WATER PURIFICATION FROM CHROMIUM IONS IN A DIAPHRAGM ELECTROLYZER


Cite item

Full Text

Abstract

In the production of rocket and space technology electrochemical processes are applied that is the reason of pollution of wastewater with metal ions. The strict requirements of the environmental authorities do not allow dumping sewage waste water containing metal ions which concentration exceeds the maximum permissible values directly into water bodies or sewerage. The greatest difficulty is water treatment from hexavalent chromium. Proposed methods for purification of hexavalent chromium - electrocoagulation method, the method galvanokoagulyatsii, sorption methods, combined methods have drawbacks, such as significant power consumption, a considerable consumption of soluble metal anode passivation anodes need for large excesses of reagent (iron salts), large quantities of sludge and the complexity of its dehydration, high cost and scarcity of sorbents, high consumption of reagents for regeneration and other sorbents. Water purification from chromium using a non-diaphragm electrolyzers with soluble iron anode diaphragm electrolyzers are used to change the active reaction and the redox potential of the medium. We present experimental setup with coaxial arrangement of electrodes and an inert diaphragm separating the water, the calculation time of the ion migration from the cathode to the anode chamber. Anion concentration of chromium was determined by atomic absorption spectroscopy. The initial concentration of the anion of the chromium in the cathode chamber is equal to 892 mg / l, final - 669 mg / liter. The degree of purification of water by chromium is 25 %. Insufficient degree of purification can be explained by the following factors: the migration of chromium anions from the cathode chamber into the anode space occurs opposite directional diffusion flux due to the appearance of a gradient of concentration of anions with increasing concentration of like charged anions in the anode chamber increases the Coulomb repulsion force, which limits the influx of anions anode chamber. Since the waste water engineering plants contain less than 0.5 mg / L chromium, the distance between the like-charged ions causing considerable repulsive force decrease. In this connection it should expect an increase in the degree of purification and the proposed method can be used for purification of wastewater from metal ions to the maximum permissible concentration.

Full Text

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-восста-новительного 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 атомно-абсорбционной 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·Е·b·t ≥ L ≥1,0·E·b·t, (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. хрень 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/(с·В) [19]. После подстановки данных в (2) получим t = 29 мин. Удельные энергозатраты W определялись по формуле (кВт·ч)/м3, где I - сила тока, А; U - напряжение на клеммах электродов, В; t - 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 где С0, Ск - 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 гра-диента 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 значительны, 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.
×

About the authors

I. Ya. Shestakov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: yakovlevish@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. A. Vasileva

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

I. A. Remizov

Krasnoyarsk State Medical University Professor V. F. Voyno-Yasenetsky

1, Partizana Zheleznyaka Str., Krasnoyarsk, 660022, Russian Federation

References

  1. Электрохимическое формообразование элементов аэродинамических уплотнений / С. П. Павлинич [и др.] // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2008. № 3. С. 69-73.
  2. Саушкин Б. П., Сычков Г. А., Атанасянц А. Г. Современное состояние и перспективы развития электрохимической размерной обработки // Металлообработка. 2002. № 6. С. 9-17.
  3. Маннапов А. Р., Зайцев А. Н. Особенности вырезки массивов малоразмерных близкорасположенных выступов методом импульсной электрохимической обработки // Труды МАИ. 2010. № 38. 7 с.
  4. Бавыкин О. Б., Вячеславова О. Ф. Формирование наименьшего значения шероховатости поверхности деталей машин на основе выбора оптимальных режимов размерной электрохимической обработки // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2010. № 2. С. 103-108.
  5. Технология производства жидкостных ракетных двигателей / В. А. Моисеев [и др.] ; под ред. В. А. Моисеева и В. А. Тарасова. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 381 с.
  6. Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей. М. : Машиностроение, 2002. 328 с.
  7. Крымов В. В., Елисеев Ю. С., Зудин К. И. Производство газотурбинных двигателей. М. : Машиностроение - Полёт, 2002. С. 347-352.
  8. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества : санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01. С. 288-295.
  9. Водное хозяйство промышленных предприятий : справочное издание. В 2-х кн. Кн. 1 / В. И. Аксенов [и др.] ; под ред. В. И. Аксенова. М. : Теплотехник, 2005. 640 с.
  10. Халемский А. М. Очистка токсичных промстоков от соединений хрома, мышьяка и органических веществ электрокоагуляционным и ферратным способами // Экология производства. Металлургия и машиностроение : информац. бюл. 2006. № 3(4). 15 с.
  11. Звягинцева А. В., Болдырева О. Н. Нейтрализация сточных вод гальванического цеха - одно из направлений обеспечения экологической безопасности // Машиностроитель. 2003. № 2. С. 48-52.
  12. Сковронек Е. Обработка сточных вод в гальванотехнике // Гальванотехника и обработка поверхности. 2002. Т. 10, № 4. С. 55-61.
  13. Верболь С. В., Запарий М. М., Козлов В. В. Способ очистки гальваностоков // Экология и промышленность России. 2001. С. 7-8.
  14. Пат. 2519383 Российская Федерация. Способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов / Шестаков И. Я., Раева О. В. Опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16. 3 с.
  15. Шестаков И. Я., Раева О. В. Очистка воды от ионов металлов электрохимическим воздействием переменным током при барботировании воздухом с последующей коагуляцией и отстаиванием // Вестник СибГАУ. 2014. № 2(54). С. 148-154.
  16. Яковлев С. В., Краснобородько И. Г., Рогов В. М. Технология электрохимической очистки воды. Л. : Стройиздат, 1987. 312 с.
  17. Рогов В. М., Филипчук В. Л. Электрохимическая технология изменения свойств воды. Львов : Вища шк. 1989. 128 с.
  18. Пат. 2344996 Российская Федерация, С 02 F 1/46. Бытовой диафрагменный электролизер / Пасько О. А., Семенов А. В., Смирнов Г. В., Смирнов Д. Г. Опубл. 01.2006, Бюл. № 4. 8 с.
  19. Добош Д. Электрохимические константы. Справочник для электрохимиков. М. : Мир. 1980. 365 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2016 Shestakov I.Y., Vasileva E.A., Remizov I.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies