Разработка проекта установки электрофлотационной очистки сточных вод гальванического производства

 

,	(6)

 

 

где – длина сборного кармана очищенной жидкости (0,13 м);

 – длина сборного  кармана флотошлама (0,15 м);

 – длина водосборника (0,05 м);

 – толщина стенки (0,01 м);

– отбортовка (0,05 м).

 

Габаритная ширина электрофлотатора (м):

 

	(7)

 

 

Количество электродов (пластинчатых вертикально расположенных) в флотокамерах:

 

,	(8)

 

 

в том числе анодов и катодов

 

;  ,	(9); (10)
;

 

 

где а – расстояние от торцевой стенки установки до края электрода (0,01 м);

 – толщина электродов (0,001 м);

 – межэлектродное  пространство (0,01 м).

 

Площадь электродов (м2):

 

	(11)

 

 

где – высота электрода (0,02 м);

 – ширина электрода: = – 2с=1-2·0,01=0,98 (с – расстояние от боковой стенки установки до края электрода).

 

Сила тока в флотокамерах (А):

 

; .	(12)
;

 

 

где , – объемная плотность тока в первой и второй флотокамерах, А/л

 

Масса электродной системы (кг):

 

,	(13)

 

 

где – плотность катодного материала (для нержавеющей стали = 8000 кг/м3);

 – плотность анодного  материала (для ОРТА и ОКТА = 4500 кг/м3).

 

Объём выделяющегося водорода при нормальном давлении (без учёта количества водорода, растворяющего в воде) (м3/ч):

 

 

	(14)
,

 

 

где – объёмный электрохимический эквивалент водорода: = 0,000418 м3/А·ч;

 – выход по току: = 0,98;

Т – температура очищаемой воды, оС.

 

Производительность вентилятора для отсоса газо-воздушной смеси (м3/ч):

 

= (300÷350) .	(15)
= 325∙0,003195=1,038

 

При расчёте концентрации газообразного водорода в воздухе рабочей зоны производственного помещения учитывается свободный объём помещения (м3) и кратность обмена в нём воздуха (час–1) в течение 1 часа, достигаемая в результате естественной или принудительной приточной вентиляции.

С учётом этого объёмная концентрация водорода в воздухе рабочей зоны (%) помещения составит:

 

= /( ) 100.

(16)

 

Если значение расчётной объёмной концентрация водорода будет меньше допустимого содержания 1,0 %, то зона внутри помещения может быть отнесена к категории Д (невзрывоопасное).

 

2. Расчет баланса напряжения.

 

Общее падение напряжения на электрофлотационном аппарате (В) составляет

 

	(17)

 

 

где – равновесный потенциал анода;

 – равновесный  потенциал катода;

 – перенапряжение  на аноде;

 – перенапряжение  на катоде;

 – падение  напряжения в сточной воде;

, – падение напряжения на преодоление сопротивления в электродах;

– падение напряжения в токоподводящих шинах;

– падение напряжения в контактах.

Равновесные потенциалы электродов определяются протекающими на них реакциями и могут быть рассчитаны по термодинамическим данным для каждой электродной реакции.

Например, при электролизе в кислой и нейтральной среде на катоде протекает электрохимическая реакция восстановления иона гидроксония с выделением водорода и образованием молекул воды:

 

2H3O+ + 2 = Н2­ + 2H2O,

(18)

 

 

на аноде происходит разряд молекул воды с выделением кислорода и образованием ионов гидроксония:

 

3H2O – 2 = 1/2O2­ + 2H3O+,

(19)

 

Для рассматриваемых процессов равновесные потенциалы могут быть рассчитаны по уравнениям Нернста:

 

= - 0,058рН=-0,319

(20)

 

 

= 1,23 - 0,058рН=0,911

(21)

 

 

Падение напряжения в обрабатываемой сточной воде Uсв для наиболее распространённого случая взаимно параллельных плоских электродов рассчитывается по формуле

 

Uсв =	(22)
Uсв =

 

 

где – электропроводность сточной воды без газовой фазы, Ом–1·см–1;

 – коэффициент, учитывающий  газосодержание сточной воды:

 

1/ = 1/(1 – 0,785Г – Г2)	(23)
1/ = 1/(1 – 0,785∙0,033 –0,0332)=1,028,

 

 

При этом газосодержаниеГ при определении может быть найдено по формуле

 

Г	(24)
Г ,

 

 

где – электрохимический эквивалент водорода: = 0,0376 г/А·ч; – электрохимический эквивалент кислорода: = 0,298 г/А·ч;

 – выход по току, доли;

i– плотность тока, А/м2;

 – продолжительность  электрофлотации, ч;

Т – температура очищаемой воды, оС;

– плотность газовых пузырьков, г/м3;

 – рабочая  высота очищаемого слоя воды, м.

 

Падение напряжения на преодоление сопротивления в электродах ( и ) и подводящих шин ( ) рассчитывают по закону Ома как для проводников первого рода:

 

	(25)
,

 

 

где - величина тока, протекающего по проводнику, А;

- удельное сопротивление материала проводника (для меди составляет 0,017–0,018 Ом×мм2×м-1, а для алюминия 0,026–0,029 Ом×мм2×м-1);

- длина проводника, м;

- поперечное сечение проводника, мм2.

