Что такое электрофлотация?

Сточные воды после  обезвреживания хроматов, а также  кислотно-щелочные стоки должны быть очищены от ионов тяжелых металлов (никеля, цинка, хрома, меди и др.). Традиционно  воду от соединений тяжелых металлов очищают путем перевода их в нерастворимые  в воде соединения, которые затем удаляют отстаиванием, флотацией, фильтрацией и др. способами разделения твердой и жидкой фаз. Перевод в твердую фазу в основном осуществляют введением щелочи с образованием гидроксидов, гидроксокарбонатов, карбонатов, а также сульфидных ионов, что приводит к образованию водонерастворимых сульфидов тяжелых металлов.

На результаты очистки  сточных вод существенное влияние  оказывают происхождения стоков, исходная концентрация загрязнителей, рН, наличие комплексообразователей, ионная сила раствора, природа щелочного  реагента, а также особенности  технологии коагуляции, флуктуации и  разделения осадков и жидкой фазы.

С увеличением рН растворимость  гидроксидов тяжелых металлов уменьшается, достигает минимума и затем возрастает. При высоких значениях рН некоторые  гидроксиды амфотерных металлов (цинк, хром) легко образуют растворимые  гидрокомплексы при небольшом избытке щелочи.

Гидроксиды тяжелых  металлов оказывают взаимное влияние  на полноту очистки смешанных  сточных вод. Присутствие ионов  хрома(3) при очистке цинкосодержащих  сточных вод снижает растворимость  гидроксида цинка и его содержание в исходной воде проявляется в  меньшей мере. [23]

Но основными проблемами, которые возникают сегодня при  очистке стоков гальванотехники  от соединений хрома, являются : обезвреживание хрома (6) до ПДК (0,005-0,01 мг/л); минимальные расходы реагента и электроэнергии при восстановлении; эффективное удаление дисперсной фазы Cr(ОН)3 до концентрации 0,1-,05 мг/л. Важной задачей является так же сокращение расхода реагента-восстановителя [27].

Очистка сточных вод от ионов хрома.

Источники поступления  соединений хрома в сточные воды.

Сточные воды гальванического  производства составляют от 30 до 50% общего количества сточных вод, которые  образуются на предприятиях. Средний  объем гальванических сочных вод, образующихся на одном гальваническом производстве, составляет 600-800 м3/сутки. Гальваническое производство относится к числу  наиболее неэкономичных, отличается вредными условиями труда, большим количеством  отходов. Ежегодно сбрасывается до 1 км3 токсичных сточных вод, содержащих до 50 тыс. тонн тяжелых металлов, 25-30% этих сточных вод попадает в водные бассейны.

В результате экономический  ущерб, причиняемый гальваникой народному хозяйству, оценивается в 2 млр. рублей в ценах 1990 года [1].

Отходы в гальванотехнике  образуются вследствие выноса высококонцентрированных (порядка 100г/л) растворов. С отходами тесно связана и проблема обезвреживания – очистки двух вспомогательных  потоков: промывной воды (2 м3/м2) и воздуха (100 м3/м2). Необходимость применения воды и воздуха в таких значительных количествах связана с несовершенством применяемого оборудования [1-2].

Сточные воды гальванического  производства часто содержат в своем  составе соединения трех- и шестивалентного  хрома [1-2].

Источником поступления  Cr (VI) служат промывные воды ванн хромирования, хроматирования, травления меди и латуни, анодирование алюминия [2,3]. Соединения Cr (III) реже встречаются в промывных водах гальванотехники и в основном являются продуктом восстановления Cr (VI) ионами Fe (II), органическими восстановителями или при травлении меди. В последнее время в практику хромирования стали внедрять электролиты на основе соединений Cr (III) [4,5].

Проведенные эксперименты и исследования показывают, что даже при незначительной толщине покрытия деталей средней сложности, количество материала, выносимое из гальванической ванны в проточно-промывные воды, в несколько раз превышает  расход металла на покрытие.

Ежегодно при промывке изделий теряется более 3,3 тыс. тонн цинка, 2,4 тыс. тонн никеля, 0,5 тыс. тонн хрома и ограниченное количество воды – 3,2 км3/год [3].

Приведенные данные показывают, что сточные воды гальванического  производства, содержащие ионы тяжелых  металлов, наносят огромный экономический  и экологический ущерб. Он связан с потерей дефицитных материалов и разрушением окружающей среды  и здоровья человека.

Основной задачей  обезвреживания сточных вод, содержащих соединения хрома(6), является восстановление до трехвалентного состояния. Соединения хрома(3) более чем в 100 раз менее  токсичны и склонны к гидролизу  в щелочной среде, что позволяет  удалять их в виде гидроксида при  последующей очистке.

Известные способы  восстановления хрома(6) можно условно  подразделить на протекающие в жидкой фазе (в кислотной, щелочной и нейтральной  средах) и гетерофазные (восстановительные, сорбционно-восстановительные и электрохимические).

Ход реакции восстановления хрома в кислой среде зависит  от исходной концентрации хрома(6), величины рН, температуры. Эти параметры влияют на полноту восстановления и необходимую  величину избытка восстановителя. Присутствие  ионов железа, кадмия, цинка вдвое  замедляет процесс.

Восстановление хрома  в кислой среде можно осуществлять при любых объемных расходах воды в довольно широком диапазоне  концентраций.[23]

Современные методы очистки  сточных вод от ионов хрома.

