Д.т.н.
Ниязбекова Р.К., к.т.н. Ермаханова Ф.Р., Бейсова П.Н.
Евразийский
Национальный Университет им. Л.Н.Гумилева
Экологические
показатели производства и их влияние на окружающую среду
Загрязненные вредными, токсическими веществами технические
воды сбрасываются в водоемы, нарушая
природный баланс. Шестивалентный хром может присутствовать в сточных водах
перерабатывающей и металлургической промышленности, является более токсичным
для окружающей среды, по сравнению с трехвалентным. В промышленно развитых
странах стоки, содержащие
шестивалентный хром регулируются, но
установление уровней нагрузки на окружающую среду, разрешенной в данной
ситуации, часто требует обширного моделирования и анализа.
Очистку сточных вод от шестивалентного хрома можно осуществлять многими методами, причём все они обладают различными
достоинствами и недостатками, имеют разнообразные ограничения, а также отличаются по своей
экономической эффективности.
Для предотвращения поступления этой формы хрома в окружающую среду требуется
восстановление хрома Cr(VI) до хрома Cr(III) и последующее удаление из сточной воды. Из множества
методов обработки сточных вод, с целью удаления ионов хрома, можно назвать
восстановление, ионный обмен, электролиз, электрохимическое осаждение,
испарение, экстракция растворителем, обратный осмос, химическое осаждение и
адсорбция. Большинство из этих методов страдает недостатками связанными с
высокими эксплуатационными затратами или потребностью в избавлении от
оставшегося ила, загрязненного тяжелыми металлами. Производство этих реагентов
достаточно дорого, а потому поиск новых дешевых и эффективных восстановителей,
осадителей и адсорбентов по-прежнему актуален.
Перспективной является разработка способов и технологий очистки
хромсодержащих сточных вод с помощью каталитических методов, применяемых в
реакциях окисления-восстановления. Механизм действия катализатора заключается в
том, что его окисленная форма быстро реагирует с восстановителем, а
образовавшаяся форма быстро переходит в окисленную форму под действием
окислителя. В качестве примера рассматривается восстановление хрома при
введении в модельный раствор сточной воды ионов железа (+3) или ионов меди
(+2).
Процесс восстановления Сr(VI) в нейтральной и щелочной среде протекает
по следующим реакциям:
(1)
(2)
где М = Na+, K+, NH4+
В результате проведенных
исследований получены конечные значения рН растворов при различных температурах
восстановления и соотношениях H2CrO4:Na2SO3
= 1:3, K2Cr2O7:Na2SO3
=1:6, Na2Cr2O7: Na2SO3 =1:6,
(NH4)2Cr2O7:Na2SO3=1:6
Так как в
нейтральной среде скорость восстановления Cr(VI)
чрезвычайно низка, поэтому, чтобы поддерживать
скорость восстановления хрома (VI) на должном
уровне, надо
использовать в качестве катализаторов соли металлов, таких, как Cu(NO3)2, CuCl2,
CuSO4, Fe(NO3)3, FeCl3, Fe2(SO4)3. Восстановление хрома (VI) при введении в модельные
растворы солей меди и железа протекает по следующей реакции:
Таблица 1- Эффективные
константы скорости процесса восстановления Cr(VI)
|
Тип добавки |
t,°C |
Эффективные константы скорости (k) л·моль-1·мин.-1 102 |
|||
|
H2CrO4:Na2SO3=
1:3 |
K2Cr2O7:Na2SO3=
1:6 |
Na2Cr2O7:Na2SO3=
1:6 |
