Технологические особенности понижения активной реакции среды промывных вод после химического фрезерования алюминиевых деталей

В связи с обострением экологических проблем актуальной является задача многократного повторного использования водных ресурсов, доступной и качественной очистки сточных вод, внедрения замкнутого цикла потребления воды, которая предполагает разработку эффективного метода очистки сточных вод. Разрабатываемый метод должен удовлетворять требованиям безопасности человека и окружающей среды, решать поставленную задачу и быть экономически выгодным.

В производстве летательных аппаратов для обработки корпусных деталей из алюминиевых сплавов применяется химическое фрезерование, после которого происходит промывка. После обработки промывная вода содержит растворенные основания, ионы алюминия и других металлов, в результате чего рН воды повышается. Цикл очистки воды включает следующие операции:

• -    усреднение - усреднение расхода и ионно-молекулярного состава жидкости;

• -    предварительное отстаивание - осаждение грубодисперсных частиц;

• -    обработка - реагентная (обработка кислотой) и без-реагентная (обработка электрическим током), в результате чего происходит коагуляция растворенных частиц и понижение активной реакции среды;

• -    разделение фаз - отстаивание с осаждением образовавшегося грубодисперсного осадка;

• -    фильтрация (если необходимо) - удаление из воды мелкодисперсных частиц;

• -    фильтр-прессование - обезвоживание осадка.

Обобщенные принципиальные технологические схемы понижения активной реакции среды приведены на рис. 1.

Основным недостатком схемы химического способа понижения рН является использование реагента (кислоты), что приводит к дополнительным трудностям при обслуживании. Кроме того, в связи с вторичным загрязне- нием очищаемой воды катионами и анионами химических реагентов требуется ее доочистка.

Этого недостатка лишена схема известного электрохимического способа понижения рН в диафрагменном электролизере. Здесь не происходит вторичного загрязнения, что исключает повышение минерализации очищаемой воды. Так, при расходе воды 15 м3/ ч можно снизить капитальные затраты (по сравнению с химическими методами) на 58 % (с повторным использованием 70 % очищенной воды - на 45 %), эксплуатационные затраты - на 50 % (с повторным использованием 70 % очищенной воды - на 90 %), при этом себестоимость процесса понижается на 50 % (с повторным использованием 70 % очищенной воды - на 90 %) [1]. Однако этот способ также не лишен недостатков: в связи с высоким уровнем растворенных примесей, которые в процессе обработки переходят в нерастворимое состояние, требуется дополнительная система очистки диафрагмы, что также влияет на техническую и экономическую стороны задачи.

Сотрудниками Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева разработан электрохимический способ понижения рН сточных вод [2], заключающийся в следующем: процесс нейтрализации ведется в бездиафрагменном электролизере, где в качестве анода используется графит, а в качестве катода - графит или любой другой металлический электрод. На ячейку подается униполярное импульсное напряжение (в промышленных условиях это напряжение частотой 100 Гц, полученное двуполупериодным выпрямлением промышленного переменного напряжения 50 Гц). Проведенные исследования [2-4] показали, что данный метод характеризуется простотой реализации импульсных токовых режимов, низкими энергозатратами (в 3^5 раз меньше по сравнению с известным методом).

Предложенная схема понижения рН в бездиафрагменном электролизере лишена перечисленных выше недо статков, при этом затраты электричества снижаются, как минимум, в 3 раза. Кроме того, основным достоинством является простота схемы обработки за счет уменьшения количества необходимого оборудования, простота обслуживания, исключение дополнительного усложнения ионно-молекулярного состава.

Для внедрения предлагаемого электрохимического метода понижения рН на производстве (в частности, для понижения рН гальванических стоков кузнечного производства ОАО «КраМЗ») совместно с Сибирской академией свободной энергии (СибАСЭ) была разработана конструкторская и технологическая документация на электрохимический реактор.

