Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время гальванические производства, редприятия цветной металлургии остро ставят экологическую проблему очистки точных вод от ионов тяжелых металлов, которые принадлежат к числу наиболее пасных в биологическом отношении загрязнителей окружающей среды. Предельно-опустимая концентрация (ПДК) ионов тяжелых металлов, например, цинка и нике-я в воде открытых водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение, составляет сего 0,01 мг/л. Попадая вместе со сточными водами в водоем без какой-либо очист-и, ионы тяжелых металлов нарушают ход естественных процессов, снижают каче-гво природных вод, оказывают вредное воздействие на санитарные условия жизни здоровье людей.
Очистку сточных вод от ионов тяжелых металлов на практике чаще всего существляют методом химического осаждения. Однако, исходя из реального со-гояния на очистных сооружениях, данный метод не дает возможности полностью звлекать ионы металлов, в результате чего сточным водам требуется дополнитель-ая очистка физико-химическими методами.
В последние десятилетия благодаря работам отечественных (Скрылев Л.Д., ольман A.M., Мацнев А.И., Пушкарев В.В., Березюк В.Г.) и зарубежных (Себба Ф. др.) исследователей перспективным методом извлечения и разделения соединений еталлов, присутствующих в растворе, является флотация. Метод характеризуется ысокой производительностью, эффективностью, экономичностью и простотой опе-аний. При реализации одной из его разновидностей - ионной флотации в результате заимодействия, как правило, оксианионов металлов с катионными поверхностно-ктивными веществами (ПАВ) (собирателями) образуются гидрофобные осадки ;ублаты), которые эффективно отделяются от раствора как флотационным методом, не и фильтрованием.
Оборотные и замкнутые системы промышленного водоснабжения тесно святы с повышением эффективности очистки сточных вод, снижением ее себестоимо-ги на основе совершенствования технологических схем н интенсификации методов звлечения ионов металлов. Эффективность процессов флотации за исключением екоторых специальных видов (например, элекгрофпотации) в значительной степени пределяется правильностью выбора собирателей. Одним из путей увеличения воз-ожностей флотационных методов концентрирования ионов металлов является рас-іирение ассортимента собирателей, позволяющих более эффективно и с высокой коростью проводить очистку сточных вод. Поэтому вопросы очистки промышлен-ых сточных вод от ионов тяжелых металлов с применеішем высокоэффективных эбирателей являются актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом АН России юмер государственной регистрации 0192002209).
Целью работы является повышение эффективности очистки промышленных точных вод от ионов тяжелых металлов.
Идея работы заключается в интенсификации процессов очистки сточных эд от ионов тяжелых металлов до нормативных требований путем применения вы-жоэффективных собирателей.
Объект исследования - сточные воды гальванических производств и пред-
приятии цветной металлургии.
Предмет исследования - основные закономерности процессов очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.
Основные задачи исследования:
изучить возможность применения ПАВ и комллексообразующих соединений в качестве собирателей для концентрирования ионов тяжелых металлов из водных растворов, ранее не используемых для этой цели;
установить основные закономерности извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов;
установить механизмы взаимодействия ионов металлов с используемыми собирателями в водных растворах;
определить оптимальные условия извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод. Предложить и обосновать принципиальные технологические схемы очистки сточных вод от ионов металлов с применением высокоэффективных собирателей;
провести испытания по очистке промышленных сточных вод от ионов металлов согласно предлагаемым технологическим схемам.
Методы исследования. При выполнении исследований по выделению ионов
металлов нз водных растворов и сточных вод использовались титриметрические ме
тоды анализа, спектрофотометрия, атомно-эмиссионная спектроскопия. При изуче
нии состава и свойств образующихся в процессах очистки осадков применялись ме
тоды рентгенографии, ИК-спектроскопии и термогравиметрии. Обработку экспери
ментальных данных проводили на компьютере с применением специально разрабо
танных программ. ->
Научные положения, выносимые на зашиту:
1.Применение новых высокоэффективных собирателей ионов тяжелых металлов из сточных вод для интенсификации процессов их извлечения [10,30,36,37].
