Химия и химические технологии /

5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологии

 

к.т.н. Филатова Е.Г., аспирант Помазкина О.И., к.т.н. Соболева В.Г.,

студент Свитова А.О.

Иркутский государственный технический университет, Россия

Обезжелезивание гальваностоков

Одной из актуальных экологических проблем машиностроительных предприятий, имеющих в своем технологическом цикле гальванические процессы, является проблема глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Водоочистку от ионов железа (II) и (III), традиционно осуществляют путем перевода их в нерастворимые в воде соединения, которые затем удаляют отстаиванием, флотацией, фильтрацией и другими способами разделения твердой и жидкой фаз. Перевод в твердую фазу в основном осуществляют введением щелочи с образованием гидроксидов, гидроксокарбонатов, карбонатов. Вместе с тем, использование реагентов для вывода ионов металлов из жидкой фазы приводит к увеличению общего солесодержания очищенной воды и затрудняет ее использование в оборотных системах водоснабжения предприятий. Наиболее приоритетными методами обезвреживания сточных вод от ионов тяжелых металлов являются физико-химические, включающие в себя электрохимические и сорбционные способы обработки стоков. В работе изучен сорбционный способ очистки гальвоностоков от ионов железа (II) и (III) углеродными сорбентами марки ИПИ-Т, синтезированными в ИрГТУ [1]. Углеродные адсорбенты ИПИ-Т представляют собой черные гранулы неправильной формы со средним размером частиц от 2 до 5 мм, с удельной поверхностью 480 м2/г,  суммарный объем пор равен 0,65см3/г, объем микропор - 0,28 см3/г.

В качестве объектов исследования использовали промывные сточные воды цеха гальванопокрытий, содержащие от 20 до 50 мг/л ионов железа (II) и от 20 до 40 мг/л ионов  железа (III). Известно, что ионы железа (II) стабильны в воде с низким содержанием кислорода, а в загрязненных сточных водах растворенного кислорода либо не бывает совсем, либо его концентрация не превышает 0,5-1 мг/л. Концентрацию ионов железа (II) контролировали стандартным перманганатометрическим методом количественного анализа [2], относительная погрешность измерений не превышала ±0,1%. Исходная концентрация ионов железа (II) составила 34 мг/л. Концентрацию ионов железа (III) контролировали спектрофотометрическим методом анализа с помощью сульфосалициловой кислоты [3]. Исходная концентрация  ионов железа (III) составила 36,5 мг/л.

 

Адсорбцию ионов железа (II) и (III) из растворов выполняли в динамических и статических условиях. Сорбция в динамических условиях имеет технологические, эксплуатационные и экономические преимущества по сравнению с сорбцией в статических условиях. Процесс сорбции в динамических условиях проводили в колонке с внутренним диаметром 16 мм. Колонку заполняли сорбентом в количестве 10 г (высота слоя - 12 см). Скорость пропускания адсорбата через слой сорбента составила 10 мл/мин. Динамическую активность адсорбента характеризовали временем от начала пропускания  адсорбтива до его «проскока», т.е. до появления его за слоем адсорбента. 

Изучение адсорбционной способности сорбента по отношению к катионам железа в статических условиях проводили с помощью изотерм и кинетических кривых адсорбции. В работе использован метод переменных навесок (2 г, 1 г, 0,75, 0,5 г, 0,25 г) и неизменных концентраций. Статическую адсорбционную емкость адсорбента (А, мг/г) вычисляли по формуле

где си и ск – исходная и конечная концентрации металла в растворе, мг/л; V – объем раствора, л; m – навеска адсорбента, г.

Известно, что на величину сорбции значительное влияние оказывает кислотность среды. В ходе эксперимента было установлено, что максимальная адсорбция ионов железа (II) углеродными сорбентами ИПИ-Т происходит в слабокислой среде при рН=3,9 [4]. Максимальная величина адсорбция ионов железа (III) из сточных вод достигается при рН=1,79 [5]. Дальнейшее изучение сорбции продили при оптимальном значении  рН.