 

Падение напряжения в металлических контактах:

	(26)

 

 

– допускаемая плотность тока, А/мм2;

 

Величина зависит от удельного давления в контакте, характера обработки поверхности материала и температуры контакта. При удельном давлении 50 кг/см2 и температуре 25°С принимает следующие значения(Ом∙мм2): для контакта «медь-медь» – 0,05, «алюминий-алюминий» –0,5, «титан-медь» – 0,1.

 

3. Расчет теплового  баланса.

 

Для расчёта теплового баланса при проектировании электрофлотационных установок нужны данные баланса напряжения, материального баланса, а также значения температур исходной воды, получаемых продуктов электролиза, наружных поверхностей аппаратов и окружающей их среды.

Приход тепла составляется из следующих статей.

– количество тепла, вносимого в электрофлотатор обрабатываемой водой и засасываемым воздухом, может быть определено по данным расхода воды, количеству поступающего воздуха, их теплоёмкости и температуры. Теплоёмкость воды cТ при всех температурах 1 Ккал/л. Газовая постоянная R для воздуха составляет 288 Дж/(кг×град);

– количества тепла, выделяемого в электрофлотаторе электрическим током (джоулево тепло) (кДж/ч), которое может быть рассчитано по формуле

 

QТ = 3,617∙I∙(UЭФ-1,48)	(27)
QТ = 3,617∙100∙(1,916-1,48)=157,7

 

где 3,617 - пересчётный коэффициент от электрических к тепловым единицам;

1,48 - величина напряжения, расходуемая на разложение воды, В.

 

Повышение температуры воды может быть определено по формуле

=	(28)
=

 

 

где - удельная теплоёмкость сточной воды;

- секундный расход воды;

- плотность сточной воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

1. Разработана система очистки сточной воды от ионов цинка и никеля, поступающей с завода «Металлист», которая включает в себя реагентное осаждение карбонатом натрия и процесс электрофлотации образующегося осадка.
2. На основе расчетов разработана принципиальная технологическая блок-схема очистных сооружений и подобрано соответствующие оборудование, которое включает в себя электрофлотатор и дополнительные емкости.
3. Выбранные технологические операции по очистке сточных вод завода по гальванопокрытию позволили снизить концентрации металлов в сбрасываемой воде с 25 мг/л Ni2+ и 25 мг/л Zn2+ до 4,8 мг/л Ni(ТВ) и 10 мг/л Zn(ТВ). Для доочистки воды от твердой фазы требуется фильтрование (ультрафильтрация) или коагуляция.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Официальный сайт завода « Металлист» [Электронный ресурс], http://www.szmetallist.ru/
2. Maier M. , Takino M. Avaliaczo Toxicologica de metals em aquars ars represadas do sudeste de Sao-Paulo, Brasil // Biol. Gnst. pesca. - 8.-P. 119-129.
3. Официальный сайт технопарка Российского химико-технологического университета имени Д.И.Менделеева [ Электронный ресурс], http://enviropark.ru/
4. Tomioka N., Uchiyama H., Yagi О. Cesium accumulation and growth characteristics of Rhodococcus erythropolis CS98 and Rhodococcus sp. strain CS402 // Appl. Env. Microbiol. - 1994. - Vol. 14, 2. - P. 283-290.
5. Зильберман М.В., Налимова Е.Г., Тиньгаева Е.А. Cпособ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Пат. № 2125972 Россия C02F1/62; Заявл. 2013-07-27. Опубл. 10.02.2014
6. Мазитов Л.А., Смирнов М.Н.. Способ очистки сточных вод от ионов металлов флотацией. Пат. № 2494046 Россия C02F1/24; Заявл. 2011-05-31. Опубл. 27.09.2013.
7. Фокина А.И., Гребенкина О.Н., Жмак М.С., Домрачева Л.И. Способ очистки водного раствора, содержащего соль никеля, от ионов никеля. Пат. № 2521653 Россия C02F3/34; Заявл. 2012-02-20.Опубл. 10.07.2014
8. Яворовский Н.А., Чен Бен-Нам , Хряпов П.А., Корнев Я.И., Литвиненко Л.Г., Литвиненко В.Г. Способ очистки сточных вод от тяжелых металлов добавлением цеолита. Пат. № 2397959 Россия C02F1/62; Заявл. 2008-09-10. Опубл. 27.08.2010
9. Сакуран Хидэ. Электрохимическая очистка сточных вод от тяжелых металлов. РРМ, 1978, 9, № 9,с.51-6
10. Самсонова Т.В., Гречина М.С., Колесников  В.А.1, Ильин В.И. Исследование электрофлотационного процесса извлечения дисперсной фазы никеля из сточных вод предприятия цветной металлургии . Жур. «Успехи в химии и в химической технологии». Том: 24Номер: 9 (114) Год: 2010 Страницы: 56-57.
11. Веселов Ю.С. Водоочистное оборудование. Конструирование и использование / Под ред. Ю.С. Веселова, И.С. Лаврова, Н.И. Рукобратского. — Л.: Машиностроение, 1985.