Моделирование процесса восстановления шестивалентного хрома в сточных водах

ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 628.543.15:637.5

М. Г. Ахмадиев, Ф. Ф. Шакиров, Л. М. Назипова, Б. М. Ахмадиев, И. Г. Шайхиев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА

В СТОЧНЫХ ВОДАХ

Ключевые слова: гальванические сточные воды, ионы хрома, восстановление, математическая модель.

Исследована возможность восстановления шестивалентного хрома с помощью традиционных и альтернативных реагентов. Построена математическая модель процесса восстановления шестивалентного хрома.

Keywords: electroplating wastewater, chromium ions, recovery, mathematical model.

It had investigated the possibility of recovery the hexavalent chromium using traditional and alternative reagents. Mathematical model of recovery process of hexavalent chromium had built.

Гальванические сточные воды образуются во многих отраслях промышленности и представляют собой одну из главных экологических проблем. В настоящее время ведется интенсивная деятельность по разработке дешевых и эффективных способов удаления ионов тяжелых металлов из водных сред. Ряд методов отличается высокой ресурсоемко-стью и, соответственно, стоимостью очистки. Выходом из создавшегося положения может быть использование в качестве реагентов для очистки сточных вод вторичных ресурсов, образующихся на предприятиях аграрного комплекса и промышленных предприятиях и имеющих низкую себестоимость при высокой эффективности применения [1- 5].

В данной работе исследовалось восстановление шестивалентного хрома с помощью традиционных и альтернативных реагентов. Восстановление ионов хрома является важным этапом очистки гальванических сточных вод. Предметом исследования являлся модельный сток с концентрацией ионов хрома (VI) 600 мг/дм3.

При проведении экспериментов использовались традиционные и альтернативные реагенты: тиосульфат натрия, сульфат железа, сульфит натрия, железная стружка, опилки деревьев лиственных и хвойных пород. В результате проведения эксперимента с использованием каждого приведенного реагента полученные стоки анализировались на содержание ионов хрома (III), ионов хрома (VI).

Восстановление Сг6+ до Сг3* с помощью различных реагентов протекает по следующим реакциям:

- с тиосульфатом натрия:

Н2Сг207 + 2Ма28203 + Н2Э04 ^ Сг2(804)3 + 2Ма2Б04 + 2Н2О,

- с сульфатом железа (II):

Н2Сг207 + 6РеЭ04 + 6Н2Э04 ^ Сг2(Э04)3 + 3Рв2 (Э04)з + 7Н20,

- с сульфитом натрия:

Н2Сг207 + 3Ма2Э03 + 3Н2Э04 ^ Сг2(Э04)3 + 3Ыа2304 + 4Н20,

- с железной стружкой:

Н2Сг207 + 2Ре + 6Н2Э04 ^ Сг2(Э04)3 + Ре2 (Э04)3 + 7Н20,

Результаты, полученные экспериментальным способом и математическая модель, аппроксимирующая процесс изменения концентрации ионов хрома (III) и хрома (VI) в процессе восстановления, приведены на рисунках 1-3 и таблицах 1-3.

Рис. 1 - Восстановление Cr6+ до Cr3+ с использованием тиосульфата натрия

Рис. 2 - Восстановление Cr6+ до Cr3+ с использованием сульфата железа

Рис. 3 - Восстановление Сг6+ до Сг3+ с использованием сульфита натрия

Таблица 1 - Показатели сточной воды в результате проведения реакции восстановления Сг6+ до Сг3+ с использованием железной стружки

Объем сточной воды, УСв, мл m(Fe), мг С ^нач (Cr+6), мг/ дм3 Скон (Cr+6), мг/ дм3 Скон кон (Cr+3), мг/ дм3 а, %

250 730 600 23,21 576,79 96,3

250 1230 600 16,94 583,06 97,1

250 1730 600 7,36 592,36 98,7

250 2500 600 0 600 100

250 3500 600 0 600 100

Таблица 2 - Показатели сточной воды в резуль-

6+

тате проведения реакции восстановления Сг до Сг3+ осиновыми опилками

Объем сточной воды, УСв, мл m (осинов опилки), мг С нач (Cr+6), мг/ дм3 С кон (Cr+6), мг/ дм3 а, %

250 30500 600 189,54 68,41

250 31000 600 170,40 71,60

250 32340 600 149,22 75,13

250 37000 600 148,74 75,21

250 42000 600 148,7 75,2

Таким образом, оптимальное количество тиосульфата натрия, необходимого для полного восстановления кислых стоков, составляет 2,34 г на 250 см3 кислого гальванического стока; сульфата железа - 13500 мг; сульфита натрия - 0,65 г; железной стружки - 1,73 г; оптимальное количество опилок, необходимое для очистки кислых стоков от ионов шестивалентного хрома, составляет 32,34 г осиновых опилок или 35,42 г опилок хвойных деревьев, при этом максимальная эффективность очистки достигает 75,21 % и 83,35 % соответственно.

