СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CLEANING WASTE WATER FROM HEAVY AND NONFERROUS METAL IONS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

2+
2+
2+
2+
3+
2+
3+
Изобретение относится к способам и устройствам для очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов, в частности от кадмия Cd, никеля Ni, цинка Zn, меди Cu, хрома Cr, железа Fe, Fe, и может быть использовано на предприятиях машиностроения, приборостроения, черной и цветной металлургии, радиоэлектроники, электротехнической промышленности, имеющих гальванические производства для создания систем водоочистки и оборотного водоснабжения.
Известен способ очистки сточных вод, содержащих эмульгированные и суспендированные примеси, включающий электрофлотацию в аппарате с перфорированными электродами и предварительную электрообработку с использованием нерастворимых анодов (SU, Авторское свидетельство №966025, C02F 1/46, 1982). Указанный способ не обеспечивает высокую степень очистки от ионов цветных и тяжелых металлов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов и устройство для его осуществления, включающий электрохимическую нейтрализацию при объемной плотности тока в катодной камере 0,4-10 А/л и последующую электрофлотационную обработку при объемной плотности тока, составляющей 0,2-0,6 от плотности тока в катодной камере. Устройство для очистки сточных вод от ионов металлов содержит корпус, разделенный на секции предварительной электрообработки воды и электрофлотационной очистки с размещенными в ней комплектом нерастворимых горизонтальных электродов, патрубки для подачи сточной воды и отвода очищенной воды и приспособление для отвода шлама, секция предварительной электрообработки выполнена в виде диафрагменного электролизера с использованием анионообменной мембраны, при этом патрубок ввода сточной воды расположен в нижней части катодной камеры, и последняя расположена на одном уровне с секцией электрофлотационной очистки и отделена от нее переливной перегородкой с высотой 0,3-0,8 от высоты секции электрофлотационной очистки, а анодная камера снабжена патрубками для ввода и вывода электролита, причем соотношение объемов анодной, катодной камер и секции электрофлотационной очистки составляет 1:2-4:7-15 соответственно (SU, Авторское свидетельство №1675215, C02F 1/46, 1991).
Указанный способ и устройство не обеспечивает высокую степень очистки от ионов цветных и тяжелых металлов. Этот способ и устройство выбраны за прототип.
Задачей данного изобретения является разработка способа и устройства для очистки сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов, позволяющих повысить степень очистки.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе после электрохимической нейтрализации воды в очищаемую воду дополнительно вводят реагент: органическое вещество N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид при массовом соотношении извлекаемого металла к введенному веществу 1:(0,002-0,003).
Действие N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида сводится к адсорбционной перезарядке поверхности газовых пузырьков водорода и к возникновению электростатических сил притяжения между противоположно заряженными частицами гидроксидов металлов и пузырьками, а также к уменьшению размера пузырьков и скорости их всплытия, что приводит к повышению эффективности столкновения частиц и пузырьков и образованию флотокомплексов частица-пузырек, т.е. интенсифицируется флотационная составляющая, что повышает степень очистки воды от металлов.
Способ осуществляют с помощью устройства, представленного на рисунке.
Устройство состоит из корпуса 1, разделенного переливной перегородкой 2 на секции предварительной электрообработки и электрофлотационной очистки с размещенным в ней комплектом нерастворимых горизонтальных электродов 3. Корпус устройства оборудован патрубками 4, 5, 12 соответственно для ввода сточной воды и отвода очищенной воды, ввода раствора реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида и приспособлением 6 для сбора и вывода флотошлама. Секция предварительной электрообработки представляет собой катодную камеру диафрагменного электролизера и обеспечивает разделение продуктов электродных реакций с помощью анионообменной мембраны 7, отделяющей катодную камеру от анодной.
Анодная камера снабжена вертикальным нерастворимым электродом (анодом) 8 и патрубками 10 и 11 соответственно для ввода щелочной очищенной воды и вывода нейтрализованной воды.
Катодная камера снабжена вертикальным нерастворимым электродом (катодом) 9 и патрубком 4 ввода сточной воды, который расположен в нижней части катодной камеры, последняя расположена на одном уровне с секцией электрофлотационной очистки.
После катодной камеры диафрагменного электролизера расположена камера смешения, образованная тремя вертикальными переливными перегородками 2, 13 и 14 и снабженная патрубком 12, расположенным в нижней ее части, и предназначенным для ввода раствора реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида. Перегородка 13 имеет зазор между дном аппарата и ее нижней кромкой для протока сточной воды. Две последние перегородки 13 и 14 по ходу движения очищаемой воды, изготавливают из электропроводного материала и используют в качестве электродов, для обеспечения дополнительной генерацию газовых пузырьков. Перегородку 13 используют в качестве оксидно-рутениевотитанового анода, а перегородку 14 - в качестве катода из нержавеющей стали соответственно.
Устройство снабжено трубопроводом 15, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера.
2+
2+
2+
3+
2+
2+
3+
Устройство работает следующим образом. Сточная вода с pH 5-7, содержащая ионы одного из металлов: Cd, Cu, Ni, Cr, Zn, Fe, Fe, при концентрации 10-500 мг/л подается через патрубок 4 в катодную камеру диафрагменного электролизера. В результате электролиза на катоде 9 происходит реакция разряда молекул воды  сопровождающая выделением пузырьков водорода и образованием гидроксил-ионов, что обеспечивает подщелачивание воды до величины pH 8-10, при которой происходит образование частиц гидроксида металла. Одновременно происходит флотация частиц пузырьками водорода.
Далее сточная вода переливается через перегородку 2 и поступает в камеру смешения. При движении вверх между перегородками 13 и 14 сточная вода смешивается с раствором реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлоридом, поступающим через патрубок 12.
