ELECTROCOAGULATION TREATMENT OF JOINT OIL-EMULSION AND CHROME-CONTAINING WASTEWATER OF METALWORKING ENTERPRISES

Full Text

Введение На предприятиях металлообработки используются технологические схемы с раздельной электрохимической очисткой сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты и шестивалентный хром [1-6]. Установки по реализации электрообработки компактны, солевой состав очищенной воды не увеличивается и образуется меньшее количество осадка при сравнении с реагентной обработкой [7, 8]. Известно [5], что содержание Cr6+ в сточной воде не рекомендуется до 100 мг/дм3, так как вызывает пассивацию железных анодов из-за электролитического растворения и снижение выхода по току. Целью настоящей работы являлось решение оптимизации процесса электрохимического обезвреживания совместного стока сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты и ионы шестивалентного хрома. Материалы и методы Экспериментальные исследования проводились на моделях стоков, содержащих концентрации нефтепродуктов от 50 до 1050 мг/дм3 и ионов хрома до 60 мг/дм3, в электролизере объемом 0,5 л с железными электродами, расстояние между которыми 8 мм, рабочая площадь 6,47 дм2. Обработка происходила под воздействием постоянного тока. Концентрацию нефтепродуктов определяли с использованием концентратомера КН-2. Определение концентрации ионов хрома проводилось на атомно-абсорбционном Т. И. Халтурина, С. Г. Третьяков, О. В. Чурбакова, С. А. Козлова 67 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 спектрометре 3300 производства фирмы Perk- Elmer. Анализ химического состава осадка был изучен термогравиметрическим методом на приборе NETZCHSTA 449 F1. Для контроля результатов и более точного определения состава осадка был выполнен рентгенофазовый анализ при использовании дифрактометра ADVANCE-D8 фирмы BrukerAXS. Данные исследования совместного процесса электрообработки проводились с помощью планирования эксперимента по методу Бокса-Хантера для получения математических моделей. По уравнениям регрессии проведена оптимизация в программе MathCAD и построены диаграммы для анализа и регулирования режимов обработки совместных сточных вод. Результаты и обсуждение В зависимости от соотношения объемов нефтесодержащих и хромсодержащих сточных вод реакция среды изменяется от нейтральной до кислой. Механизм обезвреживания совместного стока сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты и ионы шестивалентного хрома при электрообработке с растворимыми анодами, определяется процессами, происходящими как на электродах, так и за счет окислительно-восстановительной реакции в объеме обрабатываемой жидкости. На железном аноде происходит процесс: Fe0-2e =Fe2+ Fe2++ 2OH-=Fe(OH)2 На катоде протекают следующие электрохимические процессы: H2O +2e= H2 +2OH- 2H++2e=H2 Cr2O7 2- +14H++6e=2Сr3++7 H2O В кислой среде 6Fe2++ Сr2O7 2-+14 H+=6Fe3++2Cr3++7 H2O В нейтральной и щелочной среде Fe2++ 2Fe(OH)2+СrO4 2-+4H2O =3Fe(OH)3+Cr(OH)3 Образующиеся гидроокиси являются хорошими сорбентами эмульгированных нефтепродуктов. На кафедре ИСЗиС ИСИ Сибирского федерального университета были проведены исследования совместного процесса электрообработки с помощью планирования эксперимента по методу Бокса-Хантера для получения математических моделей [9]. В качестве варьируемых факторов были приняты: х1 - начальная концентрация нефтепродуктов, мг/дм3; х2 - исходная концентрация хрома Cr+6, мг/дм3; х3 - плотность тока, А/м2; х4 - время контакта, мин; х5 - значение рН. Оценочные параметры: У1 - остаточное содержание нефтепродуктов, мг/дм3; У2 - остаточное содержание хрома Cr+6, мг/дм3; У3 - удельный расход электроэнергии, кВт·ч/м3; У4 - удельный расход металла, г /м3 ·ч. Уровни варьирования контролируемых и управляемых факторов определены на основе проведенного эксперимента и сведены в табл. 1. Таблица 1 Уровни варьирования факторов Фактор Шаг варьирования Δх Интервал варьирования -2 -1 0 +1 +2 х1 250 50 300 550 800 1050 х2 15 0 15 30 45 60 х3 8 5 13 21 29 37 х4 2 1 3 5 7 9 х5 1,2 2,2 3,4 4,6 5,8 7 Регрессионный анализ выполнен в программе «MicrosoftExcel», в результате получены математические уравнения безразмерного масштаба: - для остаточной концентрации нефтепродуктов: У1 = 1,7 + 1,3х1 + 0,21х2 - 0,23х3 - 0,33х4 - 0,92х5 - - 0,68х1х3 + 1,26х2х3 - 0,5х3х4 + 0,28х1х4 - 0,8х2х4 + + 0,84х2 1 + 0,33х2 2 + 0,3х2 3 + 0,1х2 4 + 0,45х2 5; - для остаточного содержания ионов хрома Cr+6 : У2 = 0,14 + 0,04х1 + 0,05х2 - 0,005х3 - 0,02х4 + 0,03х5 + + 0,08х1х3 + 0,02х2х3 - 0,02х3х4 - 0,02х1х4 - 0,02х2х4 + + 0,004х2 1 + 0,01х2 2 - 0,02х2 3 - 0,01х2 4 + 0,002х2 5; - для удельного расхода электроэнергии: У3 = 7,96 + 0,39х1 + 0,59х2 + 0,41х3 + 0,34х4 - 0,15х5 - - 1,13х1х3 - 0,19х2х3 - 