2.0сновные закономерности процессов очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с применением высокоэффективных ПАВ и комплексообразующих соединений [16,19,22,24,25,30].
3.Механизмы взаимодействия ионов металлов с используемыми собирателями в водных растворах [7-Ю, 16,19].
4.Принцшшальные технологические схемы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов до нормативных требований [20,21,32,34,35].
5.Результаты очистки сточных вод от ионов металлов на промышленных и лабораторных установках [20,22,32,34,35].
Научная новизна состоит в обосновании и развитии перспективного направления в области очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов - разработке научных основ процессов их извлечеїшя с высокоэффективными собирателями.
При исследовании процессов очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов с использованием высокоэффективных собирателей (карбоксильного реагента ЭМКО, полученного из кубовых остатков (КО) марки «С» производства синтетических жирных кислот (СЖК); четвертичных аммониевых оснований (ЧАО) - гидроксисульфобетаина (ГСБ) и диалкилдиметиламмоний хлорида
ІАДМАХ); комшіексообразующих реагентов - гидразидов алифатических карбоно-их кислот (ГКК) (R=C6H13-CioH2i) и 1,2-диацнлгидразшюв (ДАГ) (RK^Hs-CsHn):
установлены основные закономерности извлечения ионов тяжелых метал-ов в осадок или пенную фракцию с используемыми собирателями (влияние величи-ы рН и температуры раствора, концентрации и длины радикала собирателя). Пока-шо, что извлекаемость катионов металлов с ЭМКО в пену связана с двумя факто-ами: энергией гидратации и устойчивостью образующегося ассоциата (сублата). зучены кинетические закономерности процессов; установлена зависимость скоро-ги флотации соединений металлов в пену с ГКК от концентрации ионов водорода и эбирателя;
установлены механизмы взаимодействия ионов металлов с собирателями в одных растворах при оптимальных условиях их очистки. Взаимодействие дихро-ат-ионов с ГСБ и ДАДМАХ при извлечении Cr(VI) в осадок происходит по анио-ообменному механизму. При флотационном выделении соединений металлов в енную фракцию их взаимодействие с ЭМКО и ГКК происходит по коагуляцион-ому механизму. В кислой среде (рН 2-6) ГКК являются осадителями катионов ме-эллов, образуя с ними Бнутрикомплексные соединения в виде мелкодисперсных садков. В щелочной среде ДАТ образуют хелатные малорастворимые комплексы с онамн металлов, эффективно отделяемые от раствора флотацией;
определены составы образующихся в результате очистки растворов ком-лексов металлов с собирателями при их совместном переходе в осадок или пенную ракцию. Предложены мицеллярные формулы флотируемых сублатов. Рассчитаны гличины произведений растворимости (ПР) комплексов металлов с ГКК при осаж-ении, которые свидетельствуют о зависимости степени извлечения соединений ме-іллов от длины радикала ГКК. Установлено корреляционное соотношение между [Р образующихся осадков и длиной радикала ГКК. Проведена предварительная ценка пригодности ряда ГКК для осаждения ионов металлов из водных растворов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и реко-іендаций обеспечиваются многократным воспроизведением ряда экспериментов, спользованием известных методик экспериментов, статистической обработкой ре->міьтатов исследований, сопоставимостью ряда полученных данных с описанными в итературе. Обоснованность предлагаемых технологических схем очистки подтвер-дена промьшшенньши и лабораторными испытаниями на сточных водах.
Практическая значимость и реализация резулыаюи рабо і ы:
1.Впервые предложено использование ряда соединений (ДАДМАХ, ГСБ, КК, ДАТ) в качестве высокоэффективных собирателей ионов тяжелых металлов из ромышленных сточных вод. Разработаны новые способы очистки сточных вод от онов металлов с применением ГКК и ДАТ. Разработки защищены патентами РФ на зобретение.