(NH4)2Cr2O7:Na2SO3=
1:6 |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Cu(NO3)2 |
20 |
1,3 |
1,5 |
2,0 |
1,7 |
|
40 |
2,9 |
2,2 |
3,7 |
4,9 |
|
|
60 |
23,6 |
7,1 |
8,7 |
10,5 |
|
|
80 |
586,0 |
12,4 |
17,1 |
69,5 |
|
|
CuСl2 |
20 |
1,2 |
1,4 |
1,5 |
1,3 |
|
40 |
2,4 |
1,9 |
2,2 |
3,4 |
|
|
60 |
4,9 |
3,2 |
4,3 |
3,5 |
|
|
80 |
14,3 |
6,3 |
9,9 |
7,8 |
|
|
CuSO4 |
20 |
1,1 |
1,9 |
2,4 |
1,9 |
|
40 |
1,3 |
2,6 |
2,7 |
2,5 |
|
|
60 |
2,2 |
3,3 |
3,5 |
3,6 |
|
|
80 |
6,4 |
3,8 |
4,8 |
6,1 |
|
Продолжение
таблицы
|
Fe(NO3)3 |
20 |
1,4 |
1,3 |
3,9 |
1,4 |
|
40 |
2,4 |
1,8 |
5,8 |
2,4 |
|
|
60 |
6,6 |
4,5 |
6,9 |
5,2 |
|
|
80 |
12,5 |
8,4 |
11,8 |
9,8 |
|
|
FeСl3 |
20 |
1,8 |
2,3 |
3,1 |
1,2 |
|
40 |
2,5 |
2,8 |
4,2 |
1,8 |
|
|
60 |
4,9 |
3,1 |
5,5 |
3,5 |
|
|
80 |
11,6 |
4,6 |
7,0 |
5,0 |
|
|
Fe2(SO4)3 |
20 |
1,5 |
2,1 |
1,9 |
1,3 |
|
40 |
1,8 |
2,3 |
2,4 |
1,6 |
|
|
60 |
3,1 |
2,5 |
2,9 |
2,7 |
|
|
80 |
4,2 |
3,6 |
3,6 |
3,6 |
После восстановления в кислой среде Cr(VI)
до Cr(III) сточные воды необходимо подвергать нейтрализации введением
соответствующего объема соды или гидроксида натрия. Проведенные
опыты выявили, что степени осаждения хрома при использовании 5% раствора соды и
гидроксида натрия достигает 95-100%.
Очистку модельного раствора Cr(VI) на
основе хромового ангидрида (CrO3) бихромата калия, натрия и аммония
в нейтральных и щелочных условиях проводят в одну стадию с использованием водных
растворов добавок солей металлов. После восстановления исследуемый раствор
охлаждается до 20°C и происходит окончательное осаждение осадка гидроксида
хрома. Образовавшийся осадок отфильтровывали и промывали водой. Масса выпавшего
осадка для растворов с добавлением растворов солей меди при повышении
температуры от 20°С до 80°С увеличивается с увеличением степени восстановления.
При введении в исследуемые модельные растворы нитратов меди или железа
наблюдаются максимальные значения выделившегося осадка, что характеризует
полноту протекания восстановления шестивалентного хрома.
Таким образом, степень осаждения хрома при
добавлении солей меди в рассматриваемых
системах можно описать следующим рядом: Cu(NO3)2 >
CuCl2 > CuSO4 а при добавление соли железа Fe(NO3)3 > FeCl3 > Fe2(SO4)3.
В функциональной
схеме с использованием добавок солей металлов восстановление и осаждение соединений хрома проводят в нейтральной
среде 5%-м сульфитом натрия в присутствии добавки 10% водного раствора соли
Cu(NO3)2 или Fe(NO3)3, используемой
как гомогенный катализатор. Процесс очистки проводят в одну стадию, при этом
степень восстановления и очистки раствора от соединений хрома достигает 51- 100
% при температурах 20-80°С. Это позволяет исключить некоторые реагенты (H2SO4,
NaOH) и упростить отделение шлама от очищенных стоков.
Анализ способов нейтрализации
шестивалентного хрома показывает, что вышеназванный способ является оптимальным
и эффективным. Он требует больших капитальных вложений и может
использоваться предприятиями многих
отраслей экономики.
Литература
1. Лисицын А.Е., Остапенко П.Е. Минеральное сырье.
Хром. М.: ЗАО Геоинформмарк, 1999 - 25с.
2. Салли А.,
Брендз Э. Хром.- Изд. 2-е переработ. и доп.
Перев. с англ. М.: Металлургия, 1971- 360с.