Мар 24 2001

Очищення стічних вод від іонів заліза та цинку

Опубликовано в 23:42 в категории Утилизация отходов

Очищення стічних вод від іонів заліза та цинку

В.М. Радовенчик, О.І. Іваненко

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ

В багатьох галузях промисловості утворюються стічні води, що містять одночасно іони Fe2+ та Zn2+. Найчастіше це спостерігається на промислових підприємствах, де одночасно обробляють цинк та залізо, а очистка стічних вод проводиться реагентним методом на спільних очисних спорудах. В більшості випадків при такій ситуації реагентний метод не забезпечує граничних норм (ГН) на скид навіть в каналізаційну систему. Пов’язано це з тим, що водневий показник повного осадження іонів Fe2+ знаходиться на рівні 9,7 [1]. Однак, для іонів Zn2+ цей показник знаходиться на рівні 8,0. Тому при оптимальному для іонів рН = 9,7 – 10,0 спостерігається розчинення осаду Zn(OH)2 з переходом іонів Zn2+ в розчин. Зменшення рН до 8,0 – 9,5 дозволяє знизити концентрацію іонів Zn2+, але супроводжується збільшенням концентрації іонів Fe2+. Застосування методів доочистки таких вод завжди пов’язано із значними додатковими капітальними та експлуатаційними витратами.

Вказані недоліки вдається усунути при застосуванні феритного методу очистки води. Суть цього методу полягає в тому, що в стічній воді створюється визначена концентрація іонів Fe2+, Fe3+, Zn2+. При деякому співвідношенні вказаних іонів обробка такого розчину лугом супроводжується утворенням дисперсних часток з магнітними властивостями. Причому, при оптимально підібраних режимах в маточному розчині забезпечується ГН на скид в каналізаційну систему. Відповідна кількість іонів Fe3+ може бути забезпечена шляхом окислення частини іонів Fe2+ або додавання в розчин солей заліза (ІІІ). Наявність магнітних властивостей в осаджених часток дозволяє відмовитись від використання високооб’ємних споруд – відстійників, замінивши їх високопродуктивними магнітними фільтрами. При цьому, крім зниження капітальних затрат, спостерігається значне скорочення терміну обробки води. Перевагою даного методу є також той факт, що він може бути впроваджений на існуючих

очистних спорудах без суттєвої їх реконструкції. Навіть в цьому випадку можна отримати значний економічний та екологічний ефект, поскільки дисперсні частки мають більші розміри, седиментують швидше і займають менший об’єм.

Аналіз результатів інших авторів дозволив зробити висновок про недостатню вивченість умов співосадження іонів Fe2+, Fe3+ та Zn2+ [2,3,4], а оптимальні умови для такого процесу взагалі не визначались. Тому метою наших досліджень було визначення умов обробки вказаних стічних вод, при котрих забезпечується ГН на скид маточних розчинів в каналізацію.

Методика досліджень включала приготування розчинів іонів Fe2+, Fe3+ та Zn2+ з відповідних солей кваліфікації "хч". Далі їх змішували в відповідності із стехіометричною формулою магнетиту, в якій частина іонів заліза (ІІ) замінена іонами цинку (ІІ):

ZnxFe1-x2+Fe23+O4.

При цьому підтримували концентрацію іонів Fe3+ постійною, а сумарну концентрацію всіх іонів металів – на рівні 1,5 г/дм3. Осадження приготовлених розчинів проводили гідроксидом натрію. Залишкові концентрації заліза та цинку в маточних розчинах визначали колориметричним методом з використанням сульфосаліцилової кислоти та кислотного хрому синього К відповідно [5,6,7]. Магнітні властивості осадів вимірювали з допомогою мосту змінного струму по методиці [8]. Приведені дані отримані шляхом математичної обробки результатів 4 – 6 паралельних експериментів. Повторюваність експериментів задовільна.

Як показали виконані дослідження, на утворення часток з магнітними властивостями найбільш суттєво впливають рН, температура, співвідношення між іонами Fe2+ та Zn2+ (величина Х в рівнянні) та початкова сумарна концентрація іонів в розчині.

Рис.1. Залежність відносних магнітних властивостей від параметру Х(рН=9,5-10, t=35˚C, Σ[Zn2+]+[Fe2+]+[Fe3+]=1,5 г/дм3).

Рис.2. Залежність відносних магнітних властивостей від температури (рН=9,5-10, Х=0,05, Σ[Zn2+]+[Fe2+]+[Fe3+]=1,5 г/дм3).

