Глубокое извлечение ионов хрома из сточных вод при использовании железной стружки и активированного угля на предприятиях тракторного и сельскохозяйственного машиностроения

Однако для электрокоагуляции характерны некоторые недостатки, такие как расход электроэнергии и расход металла, а при гальванокоагуляции необходим непрерывный процесс обработки стоков из-за возможной пассивации активной загрузки. Избежать указанные проблемы возможно при обезвреживании хромсодержащих сточных вод путем фильтрования через Fe-стружку. В результате химического растворения стружки в кислой среде образуются ионы Fe+2, с помощью которых происходит восстановление Cr+6 [4–5].

Цель исследования . Получение математической модели процесса фильтрационной очистки и изучение возможности применения сорбции для доочистки на активированном угле.

Методы и результаты исследования . На кафедре ИСЗиС ИСИ СФУ были проведены исследования при планировании эксперимента методом Бокса-Хантера по извлечению ионов хрома из сточных вод фильтрацией через Fe-стружку, имеющую следующий химический состав: Fe – 98,8 %; С – 0,22; Si – 0,05; Mn – 0,65; Р – 0,04; S – 0,05; Cr – 0,03; Ni – 0,16 %. Границы области исследования и интервалы варьирования приведены в таблице 1. В качестве факторов, от которых зависит процесс извлечения ионов Cr⁶⁺, были приняты следующие: X 1 – исходная концентрация ионов Cr⁶⁺ в стоках, мг/л; Х 2 – рН исх ; Х 3 – скорость фильтрации, м/ч. Оценочным критерием являлась У 1 – остаточная концентрация ионов Cr⁶⁺, мг/дм³, которую определяли на атомно-абсорбционном спектрометре 3300 фирмы Perkin-Elmen.

Факторы, уровни и интервалы варьирования

+1,68           +1             0             -1            -1,68	Δ
Χ1, Сисх        110,4         90           60           30          0,6	30
Х 2 , рН         4,68           4             3             2            1,32	1
Х 3 , V          8,36            7             5             3            1,64	2

После обсчета экспериментальных данных остаточной концентрации ионов хрома, которое получено уравнение регрессии относительно имеет следующий вид:

Yj = 1,62 + 1,33X, + 0,69X₂ + 0,73X₃ + 0,12Х,Х₂ + 0,64 Х,Х₃ + 0,13Х₂Х₃ +

+ 1,04X 2 + 0,39X 2 + 0,22X 2 .

Уравнение регрессии было переведено в натуральный масштаб для построения графических зависимостей

Y = 0,0012 - Z₃ + 0,39 • Z 2 + 0,055 • Z 2 - 0,16 • Z_} - 2,215 • Z₂ - 1,02 • Z₃ +

+ 0,004 • Z_} • Z₂ + 0,011-Zj • Z₃ + 0,065 • Z₂ • Z₃ + 9,005.

На рисунках 1–3 представлены зависимости остаточной концентрации ионов хрома от варьируемых параметров.

^{6 +}

Cc = 60мг/дм ; 1 — рН=2; 2 — рН=3; 3 — рН=4; Хз — скорость фильтрования, м/ч; У1 - оста- точная концентрация Сr6+, мг/дм3

Рис. 1. Зависимость остаточной концентрации Сr+6 от скорости фильтрования

Обработка данных эксперимента была проведена в табличном процессоре Excel, что позволило получить уравнения аппроксимации:

1 - у_} = 0,055Z² 2 - 0,23Z₃ + 1,335; 2 - у, = 0,055Z² 2 - 0,165Z₃ + 1,31;

3 - у₁ = 0,055Z² 2 - 0,1Z₃ + 2,065.

C u ⁺ = 60мг /дм³ ; 1 — u=3 м/ч; 2 - u=5 м/ч; 3 - u=7 м/ч; Х 2 - рН исходное; У 1 - остаточная концентрация Сr⁶⁺, мг/дм³

Рис. 2. Зависимость остаточной концентрации Сr+6 от рН исходного

Уравнения аппроксимации:

Зависимость остаточной концентрации Сr+6 исходной

рН=3; 1 – υ=3 м/ч; 2 – υ=5 м/ч; 3 – υ=7 м/ч; Х 1 – исходная концентрация Сr⁶⁺, мг/дм³; У 1 – остаточная концентрация Сr⁶⁺, мг/дм³

Рис. 3. Зависимость остаточной концентрации Сr+6 от исходной концентрации Сr+6

Как видно из рисунков 1–3, нелинейный характер кривых позволяет определить оптимальные режимы для извлечения ионов хрома из сточных вод.

