn<sup>2+</sup>
99,8
Fe<sup>3+</sup>
99,9
Использование заявляемого изобретения позволяет снизить затраты электроэнергии, а также расход алюминия и повысить эффективность и скорость очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.