СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ОТ АНИОНОВ И КАТИОНОВ

Изобретение относится к очистке воды и водных растворов от анионов и катионов и может быть использовано для очистки природных вод, стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности.

Известны способы очистки воды и водных растворов, представляющие собой электрокоагуляционную обработку, обеспечивающие степень очистки 90-95% [Смирнов Г.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. М.: Металлургия, 1989. 224 с.]. Их недостатками являются применение постоянного электрического тока, что требует дополнительных устройств преобразования переменного электрического тока, и необходимость аэрирования сточных вод после электрокоагуляционной обработки до их осветления.

Известны способы коагуляционной очистки воды и водных растворов, осуществляемые путем добавления в раствор комплексообразователя с последующим отстаиванием [Смирнов Г.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. М.: Металлургия, 1989. 224 с.; Технические записки по проблемам воды / К.Барак [и др.]; под ред. Т.А.Карюхиной, И.Н.Чурбановой. М.: Стройиздат, 1983. 607 с.]. Недостатком этих способов является большой расход реагентов и невысокая степень очистки.

Известен способ очистки воды и водных растворов от ионов металлов путем электролиза с использованием нерастворимых электродов при наложении переменного синусоидального напряжения [Способ электрохимической очистки воды и водных растворов от ионов тяжелых металлов. Авт. Св. СССР №1724591, кл. C02F 1/46, 1991]. Этот способ взят за прототип. Главный недостаток данного способа - невысокая степень очистки и значительные энергозатраты (1,5-2 (кВт·ч)/м³).

Задача изобретения - повышение степени очистки и снижение удельных энергозатрат.

Это достигается тем, что очистку воды и водных растворов переменным асимметричным током проводят электролизом с использованием пар нерастворимых разнородных электродов и барботированием раствора воздухом, после чего вводят в раствор комплексообразователь и проводят отстаивание.

В качестве комплексообразователя применяют соль железа двухвалентного FeSO₄ [Гликина Ф.Б. Химия комплексных соединений: учеб. пособие для вузов. М.: Просвещение, 1982. 160 с.]. Соотношение начальных концентраций комплексообразователя и очищаемого иона - 5:1.

Барботирование очищаемого раствора проводят при условии, что диаметр пузырьков воздуха должен быть больше расстояния между электродами.

Время отстаивания водного раствора 8 суток.

Экспериментальные данные показали, что дальнейшее повышение соотношения начальных концентраций и времени отстаивания не приводит к существенному увеличению степени очистки, а при соотношении начальных концентраций меньше 5:1 и времени отстаивания менее 8 суток степень очистки значительно ниже. При барботировании раствора воздухом, если диаметр пузырьков меньше расстояния между электродами, степень очистки уменьшается.

Для реализации предлагаемого способа процесс очистки проводят в электролизере из чередующихся электродов, выполненных в виде пластин. Материал электродов: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0. Температура воды 20-25°C. Расстояние между электродами 12 мм. Объем заливаемого водного раствора 1 литр. Продолжительность электролиза 10 минут при силе тока 0,5 А и напряжении на клеммах электродов 4,1 В.

Обработке подвергались водные растворы, содержащие ионы кадмия (II), меди (II), никеля (II) и хрома (VI). Начальная концентрация каждого иона в растворе 0,5 мг/л.

Пример 1. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO₄. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 8 суток.

Степень очистки определялась по формуле, %:

где С_o, С_к - начальная и конечная концентрации очищаемого иона металла, мг/л.

Удельные энергозатраты W определялись по формуле, (кВт·ч)/м³:

где I - сила тока, А;

U - напряжение на клеммах электродов, В;

τ - продолжительность электролиза, ч;

V - объем заливаемого водного раствора, м³;

10^-3 - переводной коэффициент из Вт в кВт.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=34,44%, для кадмия Y_Cd=63,44%, для меди Y_Cu=99,56%, для хрома Y_Cr=99,98% и для железа Y_Fe=99,28%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.

Пример 2. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO₄. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 6:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 12 мг/л. Время отстаивания 8 суток.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=34,62%, для кадмия Y_Cd=63,74%, для меди Y_Cu=99,63%, для хрома Y_Cr=99,99% и для железа Y_Fe=99,88%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.

Пример 3. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO₄. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 2,5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 5 мг/л. Время отстаивания 8 суток.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=24,23%, для кадмия Y_Cd=46,75%, для меди Y_Cu=81,23%, для хрома Y_Cr=74,32% и для железа Y_Fe=92,21%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.

Пример 4. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO₄. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 10 суток.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=35,24%, для кадмия Y_Cd=64,22%, для меди Y_Cu=99,16%, для хрома Y_Cr=99,98% и для железа Y_Fe=99,58%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.

Пример 5. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков больше расстояния между электродами (>12 мм). После электролиза вводился комплексообразователь FeSO4. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 4 суток.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=29,17%, для кадмия Y_Cd=51,24%, для меди YC_u=91,76%, для хрома Y_Cr=86,88% и для железа Y_Fe=99,18%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.

Пример 6. Электролизу подвергался водный раствор при параметрах, указанных выше, с барботированием воздухом. Барбатирование раствора проводилось при условии, что диаметр пузырьков равен 3 мм. После электролиза вводился комплексообразователь FeSO₄. Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и очищаемого иона составляло 5:1. Начальная концентрация иона-комплексообразователя в растворе была равна 10 мг/л. Время отстаивания 8 суток.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=26,93%, для кадмия Y_Cd=52,44%, для меди Y_Cu=84,79%, для хрома Y_Cr=77,83% и для железа Y_Fe=99,3%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.

Количественный анализ ионов, содержащихся в водном растворе после очистки, проводился на масс-спектрометре Agilent 7500 ICP-MS.

Результаты опытов по очистке раствора от хрома (VI) по сравнению с прототипом приведены в таблице .

Экспериментальные данные показали, что максимальная степень очистки достигается при электролизе воды и водных растворов барботированием воздухом с диаметром пузырьков больше межэлектродного расстояния, введением комплексообразователя - соли железа двухвалентного (FeSO₄), в соотношении 5:1 и отстаиванием раствора в течение 8 суток. При этом степени очистки водного раствора равны: для никеля Y_Ni=34,44%, для кадмия Y_Cd=63,44%, для меди Y_Cu=99,56%, для хрома Y_Cr=99,98% и для железа Y_Fe=99,28%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м³.