Оценка влияния коагуляции на степень очистки воды от ионов металлов

Автор: Шестаков И.Я., Раева О.В.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Технологические процессы и материалы

Статья в выпуске: 1 (47), 2013 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты экспериментальных исследований очистки воды, заключающейся в пропускании через нее переменного асимметричного тока с использованием нерастворимых разнородных электродов, введении коагулянта и отстаивании.

Вода, электрохимический способ, переменный ток, коагулянт, отстаивание

Короткий адрес: https://sciup.org/148177007

IDR: 148177007

Текст научной статьи Оценка влияния коагуляции на степень очистки воды от ионов металлов

Загрязнение воды является одной из острейших экологических проблем в мире. Более 90 % сточных вод сбрасываются в открытые водоемы без предварительной очистки. Загрязнены реки, озера, подземные источники. В большой мере причиной тому являются сточные воды гальванических производств, содержащие целый ряд ионов металлов, пагубно воздействующих на здоровье людей и окружающую среду.

Технологические процессы и материалы

Попытки создания установок для нейтрализации сточных вод гальванических производств не дают положительных результатов, потому что на нейтрализацию направляют смешанные стоки, содержащие целый «букет» особо опасных тяжелых металлов. Из-за повышенного загрязнения природных водоисточников традиционно применяемые технологии обработки воды стали недостаточно эффективными [1–3].

К одному из наиболее перспективных направлений очистки воды следует отнести электрохимические методы, и в частности, электрохимические методы очистки воды на переменном токе промышленной частоты.

Однако большое потребление электроэнергии и использование растворимых электродов ограничивают применение электрохимических процессов на практике.

В Сибирском государственном аэрокосмическом университете разработан способ очистки воды от анионов и катионов электрохимическим методом с применением нерастворимых электродов и переменного асимметричного тока [4–9].

Для реализации предлагаемого способа процесс очистки проводят в электролизере из чередующихся электродов, выполненных в виде пластин. Материал электродов: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0. Расстояние между электродами 12 мм. Объем заливаемой воды 1 л. Электроды подключались параллельно к источнику переменного тока частотой 50 Гц; боковые стенки при использовании электролизера являлись рабочими. Температура очищаемой воды 20–25 оС. Переменный электрический ток пропускался через воду в течение 10 мин при силе тока 0,5 А и напряжении на клеммах электродов 4,1 В.

Обработке подвергалась вода, содержащая ионы кадмия (II), меди (II), никеля (II) и хрома (VI). Начальная концентрация каждого иона в воде 0,5 мг/л.

После пропускания переменного электрического тока в воду вводился коагулянт – сульфат закиси железа FeSO4·7H2O (железный купорос), далее вода отстаивалась. Экспериментальные данные подтверждают, что сульфат закиси железа по сравнению с другими коагулянтами (например, железо (III) хлористое FeCl 3 ·6H 2 O, железо (III) сернокислое Fe 2 (SO 4 ) 3 ·9H 2 O) обладает хорошей растворимостью в воде, поэтому нашло широкое практическое применение в очистке воды.

При добавлении железного купороса в воду происходит его гидролиз, с образованием хорошо растворимого в воде гидроксида железа (II):

Fe 2+ + 2H 2 O ^ Fe(OH)2 + 2H+

Образующийся гидроксид железа (II) под действием кислорода, растворенного в воде, окисляется до гидроксида железа (III), выпадающего в осадок в виде хлопьев:

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3

Именно образующийся гидроксид железа (III) и является истинным коагулянтом (комплексообразова-телем).

Соотношение начальных концентраций иона ком-плексообразователя и удаляемого иона (С 2+ / Со ) оFe        оi изменялось от 1:1 до 2,5:1. Время отстаивания воды (тотс) изменялось от 1 до 10 суток.

Количественный анализ ионов, содержащихся в воде после очистки, проводился на масс-спектрометре Agilent 7500 ICP-MS.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Степень очистки определялась по формуле, % (г„-С ^ Y = 1 -0----к 1 100,

V С0   )

где С0 , Ск – начальная и конечная концентрации удаляемого иона металла, мг/л.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1 – корпус; 2 – титановые электроды ОТ4-0; 3 – стальные электроды 12Х18Н10Т;

4 – пластины диэлектрические (оргстекло); 5 – амперметр; 6 – вольтметр;

7 – шунт измерительный; 8 – осциллограф С1-83

Удельные энергозатраты W определялись по формуле, (кВт·ч)/м3:

W = —10-3, V где I – сила тока, А; U – напряжение на клеммах электродов, В; т - время пропускания электрического тока, ч; V – объем заливаемой воды, м3; 10--3 – переводной коэффициент из Вт в кВт.

Исследование влияния соотношения начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона на степень очистки воды проводилось при постоянном времени отстаивания (10 сут).

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2.

Соотношение начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона

Рис. 2. Зависимость степени очистки воды от соотношения начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона: 1 – кадмия; 2 – меди; 3 – никеля; 4 – хрома; 5 – железа

Исследование влияния времени отстаивания воды на степень очистки проводилось при постоянном соотношении начальных концентраций иона комплексооб-разователя и удаляемого иона (2,5:1). Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость степени очистки воды от времени отстаивания воды. Удаляемые ионы: 1 – кадмий; 2 – медь; 3 – никель; 4 – хром; 5 – железо

Из графиков видно, что увеличение соотношения начальных концентраций иона комплексообразовате-ля и удаляемого иона и времени отстаивания приводит к значительному увеличению степени очистки воды от рассматриваемых ионов при малых удельных энергозатратах (0,34 кВт·ч/м3).

При увеличении соотношения начальных концентраций от 1:1 до 2,5:1 степень очистки увеличивается для кадмия в 1,7 раза, меди – 1,6, никеля – 1,9, хрома – 2,6 и железа – 1,7.

При увеличении времени отстаивания воды от 1 до 10 суток степень очистки увеличивается для кадмиям в 1,5 раза, меди – 1,8, никеля – 1,3, хрома – 1,2 и железа – 1,8.

Экспериментальные исследования показали, что наибольшая степень очистки воды от всех рассматриваемых ионов металлов достигается при пропускании через очищаемую воду переменного асимметричного тока с использованием нерастворимых электродов (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0), введением коагулянта – сульфата закиси железа FeSO 4 ·7H 2 O в соотношении начальных концентраций иона комплексо-образователя и удаляемого иона 2,5:1 и отстаиванием воды в течение 10 суток. При этом степень очистки воды равна: от кадмия 64 %, меди – 80,4 %, никеля – 41,6 %, хрома – 93,8 % и железа – 99,2 %. Удельные энергозатраты составляют W = 0,34 (кВт·ч)/м3.

Статья научная