Исходя из результатов проведенных исследований, с учетом технологии изготовления, была выбрана схема реактора (рис. 2), в котором электродная система пакетного типа собрана с помощью специальных шпилек и распорных втулок, пластинчатые электроды расположены вертикально на расстоянии 5...7 мм друг от друга. Материалы электродов - графит марки ГЭ (согласно ТУ 48-20-86-81, заготовка НК пропитанная) и нержавеющая сталь 12Х18Н10Т.

Технологическая схема очистки сточных вод травильного цеха кузнечного производства ОАО «КраМЗ» приведена на рис. 3. Основное производство цеха - обработка поверхности автомобильных дисков, изготовленных из алюминиевых сплавов (типа АК) химическим травлением в водном растворе гидроксида натрия с последующей промывкой в проточной воде. Кузнечное производство регулярно сбрасывает щелочные стоки, имеющие рН = 9^12. Месячный объем стоков - 1 000.. .1 500 м3.

Промывную воду из гальванического цеха подают в усреднитель 1 , где за 3...5 ч обеспечивается стабильность ее электропроводности и гомогенизация состава, после чего она поступает в отстойник 2 , где происходит предварительное осаждение образовавшегося шлама. Затем с помощью насоса 3 воду направляют в бездифрагменный

Рис. 1. Принципиальные схемы понижения рН

электролизер 5 , в котором происходит понижение pH обрабатываемой воды до уровня нейтральной, сопровождающееся выделением водорода и образованием осадка, и насыщение жидкости растворенным углекислым газом. Расход жидкости контролируется датчиками расхода 4 , величина рН на выходе - рН-метром 6. Разделение твердой и жидкой фаз в отстойнике 7 проводят осаждением хлопьев гидроксидов. Для удаления из воды растворенного углекислого газа используют аэрацию (дождевание или фонтанирование). Остаточную взвесь задерживают на фильтре 8 . Очищенная вода насосом 9 сбрасывается в канализацию или возвращается на повторное использование. Осадок, образующийся в камере хлопьеобразования отстойников 2 и 7 , периодически удаляют и далее обезвоживают в вакуум-фильтре 10 . Воду от промывки вакуум-фильтра возвращают в усреднитель 1 для повторной очистки совместно с исходной водой. Осадок после обезвоживания идет на переработку.

Питание электрохимического реактора осуществляется от блока питания 11 , представляющего собой трехфазный силовой трансформатор и выпрямительное устройство (рис. 4). При значительных колебаниях параметров обрабатываемой жидкости возможно применение трансформатора со ступенчатым регулированием выходного напряжения (регулирование осуществляется по первичной обмотке трансформатора). Так как питание реактора предполагается от трехфазной сети через трехфазный трансформатор, то электрохимический реактор целесообразнее изготавливать в виде трех секций, при этом каждая фаза вторичной обмотки трансформатора питает одну секцию реактора. При работе представленной схемы питания происходит снижение тепловых потерь благодаря использованию меньшего количества диодов (для представленной схемы - 2 диода на секцию, для мостовой - 4 диода на секцию). Мощность источника питания (при номинальном режиме работы) - порядка 80 кВт.

Параметры работы основных сооружений технологической схемы следующие: z ^ =40.. .100А/м², U = 5.. .16 В, начальная удельная электропроводность х = 1,00...1,41 мСм / см, Q = 4 000...4 500 Кл / л (при начальном значении рН = 11,65^12,15 и конечном значении рН = 8^7,5), ^ _эл = 5^15 кВт. ч / м³.

Одной из проблем водоочистки является утилизация осадка. Необходимо отметить, что образующийся при понижении рН осадок (например, алюминат натрия) является превосходным коагулянтом, а после его переработки методом, предложенным в [5], возможно получение высокоэффективного коагулянта - гидроксохлорида алюминия (А1ОНС12), что позволяет значительно сократить общие объемы утилизируемого осадка.

Приблизительный расчет затрат на внедрение системы понижения рН по предложенному методу проведе-ный на примере кузнечного производства ОАО «КраМЗ», показал, что максимальный срок окупаемости составит примерно 13,5 месяцев. При проведении организационно-технических мероприятий по смещению графика работы очистных сооружений с пиковых часов нагрузки энергосистемы (с 8 до 10 ч) есть возможность снижения энергозатрат в месяц еще в 2 раза.

