Использование диафрагменного электролизёра для очистки сточных вод от шестивалентного хрома

Введение. В связи с постоянно растущим ужесточением требований к нормам содержания концентрации вредных веществ (в частности, к веществам первого класса опасности – шестивалентному хрому) в промышленных стоках (в частности, в гальваностоках) интерес к различным способам очистки был актуален всегда.

В производстве деталей летательных аппаратов применяются гальванические технологии, в результате которых образуются гальваностоки гальванических цехов, загрязнённые ионами металлов. Требования органов охраны окружающей среды не позволяют сбрасывать непосредственно в водоемы или канализацию гальваностоки, содержащие хром в высокой концентрации, например, в виде хромовой кислоты, хроматов металлов и т. п. Кроме того, хром является дорогостоящим металлом и его извлечение из хромсодержащих гальваностоков является желательным и с экономической точки зрения. Уже длительное время существует потребность в экономичном и эффективном способе удаления хрома из сточных промышленных вод и его последующей регенерации [1–7].

В настоящее время существует большое количество способов очистки промышленных вод от хрома – механические, химические, электрические, физические, биологические, комбинированные и др. Предлагаемые методы очистки от хрома шестивалентного – метод электрокоагуляции, метод гальванокоагуляции, сорбционные методы, комбинированные методы – имеют свои недостатки, такие как большой расход электроэнергии, значительный расход металлических растворимых анодов, пассивация анодов, необходимость использования реагента (солей железа), образование большого количества осадка и сложность его последующего обезвоживания, дороговизна и дефицитность сорбентов, использование реагентов для регенерации сорбентов и др. [8; 9]. Сотрудники СибГУ им. М.Ф Решетнева разработали комбинированный способ очистки воды от анионов и катионов, в том числе от хрома шестивалентного [10; 11]. Однако предложенный способ требует длительного отстаивания воды (8-10 ч), что не всегда возможно в производственных условиях. Поэтому разработка эффективного способа очистки воды от хрома шестивалентного является актуальной проблемой.

Диафрагменные электролизёры применяются для изменения активной реакции и окислительно-восстановительного потенциала среды [12]. В этой работе отмечено, что при использовании диафрагменного электролизёра вследствие миграции ионов шестивалентного хрома из катодных камер концентрация их в католите уменьшается. Однако в дальнейшем это явление не исследовалось с целью применения для очистки воды от ионов хрома.

Описание работы. На рис. 1 представлена экспериментальная установка, с помощью которой проводили очистку воды от шестивалентного хрома .

Методика экспериментов была аналогична описанной в статье [13]. Отличие заключается в том, что количество отверстий в малой ёмкости увеличено и очищали воду гальванического цеха, взятую из ванны с промывной водой, следующей за ванной хромирования с хромсодержащим раствором при производстве (нанесении покрытий) деталей летательных аппаратов.

На основании расчётов, приведённых в статье [13], время проведения электролиза равно 29 мин. При этом степень очистки должна быть равна 100%.

Степень очистки вычисляли по формуле:

Y

к

где С о , С к - начальная и конечная концентрации удаляемого иона металла, мг/л.

* 100 % = 96 % где Со [CrO4]2- = 7,0 мг/л; Ск [СЮ4]2- = 0,29 мг/л.

Результаты опытов представлены на рис. 2.

Рис. 1. Экспериментальная установка:

1 – ёмкость из фторопласта; 2 – катод (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т); 3 – фторопластовый стакан (малая ёмкость) с отверстиями; 4 – диафрагма из брезентовой ткани; 5 – анод из графита;

6 – источник постоянного тока, 7 – мультиметр.

Fig. 1. Experimental installation:

1 – fluoroplast y caus; 2 – Cathode (stainless steel 12Х18Н10Т); 3 – fluoroplastic glass (small capacity) with holes; 4 – tarpaulin diaphragm; 5 – graphite anod; 6 – DC source; 7 – multimeter

Рис. 2. Зависимость степени очистки от времени проведения электролиза

Fig. 2. Dependence of the degree of purification on the time of electrolysis

Таким образом, расхождение с расчётной степенью очистки составляет 4 %.

Для подтверждения правильности выбранной методики расчёта, изложенной в [13], необходимо сравнить значения расчётной (теоретической) I расч. и средней силы тока, измеренной в процессе электролиза (практической) I эксп.средн. .

Известно, что поток растворенных частиц в электролизёре состоит из трёх слагаемых [14; 15]:

.

поток      миграция         диффузия конвекция где Ni – поток компонента i, моль/(см2 с); Zi– заряд иона в единицах заряда протона; Ui – подвижность компонента i, см2моль/(Дж с); F – постоянная Фарадея, Кл/моль; Ci – концентрация компонента i, моль/см3; ∇Ф – напряжение между электродами, В; Di – коэффициент диффузии, см2/с; ∇Сi – градиент концентрации, моль/см3.

Третьим слагаемым пренебрегаем, так как режим электролиза стационарный и, соответственно, конвективная составляющая ничтожно мала.

После подстановки данных поток миграции будет равен:

.. моль

—Zi ■ Ui ■ F ■ Ci ■ 7Ф = 7,655 ■ IO"10------ c ■ CM2 .

Диффузионная составляющая определится:

моль

D_t • VC_t = 26,77 ■ 10"¹¹ —-—

CM2 • c

Таким образом, поток ионов хрома будет равен: N i = 10,3*10 ^-10 моль/с ^. см ² . Сила тока при этом составит:

Д

=N_t FS = 993950- IO"¹⁰ — -323,106см² = 3,2 ■ IO*²A = 0,032A расч i                            CM²

Среднее значение силы тока при электролизе за 29 мин. составила: I эксп. средн. = 0,043 А.

Заключение. Наибольшая степень очистки (96 %) получена при продолжительности электролиза 29 мин. Процесс проводили при напряжении 50 В.

Отличие расчётной силы тока от практической составляет около 25 %, теоретической степени очистки от реальной – 4 %, что подтверждает эффективность предложенного способа очистки и правильности методики расчёта.

Требуется проведение дальнейших экспериментов с последующим практическим опробованием в производственных условиях с увеличенной скоростью протекания электрохимических реакций с целью сокращения времени электролиза.