Як було встановлено (рис. 1), магнітні властивості осаду зберігаються при зміні Х в межах 0 – 0,4. Збільшення концентрації цинку вище вказаного діапазону призводило до значного збільшення так званого „інкубаційного періоду”, тобто, періоду часу після осадження, протягом котрого магнітні властивості осаду не проявляються. Паралельно при такому збільшенні концентрації цинку в початкових розчинах спостерігається зміна кольору осаду від чорного в діапазоні Х = 0 – 0,4 до коричневого при Х > 0,4. Очевидно, в останньому випадку утворюється проста суміш гідроксидів Zn(OH)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3, підтвердженням чого може служити однаковий колір чистого Fe(OH)3 та колір осаду, в котрому маса Fe(OH)3 найбільша. Цікаво також відмітити, що при Х = 0,05 магнітні властивості осаду більші, ніж для „чистого” магнетиту. Очевидно, саме при такій величині Х формуються найбільш компактні частки. Дослідження процесів седиментації показало, що при Х = 0,05 седиментація часток проходить значно швидше, ніж при інших значеннях. Очевидно, що надлишок іонів цинку в початковому розчині супроводжується формуванням часток із значною дефектністю, аморфної структури, інших розмірів. Тому оптимальним для процесів очистки води можна вважати діапазон значень Х = 0,03 – 0,1, в котрому осад має максимальні магнітні властивості.

Не менший вплив на процеси формування часток з магнітними властивостями справляє і температура. Особливо суттєво це спостерігається в діапазоні температур від 0 до 50° С, в якому магнітні властивості часток зростають від нуля до максимуму (рис. 2). Однак, при збільшенні температури вище 50° С відмічено зниження магнітних властивостей осаду. На нашу думку, це зумовлено тим, що при вищих температурах значно швидше проходить окислення іонів Fe2+ розчиненим киснем повітря вже на стадії приготування розчинів. Підтвердженням цього є той факт, що при збільшенні сумарної концентрації складових в початкових розчинах при збереженні співвідношення магнітні властивості осаду зростають. Встановлено також, що існує і мінімальна сумарна концентрація іонів металів, при якій не спостерігається утворення осаду з магнітними властивостями при будь-яких умовах. Такою концентрацією виявилась 0,5 г/л, нижче котрої, на нашу думку, магнітні властивості не спостерігаються із-за окислення іонів заліза (ІІ) на стадії приготування початкових розчинів.

В діапазоні рН = 8 – 11 магнітні властивості осаду змінюються по-різному: при рН = 8 – 9 вони зростають, при рН = 9 – 11 дещо знижуються. При рН = 9 спостерігається максимум магнітних властивостей.

Відносно залишкових концентрацій іонів цинку та заліза в маточних розчинах було встановлено, що при рН ≥ 9 вони нижче ГН на скид в каналізаційну систему.

На основі проведених досліджень розроблена технологічна схема переробки суміші іонів заліза та цинку. Вона передбачає на першому етапі обробку стічної води солями заліза в відповідності з приведеним вище співвідношенням. Після інтенсивного перемішування вода перекачується в реактор, куди одночасно дозується розчин NaOH до рН = 9 – 9,5. Після витримки отриманої суміші при постійному перемішуванні протягом 20 хв, суспензія магнітних часток подається на магнітний фільтр грубої очистки, де відділяється їх переважна кількість. Доочистка обробленої води проводиться на магнітному фільтрі тонкої очистки. Далі вода при необхідності нейтралізується та скидається в каналізаційну систему. Шлам з магнітних фільтрів збирається в накопичувачі і в подальшому використовується як сировина для виготовлення феритів, пігментів, сорбентів і т.п.

В результаті проведених досліджень встановлено, що при очищенні стічних вод від іонів цинку шляхом додаткової обробки розчину солями заліза оптимальними умовами є: рН – 9 – 9,5; температура – 50° С; співвідношення концентрацій – [Zn2+ : Fe2+ : Fe3+ = 1 : (17 – 21) : (38 – 42)]; сумарна концентрація іонів металів – 1,0 г/л і більше. При таких умовах забезпечується видалення іонів цинку та заліза до ГН скиду стічних вод в каналізаційну систему.

Література

1. Коган Б.И. Применение химических методов к очистке сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов / Уч. Записки ЦНИИОлово. – 1969. – № 2. – С. 48 – 56.

2. Удаление ионов тяжелых металлов из растворов ферритным методом / Ю.В. Топкин, И.Г. Рода, Н.В. Афиногенов, Н.Н. Прищеп // Химия и технология воды. – 1990. – 12, № 10. – С. 895 – 897.

3. Чалый В.П., Новосадова Е.Б. Фазовые превращения в системе гидроокисей марганца (ІІ), цинка и железа (ІІІ) / Изв. АН СССР. Неорганические материалы. – 1973. – 9, № 12. – С. 2190 – 2194.

4. Чалый В.П., Лукачина Е.Н. Исследование образования ферритов никеля, меди и цинка из гидроокисей / Изв. АН СССР. Неорганические материалы. – 1968. – 4, № 2. – С. 237 – 243.

5. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. – Л.: Химия, 1984. – 445 с.

6. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. – М.: Химия, 1989. – 448 с.

7. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. Изд-е 4-е. – М.: Химия, 1974. – 280 с.

8. Майоров М.М. Экспериментальное исследование магнитной проницаемости феррожидкости в переменном магнитном поле // Магнитная гидродинамика. – 1979. – № 2. – С. 21.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.