Новые условия научно-технического прогресса и выпуска конкурентоспособной и качественной продукции, с одной стороны, и ужесточение норм защиты окружающей среды (что предполагает защиту водных ресурсов) -с другой, ставят перед учеными и инженерами новые задачи при разработке эффективной технологии обработки промывных вод:

• -    разработка систем замкнутого цикла водоснабжения и систем блочно-модульного типа. Здесь возникает задача сокращения общего расхода воды на технологические и бытовые нужды путем возврата части воды или всего объема (после очистки) обратно в технологический цикл. Блочно-модульный принцип построения системы водоочистки позволяет подбирать оборудование

  
  
  
  
  
  

ТЭМ№№Я ХАРАКТЕРИСТИКА

Tun реактора : аткрьпъй со свободным сливом.

Олепень коррекции, pH                      вход 9...12

вькод 7..8

Напряжение на электродах, В7.„10

Ток через реактор, А                             3 • 2085

Род тока: постоянны!, пульсирующий, с реверсом.

ГроизводшЕлиность, м3/ час5

Питание; через преобразователь от 3-х фазной сети переменного тока 380/ 220 В.

Установленная мощность преобразователя, кВт 80

Масса, кг2019

Габаригтье размеры длина* ширина* вьсота.мм 1850* 1590* 874

Рис. 2. Общий вид и технические характеристики электрохимического реактора в зависимости от видов загрязнений и конечного содержания загрязнений в сточных водах, что улучшает качество водообработки и уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты;

• -    автоматизация управления технологическим процессом понижения pH. На сегодняшний день это направление является одним из перспективных. Многие технологические процессы обработки сточных и природных вод осуществляются в экстремальных для жизни и здоровья людей условиях. Это работа с агрессивными химическими веществами (кислоты, соли, газы) и материалами, требующими особо бережного отношения (ионообменные мембраны, фильтры), а также наличие электрических и магнитных полей от работающего электрооборудования (электрохимические реакторы, насосы и т. д.). Современные разработки по автоматизации управления технологическими процессами направлены на улучше

2.7 Отстойники; 3.911асосы; 4. Расходомер; 5. Бездпафрагмениый электролизер; 6. рН-метр; 8. Фильтр

ние условий труда путем замены ручного труда операторов водоочистки на машинный, вплоть до оборудования поста оператора электронно-вычислительной техникой, соединенной с приборами регулирования и учета технологических параметров. Эти действия существенно снизят нагрузку на оператора, улучшат условия его труда и качество обработки воды, что окажет благотворное действие на состояние окружающей среды.

Таким образом, предлагаемый способ понижения рН сточных вод униполярным импульсным током синусоидальной формы частотой 100 Гц может быть использован для понижения промышленных и природных вод с начального значения рН - 11,65...12,15 и до конечного значения 8.. .7,5 с начальной удельной электропроводностью 1,00.. .1,41 мСм / см, при этом затраты энергии составят 5^15 кВт • ч/ м³.

На схеме цифрами обозначены:

1. Усреднитель;

10,12 Вакуум-фильтр

11 Блок питания

Рис. 3. Технологическая схема понижения рН сточных вод гальванического производства кузнечного цеха ОАО «КраМЗ»

Рис. 4. Схема питания электрокорректора активной реакции среды: 1 - графитовый электрод (марки ГЭ); 2 - электрод из нержавеющей стали (12Х18Н10Т); VD1^VD6 - выпрямительные диоды.

Разработанный авторами опытно-промышленный электрохимический реактор характеризуется простотой конструкции, низкими затратами при изготовлении и эксплуатации.

Технологическая схема процесса понижения рН предлагаемым методом для гальванического производства кузнечного цеха ОАО «КраМЗ» изменяет рН промывных вод с начального значения рН = 12 до нейтрального уровня, что позволяет использовать очищенную воду повторно в технологическом процессе и, как следствие, приводит к снижению неблагоприятной нагрузки на окружающую среду.