2.Предложены принципиальные технологические схемы очистки промыш-енных сточных вод от ионов металлов с применением высокоэффективных собира-елей, позволяющие возвращать очищенные стоки в оборотные системы промыш-енного водоснабжения или сбрасывать их в городской коллектор:
- предложена и испытана в промышленных условиях технологическая схема
ігубокой очистки сточных (сливных) вод ферросплавного цеха Чусовского метал-
лургического завода (ЧусМЗ) от Мгі(ІІ). Результаты проведенных исследований использованы ЧусМЗ в исходных данных и проектной проработке размещения и строительства опытно-промышленной установки для очистки стоков ферросплавного цеха от Mn(II);
усовершенствована и испытана в промышленных условиях технологическая схема очистки хромсодержащих сточных вод гальванического производства ФГУП «Машзавод им. Ф.Э.Дзержинского» (г.Пермь) с применением катамина АБ (алкилбензилдиметиламмоний хлорид). Результаты испытаний свидетельствуют об очистке стоков от Cr(VI) и сопутствующих ионов металлов до требований, предъявляемых ГОСТом 9.314-90 к технической воде второй категории, что подтверждается актом. Установка по очистке хромсодержащих сточных вод принята в эксплуатацию;
усовершенствована и апробирована в лабораторных условиях принципиальная технологическая схема очистки кислотно-щелочных сточных вод гальванического производства ОАО «Телта» (г.Пермь) от ионов тяжелых металлов с применением метода напорной флотации с ЭМКО. Результаты испытаний свидетельствуют об очистке сточных вод до нормативов на сброс в горколлектор, что подтверждается актом;
предложена и апробирована в лабораторных условиях принципиальная технологическая схема очистки хромсодержащих сточных вод гальванического производства Пермской научно-производственной приборостроительной компании от ионов тяжелых металлов флотационным методом с технической смесью ГКК («Гидразекс-79М»). Результаты испытаний свидетельствуют об очистке сточных вод от ионов металлов до требований, предъявляемых ГОСТом 9.314-90 к технической воде второй категории.
Личный вклад автора. Автор лично участвовал в разработке методологии исследований, постановке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении научных результатов, разработке и совершенствовании ггоинципиальных технологических схем очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, их апробации на промышленных сточных водах. Исследования по флотационному извлечению ионов тяжелых металлов с применением карбоксильного реагента ЭМКО, представленные в диссертации, защищены кандидатской диссертацией Черновой Г.В.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на V Всесоюзном совещании по химии, технологии и применению ванадиевых соединений (г.Чусовой, 1987), научно-технической конференции «Новые направления совершенствования технологии производства цветных металлов на Урале» (г.Свердловск, 1988), научно-технической конференции Белорусского политехнического института (г.Минск, 1988), Межотраслевой научно-технической конференции «Экология горного производства и человек» (г.Пермь, 1993), Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (г.Томск, 1995), Международной конференции «Перспективы развития естественных наук на Западном Урале» (г. Пермь, 1996), II, III и IV Международных конгрессах и технических выставках «Вода: Экология и технология» (г. Москва, 1996, 1998, 2000), Международной конференции «Перспективные химические технологии и материалы» (г. Пермь, 1997), IV научно-технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (г. Волгоград, 1998), XI Российской конферен-
ии по экстракции (г. Москва, 1998), Международной конференции «Уралэкология-ехноген 99» (г.Екатеринбург, 1999), II Международной выставке и конференции \кватерра-99» (г.Санкт-Петербург, 1999), VII Всероссийской конференции Эрганические реагенты в аналитической химии» (г.Саратов, 1999).
Публикации. Материалы, по теме диссертации представлеігьі в 41 научной іботе, в том числе в 21 статье, двух патентах РФ на изобретение и 18 тезисах док-
1ДОВ.