После нейтрализации сточных вод, прошедших фильтрацию через железную стружку до величины рН=7,5, образуется осадок. Термогравиметрический анализ осадка был выполнен

Рис. 4. Термограмма осадка

Как видно из рисунка 4, на термограмме наблюдается эндоэффект при t=114,3ºС, который объясняется удалением воды, занимающей по характеру связи промежуточное положение между адсорбционной и химически связанной. Пик при t=179,0ºС указывает на наличие гетита (-FeOOH). Термоэффект при t=407,1ºС говорит о присутствии магнетита. При t=540,0ºС происходит переход магнетита из ферромагнитного состояния в паромагнитное. Пик при t=734,0ºС на приборе NETZSCHSTA 449F1 в диапазоне 30/100 (К/мин) /1000, в режиме ДСК-ТГ, где ТГ – кривая изменения массы, %; ДСК – дифференциальная сканирующая калориметрия, мкВ/мг; ДТГ – дифференциальная термогравиметрическая кривая, % /мин.Термограмма осадка представлена на рисунке 4.

подтверждает наличие магнетита, а при t=912,4ºС происходит окисление оставшегося магнетита, когда диффузия кислорода в магнитную структуру становится возможной после того, как защитная пленка делается пористой благодаря раскристаллизации при высокой температуре. Остаточная масса осадка 77,13 %. Для изучения структуры осадка был проведен рентгенофазовый анализ на дифрактометре ADVANCE-D8 фирмы Bruker-AXS (Germany). На дифрактограмме осадка (рис. 5) очень четко ниями гематита. В результате исследований просматриваются интенсивные линии, характерные для гематита Fe2O3 (d = 2,68; 1,69 А0) и магнетита Fe3O4 (d = 2,51), а также гипса CaSO4 (d = 3,48; 2,85; 2,32 А0). Линии (d = 3,58; 2,67; 2,47; 1,81; 1,67 А0) относятся к Cr2О3, при этом дифракционные максимумы (d = 2,67; 2,47; 1,67 А0), относящиеся к Cr2O3, перекрываются с ли- установлено, что наличие в осадке оксигидрат-ных форм железа играет важную роль в процессе обработки хромсодержащих стоков, поскольку они имеют большую внутреннюю и поверхностную энергию, а следовательно, сорбционную способность.

Рис. 5. Дифрактограмма осадка, прокаленного при t = 900ºС

На втором этапе было проведено изучение процесса доочистки хромсодержащих сточных вод при использовании активированного угля марки БД березового разреза КАТЭКа (АУ БД) различного фракционного состава: 0,5–2,8 и 2,8– 5,0 мм. На приборе NETZSCHSTA 449F1 был выполнен термогравиметрический анализ активированного угля. Термограмма показана на рисунке 6. Как видно из термограммы (рис. 6), на кривой ДСК наблюдается 2 эндоэффекта и один экзоэффект. При температуре 93,8ºС эндоэф- фект связан с дегидратацией, т.е. потерей адсорбированной воды. Термоэффекты при температурах 466,7 и 796,1 ºС указывают на сгорание углерода

R y O 2 → R y ²⁺O^2-+ HOH → R y ²⁺ - 2OH^-;

R y ²⁺ - 2OH^-+ Cr 2 O 7 ^2- = R y ²⁺ - Cr 2 O 7 ^2-+2OH^-;

R y ²⁺ - 2OH^-+ SO 4 ^2- = R y ²⁺ - SO 4 ^2- + 2OH^-.

Активированный уголь является основным сорбентом, способным обменивать свои гидроксильные группы на ионы Cr 2 O 7 ^-2 и SO 4 ^-2.

Рис. 6. Термограмма активного угля марки БД

Была определена сорбционная емкость ак- строены графические зависимости, представ-тивированного угля. По результатам исследо-  ленные на рисунке 7.

ваний процесса сорбции ионов хрома были по-

y = -0,0007x2 + 0,0393x - 0,0494; y = -0,0003x2 + 0,0278x - 0,0277

R² = 0,9915 R² = 0,9942

Рис. 7. Зависимости сорбционной емкости ативированного угля для различного фракционного состава

Выводы                 3.

• 1.    Результаты исследований при планировании эксперимента по методу Бокса-Хантера позволили определить оптимальные режимы по величине pH и скорости фильтрации.

• 2.    При изучении процесса глубокого извлечения ионов хрома из стоков с использованием 4. активированного угля установлено, что сорбционная емкость угля зависит от исходной концентрации ионов хрома и фракционного состава угля.                                                     5.

• 3.    Изучены свойства и состав осадка термогравиметрическим методом на приборе NE-TZSCHSTA 449F1 в режиме ДСК-ТГ, в атмосфере А Z , в диапазоне 30/20.0 (К/мин)/1000. Рентгенофазовый анализ был выполнен на дифрактометре ADVANCE-D8 (фирма Bruker-AXS, Ger- 6. many) для разработки технологии его утилизации.