Оценка влияния коагуляции на степень очистки воды от ионов металлов

Аннотация

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

Полный текст

Загрязнение воды является одной из острейших источники. В большой мере причиной тому являются экологических проблем в мире. Более 90 % сточных сточные воды гальванических производств, содержавод сбрасываются в открытые водоемы без предвари- щие целый ряд ионов металлов, пагубно воздейсттельной очистки. Загрязнены реки, озера, подземные вующих на здоровье людей и окружающую среду. 172 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 FeS047H20 (железный купорос), далее вода отстаивалась. Экспериментальные данные подтверждают, что сульфат закиси железа по сравнению с другими коагулянтами (например, железо (III) хлористое FeCl3-6H20, железо (III) сернокислое Fe2(S04)39H20) 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): Fe2+ + 2H20 Ь Fe(0H)2 + 2H+ Образующийся гидроксид железа (II) под действием кислорода, растворенного в воде, окисляется до гидроксида железа (III), выпадающего в осадок в виде хлопьев: 4Fe(0H)2 + 02 + 2H20 = 4Fe(0H)3 Именно образующийся гидроксид железа (III) и является истинным коагулянтом (комплексообразова-телем). Соотношение начальных концентраций иона ком-плексообразователя и удаляемого иона (С 2+ /Со ) °Fe 1 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, % Y — Ґ С - С ^ С0 С С0 100, 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 С1-83 173 Вестник СибГАУ. № 1(47). 2013 Удельные энергозатраты W определялись по формуле, (кВт-ч)/м3: W = ^ 10-3, V где I - сила тока, А; U - напряжение на клеммах электродов, В; t - 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. 10 <175 1,25 1,15 2,25 2,75 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. Время отстаивания воды, сутки 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 кВтч/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 FeSO47H2O 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 (кВтч)/м3.