СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/46 C02F1/465 C02F101/20 

Изобретение относится к способам и устройствам для очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов, в частности от кадмия Cd²⁺, никеля Ni²⁺, цинка Zn²⁺, меди Cu²⁺, хрома Cr³⁺, железа Fe²⁺, Fe³⁺, и может быть использовано на предприятиях машиностроения, приборостроения, черной и цветной металлургии, радиоэлектроники, электротехнической промышленности, имеющих гальванические производства для создания систем водоочистки и оборотного водоснабжения.

Известен способ очистки сточных вод, содержащих эмульгированные и суспендированные примеси, включающий электрофлотацию в аппарате с перфорированными электродами и предварительную электрообработку с использованием нерастворимых анодов (SU, Авторское свидетельство №966025, C02F 1/46, 1982). Указанный способ не обеспечивает высокую степень очистки от ионов цветных и тяжелых металлов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов и устройство для его осуществления, включающий электрохимическую нейтрализацию при объемной плотности тока в катодной камере 0,4-10 А/л и последующую электрофлотационную обработку при объемной плотности тока, составляющей 0,2-0,6 от плотности тока в катодной камере. Устройство для очистки сточных вод от ионов металлов содержит корпус, разделенный на секции предварительной электрообработки воды и электрофлотационной очистки с размещенными в ней комплектом нерастворимых горизонтальных электродов, патрубки для подачи сточной воды и отвода очищенной воды и приспособление для отвода шлама, секция предварительной электрообработки выполнена в виде диафрагменного электролизера с использованием анионообменной мембраны, при этом патрубок ввода сточной воды расположен в нижней части катодной камеры, и последняя расположена на одном уровне с секцией электрофлотационной очистки и отделена от нее переливной перегородкой с высотой 0,3-0,8 от высоты секции электрофлотационной очистки, а анодная камера снабжена патрубками для ввода и вывода электролита, причем соотношение объемов анодной, катодной камер и секции электрофлотационной очистки составляет 1:2-4:7-15 соответственно (SU, Авторское свидетельство №1675215, C02F 1/46, 1991).

Указанный способ и устройство не обеспечивает высокую степень очистки от ионов цветных и тяжелых металлов. Этот способ и устройство выбраны за прототип.

Задачей данного изобретения является разработка способа и устройства для очистки сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов, позволяющих повысить степень очистки.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе после электрохимической нейтрализации воды в очищаемую воду дополнительно вводят реагент: органическое вещество N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид при массовом соотношении извлекаемого металла к введенному веществу 1:(0,002-0,003).

Действие N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида сводится к адсорбционной перезарядке поверхности газовых пузырьков водорода и к возникновению электростатических сил притяжения между противоположно заряженными частицами гидроксидов металлов и пузырьками, а также к уменьшению размера пузырьков и скорости их всплытия, что приводит к повышению эффективности столкновения частиц и пузырьков и образованию флотокомплексов частица-пузырек, т.е. интенсифицируется флотационная составляющая, что повышает степень очистки воды от металлов.

Способ осуществляют с помощью устройства, представленного на рисунке.

Устройство состоит из корпуса 1, разделенного переливной перегородкой 2 на секции предварительной электрообработки и электрофлотационной очистки с размещенным в ней комплектом нерастворимых горизонтальных электродов 3. Корпус устройства оборудован патрубками 4, 5, 12 соответственно для ввода сточной воды и отвода очищенной воды, ввода раствора реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида и приспособлением 6 для сбора и вывода флотошлама. Секция предварительной электрообработки представляет собой катодную камеру диафрагменного электролизера и обеспечивает разделение продуктов электродных реакций с помощью анионообменной мембраны 7, отделяющей катодную камеру от анодной.

Анодная камера снабжена вертикальным нерастворимым электродом (анодом) 8 и патрубками 10 и 11 соответственно для ввода щелочной очищенной воды и вывода нейтрализованной воды.

Катодная камера снабжена вертикальным нерастворимым электродом (катодом) 9 и патрубком 4 ввода сточной воды, который расположен в нижней части катодной камеры, последняя расположена на одном уровне с секцией электрофлотационной очистки.

