Очистка сточных вод от ионов шестивалентного хрома

УДК 621.357

О. Р. Каратаев, Е. С. Кудрявцева, И. Х. Мингазетдинов

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА

Ключевые слова: сточные воды, гальваническое производство, очистка, Cr

В работе исследована очистка сточных вод от ионов шестивалентного хрома путем адсорбции сточных вод на сорбенте, получаемом непосредственно в очищаемой жидкости взаимодействием растворимой соли железа (III) и щелочного реагента (NaOH).

Keywords: sewage, galvanic production, cleaning, Cr (VI).

Sewage treatment from ions Cr (VI) of by adsorption of sewage on the sorbent received directly in cleared liquid by interaction of soluble salt of iron (III) and alkaline reagent (NaOH) is investigated.

Гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей воды и наиболее опасным источником загрязнения окружающей среды, главным образом поверхностных и подземных водоемов, ввиду образования большого объёма сточных вод, содержащих вредные примеси тяжелых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений.

Сточные воды гальванического производства наносят огромный экономический и экологический ущерб. Он связан с разрушением окружающей среды и здоровья человека. Соединения металлов, выносимые сточными водами гальванического производства, весьма вредно влияют на экосистему водоем - почва - растение - животный мир - человек. Особенно опасными являются растворимые соединения шестивалентного хрома, обладающие аллергическим, мутагенным, тератогенным и канцерогенным действиями. В промышленности применяются окись хрома Сг203, хромовый ангидрид Сг03, би-хромат калия К2Сг207. Хромсодержащие сточные воды составляют около 40% стоков гальванического производства. Источником поступления Сг (VI) служат промывные воды ванн хромирования, хро-матирования, травления меди и латуни, анодирование алюминия. Высокотоксичные соединения шестивалентного хрома содержатся в промывных сточных водах и отработанных технологических растворах, образовавшихся в процессе хромирования, при химической обработке поверхностей стальных изделий (травление, пассивирование). Соединения хрома, влияя на состав и свойства природных вод, вызывают необратимые изменения в организмах растений и животных, а через них воздействуют на всю биосферу. Хром способен аккумулироваться в организме человека, он легко проникает в легкие и накапливается в них. Высшие оксиды хрома намного агрессивнее низших и оказывают более выраженное раздражающее действие на слизистую оболочку дыхательных путей и легочную ткань. В основе аллергических реакций и клинических проявлений токсического эффекта хрома лежит его способность к образованию комплексных соединений. Общетоксическое действие соединений хрома сказывается в поражении печени, почек, желудочно-кишечного тракта, сердечнососудистой системы. Независимо от пу-

ти введения соединений хрома в организм, в первую очередь поражаются почки. Все соединения хрома, попадая в организм человека, изменяют активность ферментов и угнетают тканевое дыхание. Аллергическое действие этих соединений проявляется приступами, сходными с бронхиальной астмой. Помимо токсического и аллергического действий ионы хрома обладают канцерогенным действием (способны вызвать злокачественные новообразования [1-2]).

С увеличением валентности хрома его токсическое действие увеличивается.(Сг (VI) >Сг (III) >Сг (II)). Предельно допустимая концентрация (ПДК) шестивалентного хрома Сг (VI) в водоемах составляет 0,001 мг/л и относится к I категории опасных веществ - чрезвычайно опасных. ПДК в водных объектах, используемых для рыбохозяйст-венных целей = 0,02 мг/л. ПДК для питьевой воды = 0,05 мг/л (СанПин 2.1.4.1074 - 01 Москва 2002).

В настоящее время существуют различные методы, способы и устройства для очистки сточных вод от соединений шестивалентного хрома, однако ни один из них нельзя считать универсальным. Наиболее предпочтительными являются такие методы, способы и устройства, которые при минимальных затратах и несложном технологическом процессе обеспечивают максимальную степень очистки. Широкое применение находит метод восстановления шестивалентного хрома в трехвалентную форму и осаждение трехвалентного хрома в виде гидроксида. Перевод (восстановление) Сг+6 до Сг+3 осуществляется с использованием реагентов - восстановителей на основе натриевых солей сернистой кислоты -сульфит (№2Б03), биосульфит (МаНБ03), гидросульфит (№2Б05), сульфит железа (РеБ04) и некоторые другие реагенты. Восстановление осуществляется в кислой среде, а для осаждения трехвалентного хрома Сг3+ в виде гидроксида Сг(0Н)3 сточные воды подвергают нейтрализации с использованием реагентов - нейтрализаторов Са(0Н)2, №2С03, Ыа0Н. Реакция образования гидроксида хрома Сг(0Н)3 весьма «капризная» к состоянию кислотности раствора и при рН >12 осадок Сг(0Н)3 полностью растворяется в избыточной щелочи.

Анализ такой схемы очистки сточных вод от Сг+6 показывает, что подобный технологический процесс достаточно трудоемкий и требует значительного количества оборудования (бак для восста-

новления, бак для нейтрализации), что занимает производственные площади. Кроме того, необходим дополнительный технологический процесс отделения осадка Са(ОИ)з в специальных устройствах (центрифуги, флотаторы). После отделения осадка остается вопрос его утилизации.