При изучении сорбции в динамических условиях ионов железа (II)  установлено, что время защитного действия сорбента ИПИ-Т составляет два часа, далее в течение часа концентрация ионов железа (II) за слоем адсорбента остается в пределах ПДК. Время защитного действия сорбента ИПИ-Т при сорбции ионов железа (III) составило чуть меньше двух часов. При этом время, в течение которого концентрация вещества в фильтрате изменяется от концентрации адсорбата при допустимом проскоке, соответствующем  концентрации для ионов железа (II) и (III) в пределах ПДК до начальной концентрации составило около 6 часов.

При изучении адсорбции в статических условиях, по изотермам сорбции линейной формы уравнения БЭТ определена предельная сорбционная емкость монослоя углеродного сорбента ИПИ-Т: для ионов железа (II) - А∞ = 0,052 ммоль/кг; для ионов железа (III) - А∞ = 0,021 ммоль/кг.

Сорбционный метод извлечения металлов экономически целесообразен лишь при условии многократного использования сорбентов. Поэтому, регенерация углеродных сорбентов является одним из основных вопросов, возникающих при сорбционном извлечении металлов из сточных вод. Целью регенерации является, с одной стороны, десорбция адсорбированных ионов, или их деструктивное удаление и, с другой стороны, восстановление адсорбционной способности сорбента. В работе изучена регенерация углеродного сорбента ИПИ-Т, насыщенного ионами железа (II) и (III), методом химической обработки. Ёмкость насыщенного сорбента ИПИ-Т по железу (II) составила – 3,41 мг/г, и по железу (III) – 1,16 мг/г. Процесс десорбции насыщенного сорбента ИПИ-Т ионами железа (II) и (III) (масса навесок – 0,5 г) проводили растворами соляной кислоты (объём кислоты – 40 мл) различной концентрации в статических условиях, время регенерации составило 120 минут, полученные результаты в табл. 1.

Таблица 1

Результаты регенерации сорбента ИПИ-Т соляной кислотой при 298 К

Разбавле-ние НСl

Концентрация НСl,

ионы железа (II)

ионы железа (III)

%

моль/л

Концентрация в элюате, мг/л

Степень десорбции, %

Концентрация в элюате, мг/л

Степень десорбции, %

1:2

12,0

3,2

18,3

21,3

3,4

31,6

1:4

7,2

1,9

19,4

21,1

6,1

56,3

1:6

5,1

1,4

20,0

21,8

6,4

59,2

1:8

4,0

1,1

18,8

20,6

7,5

69,5

1:10

3,3

0,87

21,1

23,1

7,6

70,5

1:12

2,8

0,74

21,7

23,7

9,2

85,6

1:14

2,4

0,64

24,0

26,2

7,7

71,5

1:16

2,1

0,56

24,3

26,5

7,3

68,0

1:18

1,9

0,51

22,9

25,0

6,2

57,7

1:20

1,7

0,46

22,3

24,3

4,1

37,7

Из данных табл. 1 следует, что лучшего всего десорбция углеродного сорбента ИПИ-Т происходит при использовании 0,56 М раствора соляной кислоты для ионов железа (II), а  десорбция ионов железа (III) - при использовании 0,74 М раствора.  Проведение 4 циклов «сорбция-десорбция» показало снижение сорбционной активности углеродного сорбента ИПИ-Т примерно на 4%.

Литература:

1.    Патент. 2098176 РФ. Способ получения углеродного сорбента. / Леонов С.Б. и др. – Опубл.10.12.97.

2.    Васильев В.П. Аналитическая химия.   ̶  М.: Дрофа, 2002. 366 с.

3.    Алесковский В.Б. Физико-химические методы анализа. – Л.: Химия, 1988-367с.

4.    Филатова Е.Г., Дударев В.И., Сырых Ю.С., Нгуен Нгок Ань Туан. // Ж. Водоснабжение и санитарная техника, 2010.- № 8 - С. 42- 46.

5.    Помазкина О.И., Филатова Е.Г., Дударев В.И., Сырых Ю.С. // Ж. Вестник ИрГТУ, 2011.- № 2 - С. 156-158.