Применение низкотемпературной плазмы в процессах удаления железа (II) из водных растворов при постоянном значении pH

Электрофлотационный процесс извлечения протекает, как правило, в течение 5-7 минут.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что соединения трехвалентного хрома, присутствующие в сточных водах индивидуально или в смеси с другими ионами металлов, могут быть эффективно извлечены при оптимальных условиях электрофлотацией.

УДК 351.778.34

Р.В. Якушин, В.А. Бродский, В.А. Колесников

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В ПРОЦЕССАХ УДАЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА (II) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ ЗНАЧЕНИИ pH

В качестве альтернативного метода извлечения ионов металлов из водных растворов исследовано воздействие импульсных высоковольтных разрядов низкотемпературной плазмы на жидкие среды. Изучено влияние поддержания постоянного pH растворов на извлечение ионов металлов с использованием низкотемпературной плазмы. Результаты показали, что степень извлечения ионов железа (II) возрастала с увеличением времени обработки.

Low-temperature plasma processing using a pulsed high voltage discharge has been investigated as an alternative method for extraction metal ions from aqueous solutions. The extraction of metal ions by electrical discharge with the effects of the retention of constantly pH was investigated. The results showed that the extraction rate of ferrous ions (II) was increased with the rising of the treatment time.

Одной из актуальных задач водоподготовки является удаление ионов тяжелых металлов, включая ионы железа (II), из водных объектов. Существует ряд методов удаления ионов железа (II) из воды, к которым относятся: химическое и каталитическое окисление, флотационные и мембранные методы и т.д. На промышленных объектах широко распространён метод окисления железа (II) кислородом воздуха с использованием барбота-жа. В основе перечисленных методов лежит процесс перевода ионов Fe2+ в

Т^ 3+

Fe под действием окислителен с последующим извлечением железа в виде малорастворимого гидроксида Fe(OH)3 в области нейтральных и слабощелочных значений рН. Возможности перечисленных методов широки, однако, каждый из них применим лишь в определенных пределах и имеет как достоинства, так и недостатки. Поэтому, представляется интересным исследовать перспективные физико-химические методы удаления ионов Fe2+ из растворов. Одним из таких методов является обработка жидких сред разрядами низкотемпературной (холодной) плазмы (НТП) [1].

Метод заключается в формировании электрического разряда в водном потоке, что дает возможность совместить производство активных окислителей (пероксида водорода (H202), атомарного кислорода (Оо), гидроксил-радикала (HO°), гидропероксид-радикала (HO2°), озона (O3), а также O2- и O-) и введение их в воду, подлежащую обработке [2].

Исследовалось влияние разрядов НТП на растворы, содержащие ионы железа (II) с концентрацией от 5 до 500 мг/л. Эксперимент проводился на лабораторной установке циклической электроразрядной обработки воды (рисунок 1). Была проведена многократная циклическая обработка растворов разрядами низкотемпературной плазмы при поддержании постоянного значения pH растворов в интервале 4,5 - 5,5. За одну минуту обработки исследуемый раствор дважды подвергался плазмохимической обработке, т.е. каждая минута обработки соответствовала двум циклам воздействия НТП.

Эффективность удаления железа оценивали по показателю степени извлечения а (%), который рассчитывали как отношение разницы между исходным и конечным содержанием железа в растворе (в ионной форме и форме малорастворимых соединений) к его исходному содержанию:

а = [

Контролируемым параметром обработки, позволяющим качественно оценить процесс удаления железа из растворов являлось значение Red-Ox потенциала системы Е, мВ.

Ранее авторами было установлено, что воздействие разрядов НТП на растворы, содержащие ионы Fe2+ с концентрацией 50 мг/л позволяет извлекать из растворов до 54% железа за 5 циклов обработки. Дальнейшее увеличение количества циклов обработки не приводило к существенному

повышению степени извлечения железа. В то же время, было зафиксировано смещение рН растворов в кислую область (с 4,4 до 3,4), потенциал системы повышался со 150 мВ до 245 мВ (СВЭ), что можно объяснить наработкой в растворе окислителей различной природы, способствующих окислению Fe2+ до Fe3+. Отмечено, что снижение показателя рН напрямую связано с количеством циклов обработки раствора разрядами НТП и так же может быть обусловлено наработкой окислителей. Таким образом, было выдвинуто предположение, что для повышения эффективности извлечения железа из водных растворов целесообразно применять обработку НТП с поддержанием постоянного значения рН среды [3].