Из анализа литературы следует, что перспективными способами  решения указанных задач в  нашей стране могут стать электрохимические  методы и, в частности, электрофлотация с нерастворимыми электродами, электрокоррекция рН, мембранный метод, электродиализ и электролиз. Несмотря на то, что электрофлотация известна в нашей стране с 70-х годов, ее использование для решения экологических проблем гальванотехники ранее не приводилось. В тоже время этот метод является достаточно универсальным, высокоэффективным, экологически безопасным и достаточно экономичным. [8, 20]

Проблема с осаждения  ионов тяжелых и цветных металлов заключается в том, что оптимальное  значение рН для различных ионов  не одинаково.

Так, например, для  ионов Fe(III), Cr(III), Al(III) оптимальным является рН=6-7; для Сu(II), Zn(II), - рН=9,0-9,5; для Ni(II) и Cd(II) рН=10-10,5. Для повышения степени извлечения тяжелых металлов применяют различные флокулянты, осадители и коагулянты [9]. 

Использование новых  физико-химических методов очистки  в сочетании с реагентным позволяют решить проблему снижения содержания ионов тяжелых металлов в сточных водах до 0,01-0,05 мг/л с одновременной утилизацией отходов. Наиболее доступные на сегодняшний день – электрохимические.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОД.

К физико-химическим методам очистки сточных вод  относят флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, выпаривание, дистилляцию  и др. Эти методы используют для  удаления из сточных вод тонкодиспергированных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных  вод по сравнению с использованием биохимических методов имеет  ряд преимуществ: 1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений; 2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки; 3) уменьшение размеров сооружений; 4) уменьшение чувствительности к изменениям нагрузок; 5) возможность полной автоматизации; 6) более глубокая изученность кинетики ряда процессов, а так же  вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры; 7) отсутствие контроля за деятельностью живых организмов; 8) возможность рекуперации различных веществ.[1]

ФЛОТАЦИЯ.

Флотацию применяют  для удаления из сточных вод нерастворимых  диспергированных примесей, которые  самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например, пав. Такой процесс  называют «пенной сепарацией» или  «пенным концентрированием». Флотацию применяют для очистки сточных  вод многих производств. Она используется также для выделения активного  или после биохимической очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий  диапазон применения, небольшие капитальные  и эксплуатационные затраты, простая  аппаратура, селективность выделения  примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а так  же возможность получения шлама  более низкой влажности (90-95%), высокая  степень очистки (95-98%), возможность  рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных  вод, снижением концентрации пав  и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.

Элементарный акт  флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося  в воде пузырька воздуха с твердой  гидрофобной частицей разделяющая  их прослойка воды при некотором  критической толщине прорывается  и происходит слипание пузырька с  частицей. Затем комплекс пузырек – частица подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной воде.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при возникновении пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей пав, электролитов и др.

Пав – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. Делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют: масла, жирные кислоты и их соли, амины и др. Повышения гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Эффект разделения флотацией зависит от размера  и количества пузырьков воздуха. По некоторым данным оптимальный  размер пузырьков =15-30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения  воды пузырьками, или большое газосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

Вес частиц не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала  и =0,2-1,5 мм.

Различают следующие  способы флотационной обработки  сточных вод: с выделением воздуха  из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через  пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию. [7]

Электрохимические методы очистки сточных  вод.

Электохимические методы имеют ряд преимуществ перед химическими способами: 1) упрощение технологической схемы и эксплуатации технологических установок, легкая автоматизация их работы, уменьшение производственных площадей, необходимых для размещения очистных сооружений; 2) возможность обработки сточных вод без предварительного разбавления; 3) снижение солесодержания стоков и уменьшение количества осадков при обработке [10].

Из электрохимических  методов очистки сточных вод  гальванического производства наибольшее распространение получил электрокоагуляционный метод, применяемый для очистки от взвешенных частиц и коллоидно-дисперсных систем, ионов цветных металлов, и особенно хрома. В процессе электрокоагуляции происходит растворение аллюминевых или железных анодов, сопровождающееся подщелачиванием раствора, приводящим к образованию оксидов металлов, при этом гидроксиды железа и аллюминия выступают в качестве коагулянтов. Метод электрокоагуляции имеет ряд достоинств: компактность установки, отсутствие необходимости в реагентах – восстановителях и осадителях, простота обслуживания и универсальность[11]. Сдерживающим фактором в его развитии является большой расход металла и электроэнергии.

Наряду с электрокоагуляцией, широкое распространение получил  электрофлотокоагуляционный метод очистки сточных вод, который сочетает два метода – электрокоагуляционную обработку и электрофлотацию полученных гидроксидов металлов. Данный процесс может быть осуществлен в одном электролизере: при растворении анода происходит образование коагулянта, а на катоде выделяются высокодисперсные пузырьки водорода, обеспечивающие флотацию продуктов коагуляции [12].

Среди электрохимических  методов особое место занимает электрофлотация – физико-химический процесс, сочетающий в себе такие электрохимические методы, как электродиализ, электрофорез, электрохимическое окисление-восстановлене. Являясь по своей физической сущности электрохимическим и гидромеханическим процессом, электрофлотация выгодно отличается от традиционных методов благодаря высокой эффективности и простоте аппаратурно-технологического процесса [13,14]. Например, процесс разделения ускоряется по сравнению с методом отстаивания в 5-10раз [15].