Таблица 3 - Показатели сточной воды в резуль-

6+

тате проведения реакции восстановления Сг до Сг3+ опилками хвойных деревьев

Объем сточной воды, Усв, мл m (опилки хвойных дер), мг Снач (Cr+6), мг/ дм3 Скон (Cr+6), мг/ дм3 а, %

250 25000 600 118,5 80,25

250 30000 600 110,4 81,60

250 35420 600 100,08 83,32

250 40000 600 99,99 83,35

250 45000 600 99,99 83,35

Оптимальная дозировка реагентов, необходимые для полного восстановления шестивалентного хрома, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Дозировка реагентов, необходимых до Cr3+ в модельном стоке объемом 250 см3

для восстановления Cr6+ до Cr3+

Наименование Оптимальная Степень вос-

реагента масса, мг становления, %

Тиосульфат 2340 100

натрия

Сульфат железа 13500 100

Сульфит натрия 650 100

Железная струж- 1730 98

ка

Осиновые опилки 32340 75

Опилки хвойных 35420 83

деревьев

Как видно из таблицы 4, наиболее эффективным восстановителем при минимальном количестве реагента является сульфит натрия. Наименее эффективными являются железная стружка, осиновые опилки и опилки хвойных деревьев со степенью очистки от ионов шестивалентного хрома 98%, 75 % и 83 % соответственно.

Несмотря на вышесказанное, применение этих реагентов альтернативно, поскольку они являются отходами производства.

Далее исследовался процесс восстановления Сг6+ до Сг^+ с использованием оптимального количества альтернативного реагента с доведением до 100% эффективности с помощью традиционных восстановителей. В качестве альтернативного реагента использовалась железная стружка.

Результат проведения эксперимента представлен на рисунке 4, из которого видно, что концентрация шестивалентного хрома уменьшается с увеличением дозировки традиционных реагентов. Оптимальная дозировка тиосульфата натрия, сульфита натрия при котором достигается максимальная эффективность очистки, равна 0,12 г/дм3. Дальнейшее увеличение дозировки реагентов не целесообразно, т.к. при дозировке 0,12 г/дм3 шестивалент-

ный хром удаляется полностью. Оптимальная масса сульфата железа, при котором достигается максимальная эффективность очистки, равна 0,8 г/л.

Масса реагента, мг

Рис. 4 - Восстановление хрома (VI) с помощью железной стружки в смеси с традиционными реагентами

При изучении различных физических явлений и проведении технологических экспериментов часто наблюдается функциональная зависимость между величинами, описывающими количественную сторону данного явления или эксперимента. Чтобы показать эту зависимость, иногда приходится проводить огромное количество экспериментов. Для этого требуется достаточно много времени и большое количество реагентов. В связи с вышеизложенным, в данной работе для математической обработки результатов экспериментальных исследований, следуя работе [6, 7], использовался интерполяционный метод [8].

Модель, описывающая изменение содержания ионов хрома (VI) и хрома (III), в зависимости от дозировки тиосульфата натрия, соответственно, записывается в виде:

С

Модель, описывающая изменение содержания ионов хрома (VI) и хрома (III), в зависимости от

дозировки сульфата железа, соответственно, записывается в виде:

С

С

Модель, описывающая изменение содержания ионов хрома (VI) и хрома (III), в зависимости от дозировки сульфита натрия, соответственно, записывается в виде:

С

В данной работе исследована возможность использования традиционных и альтернативных реагентов для восстановления ионов хрома (VI). Показано, что совместное использование традиционных и альтернативных реагентов является наиболее доступным, дешевым и достаточно эффективным методом. Построена математическая модель процесса восстановления шестивалентного хрома. В частности, установлена функциональная зависимость, аппроксимирующая результаты экспериментальных исследований (величина достоверности аппроксимации равна 0,99).

Литература

1. И.Г. Шайхиев, Вестник машиностроения, 4, 73 (2006).

2. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлигулова, Вода и экология: проблемы и решения, 3, 68-78 (2010).

3. И.Г. Шайхиев, Г.А. Минлигулова, Вода и экология: проблемы и решения, 4, 59-72 (2010).

4. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 3, 26-34 (2010).

5. И.Г. Шайхиев, Все материалы. Энциклопедический справочник, 4, 30-40 (2010).

6. М. Г. Ахмадиев, Ф. Ф. Шакиров, И. Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 23, 2225, (2012).

7.Ф.Ф. Шакиров, М.Г. Ахмадиев, С.В. Фридланд, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 6, 267-275, (2009).

8. Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков, Численные методы, М.: Наука, 1987. 356 с.

© М. Г. Ахмадиев - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. высшей математики КНИТУ; Ф.Ф. Шакиров - к. т. н., ассистент кафедры инженерной экологии КНИТУ; Л. М. Назипова - асп. той же кафедры; Б. М. Ахмадиев - бакалавр факультета автоматизации и управления КНИТУ; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, E-mail: ildars@inbox.ru.