Извлечение труднорастворимых соединений цинка(II) из растворов оксалатов электрофлотационным методом

УДК 544.6

Р. Д. Тангалычев, Е. Н. Гайдуков, Н. Б. Березин, С. Р. Темников

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ТРУДНОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЦИНКА(П) ИЗ РАСТВОРОВ ОКСАЛАТОВ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Ключевые слова: электрофлотация, оксалат цинка, труднорастворимые соединения цинка, ПАВ и флокулянты.

Проведено исследование электрофлотационного процесса извлечения труднорастворимых соединений цин-ка(11) в водных растворах гидроксидов и оксалатов, установлены оптимальные значения pH среды при заданном составе раствора. Получены экспериментальные данные по влиянию добавок ПАВ и флокулянтов на эффективность электрофлотационного процесса. Объектами исследования являются модельные растворы, содержащие цинк(11) в различных соединениях, а также системы с ПАВ и флокулянтами различных типов. Исследования проведены в лабораторном непроточном флотаторе периодического действия. Установлены оптимальные параметры проведения процесса.

Keywords: electroflotation, zinc oxalate, sparingly soluble compounds, surfactants andflocculants.

The studies electroflotation's extraction process of sparingly soluble zinc (II) compounds in aqueous solutions of hydroxides and oxalates, choose the optimal pH range for a given part of the solution. The effect of surfactants and additives offlocculants is determined. Objects of the study are model solutions containing zinc (II) in different compounds, most of them - zinc oxalate, and compounds with surfactants and flocculants different types: cationic, anionic, nonionic. The investigations were carried out in a laboratory non-flush flowing batch flotator. The optimal parameters of the process are established.

Введение

В работе [1] показана эффективность применения метода электрофлотации для извлечения соединений редкоземельных элементов, в частности, лантана.

Цинк принадлежит к числу интересных в научном отношении элементов. Известно, что цинк участвует во многих биологических процессах. Установлено, что небольшие количества цинка необходимы для нормального роста растений и живых организмов.

Актуальность извлечения соединений цинка (II) обусловлена несколькими причинами.

По данным Минприроды только за 1993 г. (на настоящее время данные в литературе отсутствуют) общий объем сточных вод по России составил 27,24 км3. Со сточными водами сброшено 1150 т цинка.

Считается, что цинк и его соединения не являются токсичными для людей и животных. Концентрация цинка в питьевой воде 11,2-26,6 мг/л переносится людьми без всякого вреда для здоровья. Вместе с тем, в литературе приводятся данные о канцерогенном действии цинка при его содержании в питьевой воде в концентрациях 10-20 мг/л. В длительных опытах на мышах, в течение 2-3 лет, установлена возможность развития раковой опухоли при концентрации цинка в воде 5-20 мг/л. По данным [2] цинк проявляет мутагенное действие на живые организмы. ПДК для питьевой воды составляет 5,0 мг/л.

Значительная часть получаемого цинка используется для покрытий электрохимическим, горячим, диффузионным и другими методами. Цинк нашел применение при получении сплавов и электродных материалов при изготовлении химических источников тока.

При обработке изделий, изготовленных из цинка, сплавов цинка и цинковании деталей сточные воды

загрязняется, в основном, цинком и его соединениями.

Электрохимическое цинкование является одним из распространенных процессов в гальванотехнике. Цинковые покрытия используются для защиты от коррозии деталей машин, стальных листов, проволоки и многих других изделий, работающих как в наружной атмосфере, так и в закрытых помещениях с умеренной влажностью. При оцинковании стальных изделий электрохимическим способом затрачивается до 2500 литров на их промывку после технологических операций процесса. Виды выноса электролита с покрываемыми деталями и технологической оснасткой (подвесками, барабанами и т.п.) детально рассмотрены Р.Ю. Беком. Они включают смачивающую пленку, висящие капли, сидящие капли, зачерпнутый электролит и висящую пленку. Статистическими исследованиями было установлено, что в зависимости от конфигурации деталей, обусловливающей интенсивность стекания электролита (условно подразделенную на хорошую, удовлетворительную и плохую), а также от типа оснастки (подвески, колокола, корзины) и времени стекания удельный вынос составляет от 0,1 до 0,7 л/м . В качестве усредненной величины используют значения 0,3 л/м2.

В среднем, в промывные воды уносится треть всех используемых в гальванотехнике солей.

Экономное водопотребление может быть достигнуто путем применением непроточных ванн улавливания, снижением выноса технологического раствора, применением каскадной системы промывки и других возможностей.

Наиболее эффективно уменьшение расхода воды промывки осуществляются в замкнутых оборотных циклах [3].

В работе исследована возможность извлечения труднорастворимых соединений цинка из водных

растворов с использованием процесса электрофлотации.

Электрофлотация является одним из перспективных направлений очистки сточных вод и технологических растворов, а также извлечения труднорастворимых соединений, что обусловлено высокой скоростью процесса и интенсивным выделением дисперсной фазы в пенный продукт.

Как известно, электрофлотация заключается в образовании при пропускании постоянного электрического тока через водный раствор мелкодисперсных пузырьков газа (водорода и кислорода), равномерно распределяемых в объеме обрабатываемого раствора. Газовые пузырьки, поднимаясь вверх, сталкиваются с дисперсными частицами извлекаемого вещества, прилипают к ним и затем поднимают их на поверхность воды, образуя устойчивый пенный слой - флотошлам. Сюда же выносятся отдельные растворимые вещества, адсорбирующиеся на дисперсных частицах.

Электрофлотация значительно расширяет технологические возможности методов очистки и разделения гетерогенных систем, например, процесс разделения, ускоряется по сравнению с методом отстаивания в 5-10 раз, в сравнении с центрифугированием упрощается конструкция аппарата, по сравнению с флотацией возникает возможность разделения тончайших частиц [4].

