Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов
Очистка воды от цинка, меди, хрома и кадмия
В практике очистки промывных и сточных вод гальванического производства редко встречаются системы, содержащие один ион металла. Практически всегда в промывных водах присутствуют ионы железа (II), железа (III), кальция и магния. В зависимости от характера производства ионы меди, цинка, хрома, никеля и хрома в различных соотношениях. На практике промывные воды гальванического производства часто обрабатываются в общем стоке и содержат, как минимум, три иона металла. При извлечении ионов металлов из многокомпонентной системы возможны следующие варианты.
Ионы тяжелых металлов при подщелачивании сточных вод образуют нерастворимые гидроксиды при близких значениях pH, т.е. величины pH минимальной растворимости pHmin индивидуальных гидроксидов металлов существенно не отличаются. Примерами таких смесей служат следующие системы: (Cu2+, Zn2+; pH=9,8), (Cr3+, Fe3+, Al3+; pH=6,5-7,5), (Ni2+, Fe2+,Cd2+; рН =10-10,5).
Ионы металлов в воде образуют нерастворимые гидроксиды при различных значениях рН, при этом значение pHmin индивидуальных соединений существенно отличаются друг от друга на 2-3 единицы pH. К таким системам можно отнести:
-
I — Сточные воды содержащие хром, медь и никель.
-
II — Сточные воды содержащие трехвалентный хром , железо, никель и кадмий.
-
III — Сточные воды содержащие медь, цинк и железо.
-
IV — Сточные воды содержащие ионы кадмия, никеля и железа.
-
V — Сточные воды содержащие ионы алюминия, меди и цинка.
-
VI — Сточные воды содержащие кадмий, алюминий и железо.
В случае систем I, III и V различие величин pHmin составляет 2,5 единицы pH, для систем (II, IV, VI) 3-4 единицы pH. В этом случае при низких значениях pH один из металлов системы присутствует в ионном виде, другой в дисперсном состоянии. Например, для системы Cr3+, Ni2+ при pH=6-7 никель при низких концентрациях находится в виде ионов Ni2+, тогда как ионы трехвалентного хрома в виде гидроксида Cr(ОН)3.
Ионы металлов образуют труднорастворимые соединения, но один из металлов обладает низкой флотационной активностью, как например, смеси на основе соединений свинца.
При разработке технологии очистки сточных вод технологией электрофлотации, содержащих несколько ионов тяжелых металлов, выбор оптимальных условий является непростой, но важной задачей.
Электрофлотатор для очистки промышленных сточных вод
Установлено, что скорость процесса и остаточная концентрация ионов металлов в воде при флотации смеси, состоящей из 2-5 металлов, зависят, в первую очередь, от pH среды, природы и соотношения извлекаемых ионов металлов, их концентрации и анионного состава среды. Ниже представлены результаты исследований, иллюстрирующие различные случаи, имеющие место на практике при очистке сточных вод гальванических производств.
Извлечение 2-х компонентной системы с близкими значениями pH гидроксидообразования
Процесс электрофлотации системы Cu-Zn. Величины pHmin составляет для Cu — 9,8, а для Zn — 9,9. Величина pH оптимального извлечения pH для индивидуальных соединений в виде гидроксидов составляет 9,5. Электрофлотационная очистка сточных вод, содержащих ионы цинка и меди, в различных соотношениях при суммарной концентрации металлов 100 мг/л. Токовая нагрузка составляла 100 А/м2.
Степени флотационного извлечения индивидуальных гидроксидов меди Cu(OH)2 и цинка Zn(OH)2 составляют 97%. Стационарные значения достигаются за 10 минут. Извлечение же смеси гидроксидов характеризуется более низкими остаточными концентрациями ионов металлов, не превышающими 1 мг/л. Для индивидуальных гидроксидов эта величина составляет около 2,5 мг/л.
При исследовании системы Zn-Ni установлено, что скорость извлечения никеля в присутствии цинка несколько возрастает при концентрации цинка более 30 мг/л. До указанной концентрации влияние Zn2+ на извлечение никеля не наблюдается. Скорость очистки воды от гидроксида никеля в 3-4 раза ниже, чем для индивидуального гидроксида цинка.
Проведенные исследования системы Cu-Ni при pH=9-10 показали, что указанные ионы практически не оказывают существенного влияния друг на друга, в первую очередь, на остаточную концентрацию в очищенной воде. В то же время в присутствии ионов меди при pH=9-10 и соотношении Ni:Cu = 10:1 скорость процесса электрофлотации никеля снижается на 5-10%, т.е. сказывается эффект торможения, характерный для чистого гидроксида меди.
Извлечение 2-х компонентной системы с близкими значениями pH гидратообразования
Рассмотрим несколько случаев очистки точных вод от смеси двух ионов металлов с различными значениями pH гидратообразования. Наибольший практический интерес представляют следующие смеси: никель — хром (III), медь — хром (III), никель — железо, медь — железо, которые часто встречаются при очистке сточных вод гальванического производства.
Практика 20-ти летнего ввода в эксплуатацию промышленных очистных сооружений показала, что гидроксиды Fe(OH)3 и Cr(OH)3 эффективно извлекаются при рН~7, при этом минимальная растворимость этих соединений практически совпадает с величиной pHопт. В то же время для гидроксидов меди, никеля, цинка pHопт=9,5-10.
Рассмотрим очистку воды в электрофлотаторе от смесей ионов тяжелых металлов в частности никеля — железа при различных значениях pH.
Установлено, что в области pH=9-10, где эффективно индивидуально извлекается гидроксид никеля, присутствие ионов железа (III) отрицательно сказывается на скорость извлечения ионов никеля. Так при соотношении Ni:Fe=10:1 эффективность процесса снижается на 20-30%, время электрофлотации увеличивается в 1,5-2 раза. Наблюдаются сильный коагулирующий эффект гидроксида железа и перезарядка поверхности гидроксида никеля с «+» на «-«за счёт адсорбции на его поверхности железа.
В то же время переход к более кислым значениям pH приводит к обратному эффекту, резкому возрастанию скорости процесса электрофлотационноq очистки сточных вод от Ni(OH)2. Гидроксид железа выступает как флокулянт. В данной области pH смесь гидроксидов железа и никеля обладает минимальным положительным зарядом. Аналогичные эффекты по влиянию Fe3+ наблюдаются для систем медь — железо и цинк — железо в области pH=8.
Иначе ведёт себя водный раствор солей никеля — хрома (III). Вследствие низкой флотационной активной гидроксида хрома процесс извлечения ионов Ni2+ в присутствии Cr3+ значительно подавляется во всех исследованных областях pH даже при низком соотношении компонентов в растворе как Ni:Cr=10:1. Увеличение содержания ионов трехвалентного хрома в смеси до соотношения 3:1 и 5:1 приводит к ещё более сильному подавлению процесса электрофлотационного извлечения гидроксида никеля.
Аналогичные явления наблюдаются для систем цинк — хром (III), медь — хром (III), кадмий — хром (III) и некоторых других 2-х компонентных систем.
Как показали практика в 3-5 компонентных системах типа Cu2+-Ni2+-Zn2+-Cd2+-Cr3+ эффективность процесса значительно возрастает вследствие наличия флотационно активных гидроксидов цинка, кадмия и меди.
…