1,21х3х4 + 0,5х1х4 + 0,41х2х4 + + 0,3х2 1 - 0,07х2 2 + 0,25х2 3 + 0,25х2 4 - 0,19х2 5; -для удельного расхода металла: У4 = 16,09 + 0,32х1 + 0,86х2 + 1,03х3 + 0,54х4 + 0,24х5 - - 1,0х1х3 - 0,58х2х3 - 1,75х3х4 + 1,27х1х4 - 0,32х2х4 + + 0,74х2 1 + 0,74х2 2 + 0,69х2 3 + 0,65х2 4 + 0,18х2 5. Регулировочные диаграммы оптимизации процесса проводились при использовании программного компонента «MathСad» ( рис. 1, 2). Планирование по методу Бокса-Хантера позволило получить математические модели для дальнейшей оптимизации диссоциативно-шаговым методом. Результаты получены для двух режимов: - при варьировании начальной концентрации нефтепродуктов плотность тока 13-32 А/м2, время контакта 5-9 мин; Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 68 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Рис. 1. Регулировочные диаграммы при варьировании начальной концентрации нефтепродуктов Т. И. Халтурина, С. Г. Третьяков, О. В. Чурбакова, С. А. Козлова 69 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 Рис. 2. Регулировочные диаграммы при варьировании начальной концентрации ионов хрома Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 70 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Рис. 2. Окончание - при варьировании начальной концентрации ионов хрома плотность тока 8-31 А/м2, время контакта 2-9 мин. После электрокоагуляционной обработки жидкость доводилась до значения pH 7,8 при добавлении суспензии известкового молока для последующего отделения осадка. Были определены свойства, состав и структура осадка электрокоагуляционной обработки смеси сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты и ионы шестивалентного хрома. Свойства осадка электрокоагуляционной обработки смеси сточных вод представлены в табл. 2. Анализ осадка электрокоагуляционной обработки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты и ионы шестивалентного хрома, проводили на приборе Таблица 2 Свойства осадка ρ, г/см3 W, % Сухой остаток после просуш., г/дм3 Прокал. остаток, г/дм3,при 800 °С Потери при прокал., г/дм3, при 800°С Зольность, % при 800°С Замасленность, % Уд. сопротивление фильтра, см/г 0,9897 99,21 7,8 5,3 2,5 68 32 530·1010 NETZSCH германского производства, марки STA 449 F1 Jupiter, 2007 года выпуска в спектре 30/20,0 (к/мин)/1000 (рис. 3). Термические кривые показывают пик при t = 146,4 оС, характерный для дегидратации, термоэффект при t = 375,0 оС указывает на наличие гетита, экзоэффект при t = 782,3 оС объясняет присутствие в осадке магнетита, эндоэффект при t = 800,0 оС связан с разложением карбонатов. Остаточная масса составляет 69,58 %. Исследование структуры и химического состава осадка рентгенофазовым методом при помощи дифрактометра «Advance D8» фирмы Bruker в Cu-K2- излучении при использовании рентгеновской картотеки РД F-2 (2007) позволило идентифицировать различные фазы кристаллических веществ в виде порошкообразного образца и в результате получить дифракционную картину с изображением межплоскостных расстояний [10]. Структура и химический состав осадка представлены на дифрактограмме (рис. 4), где четко выявлены интенсивные линии, характерные для гематита d=3,5; d=2,67; d=2,4; d=1,94; d=1,6, при этом дифракционные максимумы с d=3,5; d=2,67; d=2,4, характерные для гематита, пересекаются с линиями, относящимися к Cr2O3. Линии с d=2,8; d=2,3; d=1,8; d=1,74; d=1,54; d=1,49 характерны для CaСO3. Выводы. Планирование по методу Бокса-Хантера позволило получить математические модели для дальнейшей оптимизации диссоциативно-шаговым методом, результаты получены для двух режимов: - при варьировании начальной концентрации нефтепродуктов плотность тока 13-32 А/м2; время контакта 5-9 мин; Т. И. Халтурина, С. Г. Третьяков, О. В. Чурбакова, С. А. Козлова 71 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 - при варьировании начальной концентрации ионов хрома плотность тока 8-31 А/м2; время контакта 2-9 мин. Определен химический состав осадка совместного стока термогравиметрическим методом, основанный на изменении массы исследуемых образцов при нагревании в зависимости от температуры на приборе NETZCHSTA 449 F1 в диапазоне 30,0/20,0 (к/мин)/1000. Выполнен рентгенофазовый анализ при использовании дифрактометра ADVANCE-D8 фирмы «BrukerAXS» для контроля результатов и более точного определения состава.

About the authors

Tamara I. KHALTURINA

Siberian Federal University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Sergey G. TRETYAKOV

Siberian Federal University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Olga V. CHURBAKOVA

Siberian Federal University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Svetlana A. KOZLOVA

Siberian Federal University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files