Патентные исследования позволили выявить другое направление очистки, при котором шестивалентный хром Сг (VI) удаляют из сточных вод методом адсорбции на специально синтезированном сорбенте. Один из способов очистки в этом направлении осуществляется в два этапа. На первом этапе производят синтез сорбента совместным осаждением гидроксида железа Рв(ОИ)3 и гидроксида никеля N¡(04)2 в растворе гидроксида натрия и получают сорбент в виде осадка. После этого осадок промывают, высушивают, гранулируют. На втором этапе полученный сорбент используют для очистки сточных вод, пропуская воду через слой сорбента в адсорбционной колонне. Преимущества данной схемы в том, что из сточной воды извлекается непосредственно шестивалентный хром Сг (VI) и можно использовать сорбент в металлургии в виде легирующих добавок. Однако, у этого способа есть существенный недостаток в виде необходимости дополнительных технологических процессов (подготовка строго дозированных исходных компонентов, перемешивание, отделение осадка, отмывание, высушивание, гранулирование, большое количество аппаратов для реализации: баки, ванны, колонны, сушильные печи, грануляторы), что существенно увеличивает расход материалов и занимает значительные производственные площади. Но сама идея синтезирования сорбента для удаления Сг (VI) является весьма заманчивой [3].

С целью опытного подтверждения и установления закономерностей при очистке сточных вод путем адсорбции сточных вод на сорбенте, получаемом непосредственно в очищаемой жидкости взаимодействием растворимой соли железа (III) и щелочного реагента ^аОН), проведены экспериментальные исследования. В качестве растворимой соли железа используется РвС!3, а в качестве щелочного реагента используется NaOH.

В работе были использованы реактивы: К2СГО4, РвС!з6Н20, ^С!2.6Н20, Na0H, Na3C6H507.5,5H20 (цитрат) квалификации «ч.д.а.», уксусная кислота (фиксанал).

Содержание Сг (VI) в очищенных растворах определяли по стандартной методике с дифенилкар-базидом по методу калибровочного графика.

Основные результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в табл 1.

Графики зависимости остаточной концентрации хрома от количества реагента РвС! и Na0H представлены на рис. 1 и 2.

Экспериментальные значения получены путем осреднения по 5 опытам, интервал достоверности 95 %.

Таким образом, установлено, что наилучшая степень очистки достигается при 41-47 мл РвС! и 17-23 мл Na0H.

Таблица 1 - Зависимость остаточной концентрации хрома в очищенной воде

№ ^ОГ) в Количе- Количе- Ccг(VI) в очи-

исход- ство ство щенной воде,

ной во- FeClз) мл NaOH, мг/л

де, мг/л мл

1 50 45 25 300

2 50 45 15 190

3 50 45 20 172,5

4 50 45 10 210

5 50 60 20 130

6 50 50 20 120

7 50 45 20 115

8 50 30 20 356

9 50 20 20 320

10 100 45 25 160

11 100 45 15 160

12 100 45 20 95,7

13 100 45 10 186

14 100 60 20 450

15 100 50 20 382,5

14 100 45 20 156,2

15 100 30 20 186

16 100 20 20 222,6

17 150 45 25 341

18 150 45 15 321,3

19 150 45 20 223

20 150 45 10 321,8

21 150 60 20 290

22 150 50 20 266

23 150 45 20 235

24 150 30 20 275

25 150 20 20 286

.........1..................

.....|......

........!.................. V

\ /

1

\ /

\ / ...........:......... ..................!.........

Рис. 1 - Зависимость остаточной концентрации хрома от количества КаОИ

г

У

У

/

Рис. 2 - Зависимость остаточной концентрации хрома от количества РеС!

Предложенный способ очистки сточных вод от ионов шестивалентного хрома позволяет получить высокую степень очистки, существенно упростить технологию очистки сточной воды и уменьшить количество необходимого оборудования.

Проведенные исследования позволили разработать конкретные технические решения [4], [5], которые могут найти применение в промышленности.

Литература

1. И.Г. Шайхиев, Ш.М. Мавлетбаева, Ш.А. Ахметшин, Вестн. Казан. технол. ун-та, 16, 18, 33-35 (2013).

2. И.М. Вахидова, И.Г. Шайхиев, Р.З. Гильманов, Р.М. Ва-хидов, Р.З. Мусин, Вестн. Казан. технол. ун-та, 1, 19, 49-52 (2013).

3. И.Х. Мингазетдинов, А.А. Кулаков, Н.Х. Газеев, Е.С. Кудрявцева, Энергетика Татарстана, 4, 59-64 (2013).

4. Пат. РФ 11849 (2011).

5. Пат. РФ 87695 (2009).

© О. Р. Каратаев - к.т.н., доц. каф. машиноведения КНИТУ, oskar_karataev@mail.ru; Е. С. Кудрявцева - асп. каф. промышленной экологической безопасности КНИТУ им. А.Н.Туполева; И. Х. Мингазетдинов - к.т.н., проф. каф. общей химии и экологии КНИТУ им. А.Н.Туполева.