СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ОТ АНИОНОВ И КАТИОНОВ
METHOD OF PURIFYING WATER AND WATER SOLUTIONS FROM ANIONS AND CATIONS

Изобретение относится к очистке воды и водных растворов от анионов и катионов и может быть использовано для очистки природных вод, стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности.
Известны способы очистки воды и водных растворов, представляющие собой электрокоагуляционную обработку, обеспечивающие степень очистки 90-95% [Смирнов Г.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. М.: Металлургия, 1989. 224 с.]. Их недостатками являются применение постоянного электрического тока, что требует дополнительных устройств преобразования переменного электрического тока, и необходимость аэрирования сточных вод после электрокоагуляционной обработки до их осветления.
Известны способы коагуляционной очистки воды и водных растворов, осуществляемые путем добавления в раствор комплексообразователя с последующим отстаиванием [Смирнов Г.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. М.: Металлургия, 1989. 224 с.; Технические записки по проблемам воды / К.Барак [и др.]; под ред. Т.А.Карюхиной, И.Н.Чурбановой. М.: Стройиздат, 1983. 607 с.]. Недостатком этих способов является большой расход реагентов и невысокая степень очистки.
3
Известен способ очистки воды и водных растворов от ионов металлов путем электролиза с использованием нерастворимых электродов при наложении переменного синусоидального напряжения [Способ электрохимической очистки воды и водных растворов от ионов тяжелых металлов. Авт. Св. СССР №1724591, кл. C02F 1/46, 1991]. Этот способ взят за прототип. Главный недостаток данного способа - невысокая степень очистки и значительные энергозатраты (1,5-2 (кВт·ч)/м).
Задача изобретения - повышение степени очистки и снижение удельных энергозатрат.
Это достигается тем, что очистку воды и водных растворов переменным асимметричным током проводят электролизом с использованием пар нерастворимых разнородных электродов и барботированием раствора воздухом, после чего вводят в раствор комплексообразователь и проводят отстаивание.
4
В качестве комплексообразователя применяют соль железа двухвалентного FeSO [Гликина Ф.Б. Химия комплексных соединений: учеб. пособие для вузов. М.: Просвещение, 1982. 160 с.]. Соотношение начальных концентраций комплексообразователя и очищаемого иона - 5:1.
Барботирование очищаемого раствора проводят при условии, что диаметр пузырьков воздуха должен быть больше расстояния между электродами.
Время отстаивания водного раствора 8 суток.
Экспериментальные данные показали, что дальнейшее повышение соотношения начальных концентраций и времени отстаивания не приводит к существенному увеличению степени очистки, а при соотношении начальных концентраций меньше 5:1 и времени отстаивания менее 8 суток степень очистки значительно ниже. При барботировании раствора воздухом, если диаметр пузырьков меньше расстояния между электродами, степень очистки уменьшается.
Для реализации предлагаемого способа процесс очистки проводят в электролизере из чередующихся электродов, выполненных в виде пластин. Материал электродов: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0. Температура воды 20-25°C. Расстояние между электродами 12 мм. Объем заливаемого водного раствора 1 литр. Продолжительность электролиза 10 минут при силе тока 0,5 А и напряжении на клеммах электродов 4,1 В.
Обработке подвергались водные растворы, содержащие ионы кадмия (II), меди (II), никеля (II) и хрома (VI). Начальная концентрация каждого иона в растворе 0,5 мг/л.
4
Пример 1. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 8 суток.
Степень очистки определялась по формуле, %:
<mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>o</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>о</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>100</mn></mrow>
o
к
где С, С - начальная и конечная концентрации очищаемого иона металла, мг/л.
3
Удельные энергозатраты W определялись по формуле, (кВт·ч)/м:
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>I</mi><mi>U</mi><mi>τ</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow>
где I - сила тока, А;
U - напряжение на клеммах электродов, В;
τ - продолжительность электролиза, ч;
3
V - объем заливаемого водного раствора, м;
-3
10 - переводной коэффициент из Вт в кВт.
Ni
Cd
Cu
Cr
Fe
3
Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=34,44%, для кадмия Y=63,44%, для меди Y=99,56%, для хрома Y=99,98% и для железа Y=99,28%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.
4
Пример 2. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 6:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 12 мг/л. Время отстаивания 8 суток.
Ni
Cd
Cu
Cr
Fe
3
Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=34,62%, для кадмия Y=63,74%, для меди Y=99,63%, для хрома Y=99,99% и для железа Y=99,88%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.
4
Пример 3. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 2,5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 5 мг/л. Время отстаивания 8 суток.
Ni
Cd
Cu
Cr
Fe
3
Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=24,23%, для кадмия Y=46,75%, для меди Y=81,23%, для хрома Y=74,32% и для железа Y=92,21%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.
4
Пример 4. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 10 суток.
Ni
Cd
Cu
Cr
Fe
3
Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=35,24%, для кадмия Y=64,22%, для меди Y=99,16%, для хрома Y=99,98% и для железа Y=99,58%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.
Пример 5. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO4. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 4 суток.
Ni
Cd
u
Cr
Fe
3
Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=29,17%, для кадмия Y=51,24%, для меди YC=91,76%, для хрома Y=86,88% и для железа Y=99,18%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.
4
Пример 6. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков равен 3 мм. После электролиза вводился комплексообразователь FeSO. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 8 суток.
Ni
Cd
Cu
Cr
Fe
3
Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=26,93%, для кадмия Y=52,44%, для меди Y=84,79%, для хрома Y=77,83% и для железа Y=99,3%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.
Количественный анализ ионов, содержащихся в водном растворе после очистки, проводился на масс-спектрометре Agilent 7500 ICP-MS.
Результаты опытов по очистке раствора от хрома (VI) по сравнению с прототипом приведены в таблице .
Результаты опытов по очистке от Cr<sup>6+</sup> по сравнению с прототипом
Способ
С<sub>o</sub>, мг/л
С<sub>к</sub>, мг/л
ПДК, мг/л
Y, %
W, (кВт·ч)/м<sup>3</sup>
По прототипу
0,5
0,02
0,001
96
1,5-2
Предлагаемым способом
0,5
0,0001
99,98
0,47
4
Ni
Cd
Cu
Cr
Fe
3
Экспериментальные данные показали, что максимальная степень очистки достигается при электролизе воды и водных растворов барботированием воздухом с диаметром пузырьков больше межэлектродного расстояния, введением комплексообразователя - соли железа двухвалентного (FeSO), в соотношении 5:1 и отстаиванием раствора в течение 8 суток. При этом степени очистки водного раствора равны: для никеля Y=34,44%, для кадмия Y=63,44%, для меди Y=99,56%, для хрома Y=99,98% и для железа Y=99,28%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м.