Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА

Изобретение относится к очистке промышленных стоков, в частности хромсодержащих сточных вод, от токсичных соединений шестивалентного хрома и может найти применение в гальванических и других производствах, имеющих хромсодержащие стоки.

Известен способ очистки хромсодержащих сточных вод (пат. РФ №2025467, опубл. 1994.12.30), включающий их пропускание через слой железосодержащих отходов и обработку газовым компонентом, в котором стоки с рН 2,0-4,0 пропускают при аэрации металлического слоя воздухом с часовым расходом 192 дм³ и линейной скоростью пропускания шестивалентного хрома 1920-3460 мг/ч^-1 на 1 дм³ металлических отходов. Недостатком известного способа является необходимость использования высокопроизводительных насосных агрегатов для пропускания через слой металлических отходов сточных вод и газовых компонентов с высокой линейной скоростью, что приводит к значительным энергозатратам и высокой стоимости очистки. Кроме того, для используемого реактора, работающего под высоким давлением, необходим корпус повышенной прочности, что также приводит к увеличению затрат на очистку.

Известен способ восстановления хрома (VI) в сточных водах (а.с. СССР №1514815, опубл. 1989.10.15), включающий смешивание хромсодержащего раствора с раствором кислоты в слое стружки из отходов графитизированного чугуна с подачей кислоты снизу вверх, при этом смешивание хромсодержащей сточной воды производят с восходящим потоком раствора кислоты в слое стружек. В качестве раствора кислоты может быть использована часть исходной хромсодержащей воды, подкисленной в анодной камере диафрагменного электролизера с нерастворимым анодом, при этом через подкисленную в анодной камере электролизера хромсодержащую сточную воду перед подачей ее в слой стружек пропускают водород, полученный в катодной камере электролизера. К недостаткам известного способа относятся недостаточно высокая степень очистки стоков от соединений шестивалентного хрома, а также значительные энергозатраты, многоступенчатость и продолжительность процесса очистки.

Известен описанный в патенте Румынии №127099, опубл. 2012.02.28, способ очистки сточных вод, содержащих шестивалентный хром в количестве 1-100 мг/л, в соответствии с которым для восстановления шестивалентного хрома до трехвалентного сточные воды приводят во взаимодействие с железной стружкой (или опилками) на 1-2 часа при значении рН 2-2,5, затем помещают в емкость, куда добавляют 30% раствор NaOH до значения рН 8,3 и оставляют на 5 часов. Достигнутая степень очистки стоков позволяет сливать их в канализационную систему. Недостатком известного способа является недостаточная эффективность процесса очистки, не позволяющая обрабатывать сточные воды с содержанием хрома (VI) свыше 100 мг/л, и его значительная продолжительность.

Наиболее близким к заявляемому является способ очистки сточных вод от ионов шестивалентного хрома (пат. Украины №70644, опубл. 2004.10.15), включающий их обработку в подкисленной среде (рН 1,65-2,0) в проточной системе путем осаждения на дисперсном железосодержащем рабочем теле, а именно на специально изготовленных железных иглах, в постоянном магнитном поле напряженностью 40-560 кА/м в течение 50-60 с, при этом скорость пропускания сточных вод высчитывают по формуле в зависимости от параметров рабочей камеры.

Известный способ не обеспечивает достаточно высокой эффективности очистки сточных вод, что обусловлено условиями их взаимодействия с неподвижным рабочим телом, в большинстве случаев не обеспечивающими быстрого и одновременно полного протекания химических реакций. Скорость пропускания сточных вод определяют по формуле, не учитывающей величину концентрации в них ионов Cr⁶⁺, непостоянную как в любых отходах, при этом завышенная скорость приводит к снижению степени извлечения Cr⁶⁺, a заведомое уменьшение скорости пропускания является нерациональным из-за увеличения продолжительности процесса очистки. Энергоемкость известного способа определяется необходимостью непрерывной работы насосных агрегатов, а его аппаратурное оформление осложняется наличием регулирующих устройств, поддерживающих заданную скорость пропускания сточных вод, а также оборудования для загрузки и выгрузки отработанных железных игл.

Наиболее близким к заявляемому является способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (а.с. SU №1761686, опубл. 1992.09.15), включающий взаимодействие содержащих соединения шестивалентного хрома сточных вод со смесью суспензии монокристаллов высокодисперсного (0,05-0,1 мкм) железа дендритообразной структуры с диспергированным угольным порошком в присутствии намагниченных сферических частиц, преимущественно спеченного гексаферита бария, в псевдоожиженной среде при одновременном воздействии переменного магнитного поля с осаждением соединений трехвалентного хрома.

Известный способ требует предварительного получения высокодисперсного железа путем электролитического восстановления соляно- или сернокислых растворов после травления стали, осуществляемого для повышения дисперсности железа в двухфазной среде, включающей слой органических веществ, либо путем плазменно-физического диспергирования, что усложняет способ и увеличивает расход электроэнергии, к тому же способ неосуществим без использования дополнительных реагентов (намагниченных сферических частиц гексаферита бария, угольного порошка), что также увеличивает расходы на проведение очистки сточных вод. Кроме того, движение намагниченных частиц гексаферита бария в магнитном поле с постоянным значением напряженности не обеспечивает достаточной интенсификации реакции взаимодействия соединений шестивалентного хрома с железосодержащим реагентом.

Задачей изобретения является создание эффективного и экономичного способа очистки хромсодержащих сточных вод от соединений шестивалентного хрома.