Из камеры смешения сточная вода переливается через перегородку 14 в секцию электрофлотационной очистки, где частицы гидроксидов металлов извлекаются на поверхность воды за счет работы электродного блока 3, генерирующего газовые пузырьки водорода и кислорода.
В секции электрофлотационной очистки обеспечивается нисходящее движение воды с ее отводом из-под электродного блока 3. При этом наблюдается дополнительный эффект очистки, связанный с фильтрацией воды через плотный фильтр электролитических пузырьков.
Перегородки 13 и 14, используемые в качестве электродов, обеспечивают дополнительную генерацию газовых пузырьков кислорода и водорода соответственно.
Очищенная вода от частиц гидроксидов металлов с pH 8-10 вытекает из секции электрофлотационной очистки через патрубок 5 и по трубопроводу 15, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера, поступает в нее через патрубок 10. В анодной камере на аноде 8 в результате разряда гидроксил-ионов происходит образование молекулы воды и выделение кислорода  что сопровождается нейтрализацией pH до величины 6,5-7,0. Нейтрализованная и очищенная вода выводится из установки через патрубок 11.
Всплывшая в процессе электрофлотации на поверхность воды катодной камеры и секции электрофлотационной очистки, включая камеру смешения, дисперсная фаза загрязнений в виде гидроксидов металлов формируется в пенный слой (флотошлам), который удаляется с поверхности воды, приспособлением 6.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Пример. Расход очищаемой воды 10 л/ч. Объемная плотность тока в катодной камере электролизера составляет 0,45 А/л, в секции электрофлотационной очистки 0,2 А/л, что составляет 0,44 от плотности тока в катодной камере. Соотношение иона никеля к вводимому реагенту N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид составляет 1:0,002.
2+
-
2+
2
Сточная вода, содержащая ионы Ni в концентрации 50 мг/л при pH 5, подается через патрубок 4 в катодную камеру диафрагменного электролизера. В результате электролиза на катоде 9 происходит реакция разряда молекул воды  сопровождающая выделением пузырьков водорода и образованием гидроксил-ионов, что обеспечивает нейтрализацию (подщелачивание) воды до величины pH 10, при которой происходит образование частиц гидроксида никеля (2OH + Ni= Ni(OH)). Одновременно происходит флотация частиц пузырьками водорода.
Далее сточная вода переливается через перегородку 2 и поступает в камеру смешения, где смешивается с раствором реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлоридом, поступающим через патрубок 12.
Из камеры смешения сточная вода переливается через перегородку 14 в секцию электрофлотационной очистки, где частицы гидроксида никеля извлекаются на поверхность воды за счет работы электродного блока 3, генерирующего газовые пузырьки водорода и кислорода.
Очищенная вода от частиц гидроксида никеля с pH 10 вытекает из секции электрофлотационной очистки через патрубок 5 и по трубопроводу 15, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера, поступает в нее через патрубок 10. В анодной камере на аноде 8 в результате разряда гидроксил-ионов происходит образование молекулы воды и выделение кислорода  что сопровождается нейтрализацией (подкислением) воды pH до величины 7,0. Нейтрализованная и очищенная вода выводится из установки через патрубок 11.
Флотошлам в виде гидроксида никеля удаляется с поверхности воды катодной камеры и секции электрофлотационной очистки, включая камеру смешения приспособлением 6.
Очищенную воду анализируют на содержание никеля методом атомно-адсорбционной спектроскопии. Степень очистки от никеля составляет 99,99%, что соответствует остаточной концентрации 0,005 мг/л.
2+
2+
3+
2+
3+
Аналогичные опыты проводят при соотношении иона никеля к вводимому реагенту 1:0,001, 1:0,003, 1:0,004. Аналогичные опыты как в примере 1 проводят в присутствии ионов, Cd, Cu, Cr, Fe, Fe. Условия проведения экспериментов и полученные результаты сведены в табл.1.
ТАБЛИЦА 1
Выделяемый гидроксид металла, концентрация 50 мг/л
Степень очистки от металлов, % при различных соотношениях металла к N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид
1:0,001
1:0,002
1:0,003
1:0,004
Cd<sup>2+</sup>
99,60
99,99
99,99
99,63
Ni<sup>2+</sup>
99,69
99,99
99,99
99,56
Cu<sup>2+</sup>
99,59
99,99
99,99
99,48
Zn<sup>2+</sup>
99,71
99,99
99,99
99,58
Cr<sup>3+</sup>
99,68
99,99
99,99
99,72
Fe<sup>2+</sup>
99,82
99,99
99,99
99,86
Fe<sup>3+</sup>
99,76
99,99
99,99
99,99
Максимальная степень очистки от металлов 99,99% достигается при массовом соотношении извлекаемого металла к введенному веществу N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид 1:(0,002-0,003). В зоне низких и высоких соотношений знаки зарядов частиц и пузырьков совпадают, и электрофлотация протекает менее эффективно. В зоне промежуточных соотношений заряд частиц отрицателен, а пузырьков водорода положителен, что приводит к повышению степени очистки.
Сравнительные результаты эффективности известного и предлагаемого способов представлены в табл.2.
ТАБЛИЦА 2
Способ очистки
Степень очистки от металлов, %
Cd<sup>2+</sup>
Zn<sup>2+</sup>
Ni<sup>2+</sup>
Cu<sup>2+</sup>
Cr<sup>3+</sup>
Fe<sup>3+</sup>
Fe<sup>2+</sup>
Известный
99,90
99,90
99,55
99,88
99,80
99,80
99,80
Предлагаемый
99,99
99,99
99,99
99,99
99,99
99,99
99,99
Как видно из табл.2, предлагаемые способ и устройство обеспечивают достижение высокой степени очистки 99,99%, что на 0,09-0,44% больше, чем в известных.