Экспериментальная часть

Для проведения электрофлотационных опытов по извлечению цинка использовалась методика для общих случаев извлечения тяжелых и цветных металлов. Исследования по электрофлотационному извлечению проводились при комнатной температуре (20±2 еС) в непроточном электрофлотаторе объёмом 500 мл с площадью поперечного сечения аппарата 10 см2; используемый анод - ОРТА (оксидный рутениево-титановый), катод - сетка из нержавеющей стали. Схема установки показана на рис. 1.

Рис. 1 - Схема лабораторной электрофлотационной установки периодического действия: 1 - колонна электрофлотатора, 2 - вентиль; 3 - электродный блок; 4 - анод; 5 - катод; 6 - резиновая прокладка; 7 - источник постоянного тока

Для определения концентрации цинка использовался атомно-абсорбционный масс-спектрометр.

Степень извлечения индивидуального элемента б рассчитывалась по формуле:

б = [(Сисх - СКон)/СИсхИ00%,

где Сисх и Сост - содержание цинка исходное и после обработки, мг/л.

Первый этап работы заключался в составлении модельного раствора: концентрация цинка(П) -2г/л, концентрация оксалата - 2г/л. Добавки ПАВ и флокулянтов - 10мг/л.

Вторым этапом проведения исследования является определение оптимального значения рН, при котором электрофлотационный процесс будет происходить с наивысшей степенью извлечения (б) при наличии в системе только оксалат-ионов. Результаты определения оптимального рН представлены на рисунке 2.

100

О 5 10 15 20 25 Т( МИН

Рис. 2 - Влияние рН на эффективность электрофлотационного извлечения цинка (II) в условиях оксалатного фона

Третий этап заключается в исследовании влияния ПАВ и флокулянтов на эффективность извлечения труднорастворимых соединений оксалата цинка. Электрофлотационный процесс проводится при следующих условиях: объём исследуемого модельного раствора - 500 мл; объёмная плотность тока -0,4 А/л, t - 22°С; время апробирования - 5 и 10 минут. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние флокулянтов и ПАВ кати-онного, анионного и неионогенного типов на степень извлечения труднорастворимых соединений цинка

Добавка Степень извлечения цинка(П), %

5 мин 10 мин

(С2О4Г 91 94

+С-496 79 93

+А-137 74 95

+СептаПАВ 89 93

+NaDDS 90 97

+ПЭ0-1500 93 99

В таблице 1 представлены результаты работы по условиям извлечения труднорастворимых соединений цинка из систем с оксалатом и различными ви-

дами флокулянтов А-137(анионный); С-496 (кати-онный) и ПЭО-1500 (неионогенный), ПАВ NaDDS (анионный) и СептаПАВ (катионный). Каждая добавка использовалась в присутствии оксалат-ионов в растворе.

Как видно из полученных данных наибольшая интенсификация электрофлотационного процесса извлечения соединений цинка(П) происходит при добавлении неионогенного флокулянта ПЭО-1500. Эффективность действия ПЭО-1500 установлена в работе [1] при извлечении соединений лантана.

Выводы

1. Установлена последовательность процесса извлечения оксалатов цинка из водных растворов с помощью электрофлотационной обработки.

2. Исходя из полученных данных, электрофлотационный процесс извлечения цинка(П) наиболее эффективно происходит при рН=10.

3. Экспериментально определены оптимальные параметры процесса извлечения соединений цинка(П): Jv — 0,4 А/л; t - 22°С; концентрация ионов железа - 2г/л, концентрация ионов оксалата - 2г/л; концентрация добавок флокулянтов и ПАВ - 10мг/л.

4. Интенсификация электрофлотационного процесса извлечения соединений цинка(П) происходит при добавлении неионогенного флокулянта ПЭО-1500. Степень извлечения в данном случае составляет до 99%.

Литература

1. Тангалычев Р.Д., Гайдуков Е.Н., Сысоев В.А., Березин Н.Б. Извлечение труднорастворимых соединений лантана (III) из водных растворов оксалата электрофлотационным методом. Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №4.С. 47-50

2. С.С. Виноградов. Экологически безопасное гальваническое производство./ Под. Ред. Проф. Кудрявцева.//М.: ПИП «Глобус», 1998.-302 с.

3.Мавлетов М.Н., Березин Б.Н., Яруллин А.З., Фаррахов Г.Р., Нуруллин А.Б. Использование циркуляционной станции очистки промывной воды в гальванических производствах. Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №2.С. 51-54.

4. В.А. Колесников, В.И. Ильин, Ю.И. Капустин. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий //М.: Химия, Москва, 2007.307 с.

© Р. Д. Тангалычев, магистрант кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, им выполнена экспериментальная часть работы на кафедре ТНВиЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева под руководством В.А.Колесникова; Е. Н. Гайдуков, аспирант кафедры ТНВиЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева; Н. Б. Березин, д-р химических наук, проф. кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, berezin@kstu.ru. С. Р.Темников, студент кафедры оборудования пищевых производств КНИТУ.

© R. D. Tangalychev, master of the department of electrochemical production technology of the KSTU, he performed the experimental part of the work at the department of technology of inorganic substances and high-temperature materials of the D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, under the leadership of V.A Kolesnikov; E. N. Gaidukov, postgraduate of the department of technology of inorganic substances and high-temperature materials of the D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia; N. B. Berezin, Doctor of Chemical Sciences, prof. Department of Technology of Electrochemical Productions KNRTU,: bere-zin@kstu.ru. S. R. Temnikov, student of the department of Food Production Equipment, faculty of Food Engineering, KNRTU.