Техническим результатом изобретения является сокращение продолжительности процесса за счет повышения скорости и полноты протекания реакций и повышение экономичности способа за счет его упрощения, снижения трудозатрат, расхода электроэнергии и реагентов.

Указанный технический результат достигают способом очистки сточных вод от соединений шестивалентного хрома, включающим их взаимодействие с содержащим железо дисперсным реагентом при одновременном воздействии создаваемого электромагнитом магнитного поля с получением нерастворимого осадка, в котором, в отличие от известного, в качестве содержащего железо дисперсного реагента используют дробленую железную либо стальную стружку, воздействие осуществляют управляемым магнитным полем, направление вектора напряженности которого меняют путем периодического изменения полярности тока в обмотках электромагнита, а величиной напряженности управляют, изменяя силу тока в его обмотках, при этом осадок гидроксида хрома Cr(ОН)₃ получают, нейтрализуя прореагировавшую смесь щелочью.

Способ осуществляют с помощью реактора, схематично показанного на чертеже и включающего выполненный из пластмассы корпус 1 в виде размещенного горизонтально цилиндра, который с торцевых сторон снабжен подающими и выводящими патрубками: в верхней части одного торца он снабжен патрубком 2 для подачи сточных вод и патрубком 3 для подачи химических реагентов, а в нижней части другого торца - патрубком 4 для слива очищенной воды и вывода жидкой суспензии полученных гидроксидов. Кроме того, с двух противоположных торцевых сторон корпуса 1 выполнены загрузочное 5 и разгрузочное 6 окна для дисперсного железосодержащего рабочего тела (железной стружки). Для создания управляемого переменного магнитного поля служат снабженные управляющей электронной схемой (на чертеже не показана) электромагниты (индукторы) 7, размещенные в определенном порядке на рассчитанном расстоянии друг от друга на внешней поверхности реактора 1.

Способ осуществляют следующим образом.

Кислые сточные воды, содержащие ионы шестивалентного хрома, например, отработанный электролит хромирования, заливают в пластиковый реактор 1 с предварительно загруженной железной дробленой стружкой и приводят в действие электромагниты (индукторы) 7, создающие магнитное поле, которое способно перемещать железное рабочее тело в направлении оси электромагнита, выполненного в виде соленоида (катушки с обмоткой).

При протекании электрического тока в обмотке соленоида возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с железным рабочим телом по известному «правилу буравчика», втягивая либо выталкивая его в направлении оси соленоида в зависимости от направления тока в обмотке. Путем периодического изменения полярности тока в обмотках размещенных снаружи реактора 1 электромагнитов 7 вызывают перемещение железного рабочего тела «взад-вперед» в направлении, параллельном осям соленоидов, при этом интенсивность взаимодействия рабочего тела с магнитным полем, зависящую от напряженности последнего, регулируют за счет изменения силы тока в обмотках.

Таким образом, с помощью управляемого переменного магнитного поля обеспечивают интенсивное механическое перемешивание и распределение по всему объему реактора мелкодисперсной дробленой железной стружки и создание эффективного рабочего тела в виде «облака» движущихся взвешенных дисперсных частиц, которые вдобавок разогреваются за счет индукционных токов, наведенных индукторами 7. Образующие рабочее тело дисперсные частицы железа, в силу своих малых размеров, нагреваются незначительно, однако наблюдающегося повышения температуры реакционной смеси достаточно для ускорения химической реакции.

Значительное увеличение эффективной площади взаимодействия сточных вод с дисперсным рабочим телом и повышение температуры реакционной смеси обеспечивают увеличение скорости и полноты протекания химической реакции между соединениями шестивалентного хрома и соединениями железа с образованием солей трехвалентного хрома. После нейтрализации прореагировавшего содержимого реактора раствором щелочи получают осадок гидроксида хрома Cr(ОН)₃ в виде суспензии гидроксида хрома и очищенной воды.

По окончании процесса очистки, время протекания которого зависит от объема и концентрации очищаемых стоков, с помощью магнитного поля электромагнитов-индукторов выводят использованное рабочее тело (дробленую железную стружку) из реактора через разгрузочное окно 6.

В предлагаемом способе в качестве реактора могут быть задействованы недорогие цилиндрические пластиковые емкости (трубы большого диаметра), в качестве рабочего тела - отходы механической обработки железа и стали, к тому же он не требует получения и применения дополнительных реагентов, что имеет немаловажное значение для практического осуществления способа.

Примеры конкретного осуществления способа

Пример 1

Сточную воду гальванического производства в количестве 5 литров, содержащую ионы Cr(VI) с концентрацией 100 мг/л при pH 1,5, обрабатывают в течение 5 мин в реакторе с мелкодробленой стальной стружкой марки Ст3 в управляемом переменном магнитном поле с использованием 6 электромагнитов. Добавляют раствор NaOH до значения pH 7.

Содержание в очищенной воде ионов Cr(VI) составляет 0,015 мг/л. Полученный осадок содержит около 50% гидроксида хрома, остальное преимущественно составляет гидроксид трехвалентного железа.

Пример 2

Раствор кислых сточных вод (5 л), содержащих ионы Cr(VI) с концентрацией 50 мг/л при pH 2, обрабатывают по примеру 1 в течение 3,5 мин, используя дробленые железные стружки, затем нейтрализуют раствором Ca(ОН)₂ (до pH 7).

Содержание в очищенной воде ионов Cr(VI) составляет 0,010 мг/л. Полученный осадок содержит около 35% гидроксида хрома.