Очистка воды от ионов хрома в диафрагменном электролизёре

Введение. В производстве деталей летательных аппаратов применяются электрохимические процессы, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов [1-7]. Строгие требования органов охраны окружающей среды не позволяют сбрасывать непосредственно в водоемы или канализацию сточные воды, содержащие хром, например, в виде хромовой кислоты, хроматов металлов и т. п. [8]. Кроме того, хром является дорогостоящим металлом, и его извлечение из хромсодержащих растворов является желательным и с экономической точки зрения. Уже длительное время существует потребность в экономичном и эффективном способе удаления хрома из сточных вод и его регенерации.

В настоящее время существует большое количество способов очистки воды и водных растворов от хрома -механические, химические, электрические, физические, биологические, комбинированные и др. [9-13]. Предлагаемые методы очистки от хрома шестивалентного - метод электрокоагуляции, метод гальванокоагуляции, сорбционные методы, комбинированные методы - имеют недостатки, такие как значительный расход электроэнергии, значительный расход металлических растворимых анодов, пассивация анодов, необходимость больших избытков реагента (солей железа), большие количества осадка и сложность его обезвоживания, дороговизна и дефицитность сорбентов, большой расход реагентов для регенерации сорбентов и др. Сотрудники СибГАУ разработали комбинированный способ очистки воды от анионов и катионов, в том числе от хрома шестивалентного [14; 15]. Однако предложенный способ требует длительного отстаивания воды, что не всегда возможно в производственных условиях. Поэтому разработка эффективного способа очистки воды от хрома шестивалентного является актуальной задачей.

Диафрагменные электролизёры применяются для изменения активной реакции и окислительно-восстановительного потенциала среды [16; 17]. Для очистки воды от хрома используют бездиафрагменные электролизёры с растворимыми железными анодами [17].

В этой работе отмечено, что при использовании диафрагменного электролизёра вследствие миграции ионов шестивалентного хрома из катодных камер в анодные через инертную диафрагму, концентрация их в католите уменьшается. Однако в дальнейшем это явление не исследовалось с целью применения для очистки воды от ионов хрома.

Методика экспериментов. Экспериментальная установка (см. рисунок) представляет собой совокупность цилиндрических ёмкостей из пластмассы, установленных коаксиально, по внутренней стенке большой ёмкости 1 установлен катод 2 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (диаметр 98 мм, высота 105 мм, толщина стали 1 мм). На боковой стенке малой ёмкости 3 (диаметр 70 мм) выполнены многочисленные отверстия 4 , внутри помещена брезентовая ткань, выполняющая функции диафрагмы 5 . В центре малой ёмкости располагается графитовый анод 6 (диаметр 12 мм). В воде при комнатной температуре растворяли хромат калия. Объем заливаемого раствора 0,65 л. Электроды подключали к источнику постоянного тока Б5-8. Для регистрации параметров тока и напряжения на электролизёре использовали приборы - мультиметры FLUKE 179 и MASTECH MY-67. При напряжении на клеммах электродов 10 В сила тока составляла 0,27-0,29 А. Начальная концентрация аниона хрома С₀ [CrO₄]^2- равна 892 мг/л. Концентрации анионов хрома определяли методом атомноабсорбционной спектроскопии. Под действием электрического поля анион хрома мигрирует из катодной камеры Vk в анодную Va. Среднее значение пути миграции аниона хрома, исходя из размеров электрохимического реактора, равно 4 см. Для расчёта времени электролиза воспользуемся выражением [18]:

• 1,3- E-b-t >  L >1,0- E-Ы , (1)

где E - напряженность электрического поля между электродами в жидкости, В/см; b - подвижность анионов, см²-В^-1-с^-1; t - время электролиза, с; L - расстояние, равное пути миграции аниона, см.

Экспериментальная установка:

1 - ёмкость из пластмассы; 2 - катод из пластины из нержавеющей стали 12Х18Н10Т; 3 - пластмассовый стакан с отверстиями; 4 - отверстия в малой ёмкости; 5 - диафрагма из брезентовой ткани; 6 - анод из графита; Vk - катодная камера; Va - анодная камера

Из выражения (1) определяется время электролиза, за которое все анионы хрома должны переместиться из катодного пространства в анодное:

t = L / (1,3- E-b ), (2) где L = 4 см; Е = 2,04 В/см; b [CrO₄]^2- = = 0,00074 см²/(сВ) [19].

После подстановки данных в (2) получим t = 29 мин.

Удельные энергозатраты W определялись по формуле

W = IUL10 3 (кВт-ч)/м3, где I - сила тока, A; U - напряжение на клеммах электродов, В; т - продолжительность электролиза, ч; V -объем заливаемого водного раствора, м3; 10-3 - переводной коэффициент из Вт в кВт. Среднее расчётное значение удельных энергозатрат при указанных режимах проведения процесса очистки воды от ионов хрома составляет 1 кВт-ч/м3, что в 2-3 раза меньше, чем при известных электрохимических способах.

Степень очистки определяли по формуле

Y ₌ I C ⁰ C ^к 1 100 %, к ^С 0 7

где С ₀, С _к - начальная и конечная концентрации удаляемого аниона металла, мг/л. Конечная концентрация аниона хрома 669 мг/л, тогда степень очистки составит 25 %, что в четыре раза меньше предполагаемого значения. Такое расхождение по степени очистки можно объяснить следующими причинами: при миграции анионов хрома из катодной камеры в анодное пространство возникает противоположно направленный диффузионный поток из-за появления градиента концентрации анионов, при увеличении концентрации одноимённо заряженных анионов возрастают кулоновские силы отталкивания, что ограничивает приток анионов в анодную камеру.

Заключение. Таким образом, результаты экспериментов показали, что данный способ очистки позволяет уменьшить концентрацию ионов хрома (VI). Сточные воды машиностроительных предприятий содержат менее 0,5 мг/л хрома, поэтому расстояние между одноименно заряженными ионами значитель ны, в результате чего влияние сил отталкивания уменьшится. В связи с этим следует ожидать повышения степени очистки, и предложенный способ может применяться для доочистки сточных вод от ионов металлов до предельно допустимых концентраций.