Рис. 1. Лабораторная установка циклической электроразрядной обработки воды. Е1 - накопительная емкость; ПХ - прямой холодильник; ПР - плазмохимический реактор; ВИ - высоковольтный источник; О1 - осциллограф, Н1 - насос, К1 - запорный кран

На рисунке 2 представлены результаты многократной циклической обработки растворов разрядами низкотемпературной плазмы при поддержании постоянного значения рН растворов в интервале 4,5 - 5,5. Показано, что в случае малых (5, 25 мг/л) и средних (50, 100 мг/л) исходных концентраций железа (II), максимальная степень извлечения а составляет 99,5% и достигается через 1 - 3 минуты после начала воздействия НТП на растворы, что соответствует двукратной и шестикратной обработке растворов, соответственно (рис. 2, крив. 1 - 4). При повышенной концентраций Fe2+ в растворе (500 мг/л), максимальная степень извлечения так же составляет 99,5%, однако в этом случае продолжительность процесса увеличивается до 8 минут (рис. 2, крив. 5). Необходимо отметить, что за первые 4 минуты обра-

ботки степень извлечения достигает 75%. Это может быть объяснено лавинным эффектом окисления больших концентраций Fe2+.

При этом, во всех случаях отмечен рост окислительно-восстановительных потенциалов систем. Увеличение значений потенциалов ДЕ составило 100 - 190 мВ, при исходных значениях Е 20 - 40 мВ (СВЭ).

е

100 80 60 40 20

1/

//4 * 5

II » г

н г /

0 2 4 6 8

Время обработки, мин

Рис. 1. Зависимость степени извлечения железа от продолжительности цикличе-

2+

ской обработки растворов разрядами НТП. Исходная концентрация Fe : 1 - 5 мг/л; 2 - 25 мг/л; 3 - 50 мг/л; 4 - 100 мг/л; 5 - 500 мг/л

Выводы:

Показано, что поддержание рН растворов в интервале 4,5 - 5,5 оказывает положительное влияние на эффективность извлечения ионов Fe2+ из водных растворов в результате воздействия на растворы импульсных высоковольтных разрядов низкотемпературной плазмы (НТП). Воздействие плазмы на модельные растворы позволяет достичь степени извлечения 99,5% за 1 - 3 мин. после начала процесса при исходной концентрации железа (II) до 100 мг/л, что является преимуществом перед другими физико-химическими методами, позволяющими проводить удаление ионов железа (II) из водных растворов. Кратность воздействия, необходимая для достижения максимального значения а напрямую зависит от исходной концентрации ионов железа (II) в растворе. Отмечено, что под воздействием НТП возрастает потенциал системы, что можно объяснить наработкой в растворе окислителей различной природы, способствующих переводу Fe2+ в Fe3+.

0

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения 14.В37.21.0797 по мероприятию 1.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Библиографический список

1. Князев Б.А., Низкотемпературная плазма и газовый разряд: Учебное пособие /Новосиб. гос. ун-т, Новосибирск, 2003. 290 с.

2. Бродский В.А., Кондратьева Е.С., Якушин Р.В., Курбатов А.Ю., Ар-тёмкина Ю.М. Анализ перспективных физико-химических методов обработки и обезвреживания воды, содержащей высокотоксичные химические вещества и микроорганизмы // Химическая промышленность сегодня. -2013. - №2, с. 52 - 56.

3. Якушин Р.В., Бродский В.А., Колесников В.А. Перспективы применения низкотемпературной плазмы в процессах удаления железа из водных растворов // Тез. докладов I Всероссийской научной интернет-конференции с международным участием «Химическая наука: современные достижения и историческая перспектива», Казань, 29 марта 2013 года, с. 194 - 196.

УДК 541.135 Д.Ю. Тураев

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ НЕРАСТВОРИМЫХ АНОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ PbO/Ti, Pt/Nb и Pt/Ti В ПРОЦЕССЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЦИАНИД-СОДЕРЖАЩИХ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАСТВОРОВ

Приведено сравнение химической стойкости нерастворимых анодных материалов: Pb02/Ti, Pt/Ti и Pt/Nb при обезвреживании производственных растворов, содержащих цианистые соединения. Обнаружена высокая химическая стойкость анода из Pb02/Ti и недостаточная химическая стойкость Pt/Ti и Pt/Nb. Предложен метод дополнительного увеличения химической стойкости анода из Pb02/Ti и рассмотрены причины ограниченной химической стойкости нерастворимых анодов из Pt/Ti и Pt/Nb.

Comparison of reagent resistance of insoluble anodic materials is resulted: Pb02/Ti, Pt/Ti and Pt/Nb at neutralisation of the industrial solutions containing cyanide connections. High reagent resistance of the anode from Pb02/Ti and insufficient reagent resistance Pt/Ti and Pt/Nb is found out. The