После катодной камеры диафрагменного электролизера расположена камера смешения, образованная тремя вертикальными переливными перегородками 2, 13 и 14 и снабженная патрубком 12, расположенным в нижней ее части, и предназначенным для ввода раствора реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида. Перегородка 13 имеет зазор между дном аппарата и ее нижней кромкой для протока сточной воды. Две последние перегородки 13 и 14 по ходу движения очищаемой воды, изготавливают из электропроводного материала и используют в качестве электродов, для обеспечения дополнительной генерацию газовых пузырьков. Перегородку 13 используют в качестве оксидно-рутениевотитанового анода, а перегородку 14 - в качестве катода из нержавеющей стали соответственно.

Устройство снабжено трубопроводом 15, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера.

Устройство работает следующим образом. Сточная вода с pH 5-7, содержащая ионы одного из металлов: Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, при концентрации 10-500 мг/л подается через патрубок 4 в катодную камеру диафрагменного электролизера. В результате электролиза на катоде 9 происходит реакция разряда молекул воды сопровождающая выделением пузырьков водорода и образованием гидроксил-ионов, что обеспечивает подщелачивание воды до величины pH 8-10, при которой происходит образование частиц гидроксида металла. Одновременно происходит флотация частиц пузырьками водорода.

Далее сточная вода переливается через перегородку 2 и поступает в камеру смешения. При движении вверх между перегородками 13 и 14 сточная вода смешивается с раствором реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлоридом, поступающим через патрубок 12.

Из камеры смешения сточная вода переливается через перегородку 14 в секцию электрофлотационной очистки, где частицы гидроксидов металлов извлекаются на поверхность воды за счет работы электродного блока 3, генерирующего газовые пузырьки водорода и кислорода.

В секции электрофлотационной очистки обеспечивается нисходящее движение воды с ее отводом из-под электродного блока 3. При этом наблюдается дополнительный эффект очистки, связанный с фильтрацией воды через плотный фильтр электролитических пузырьков.

Перегородки 13 и 14, используемые в качестве электродов, обеспечивают дополнительную генерацию газовых пузырьков кислорода и водорода соответственно.

Очищенная вода от частиц гидроксидов металлов с pH 8-10 вытекает из секции электрофлотационной очистки через патрубок 5 и по трубопроводу 15, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера, поступает в нее через патрубок 10. В анодной камере на аноде 8 в результате разряда гидроксил-ионов происходит образование молекулы воды и выделение кислорода что сопровождается нейтрализацией pH до величины 6,5-7,0. Нейтрализованная и очищенная вода выводится из установки через патрубок 11.

Всплывшая в процессе электрофлотации на поверхность воды катодной камеры и секции электрофлотационной очистки, включая камеру смешения, дисперсная фаза загрязнений в виде гидроксидов металлов формируется в пенный слой (флотошлам), который удаляется с поверхности воды, приспособлением 6.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример. Расход очищаемой воды 10 л/ч. Объемная плотность тока в катодной камере электролизера составляет 0,45 А/л, в секции электрофлотационной очистки 0,2 А/л, что составляет 0,44 от плотности тока в катодной камере. Соотношение иона никеля к вводимому реагенту N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид составляет 1:0,002.

Сточная вода, содержащая ионы Ni²⁺ в концентрации 50 мг/л при pH 5, подается через патрубок 4 в катодную камеру диафрагменного электролизера. В результате электролиза на катоде 9 происходит реакция разряда молекул воды сопровождающая выделением пузырьков водорода и образованием гидроксил-ионов, что обеспечивает нейтрализацию (подщелачивание) воды до величины pH 10, при которой происходит образование частиц гидроксида никеля (2OH^- + Ni²⁺ = Ni(OH)₂). Одновременно происходит флотация частиц пузырьками водорода.

Далее сточная вода переливается через перегородку 2 и поступает в камеру смешения, где смешивается с раствором реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлоридом, поступающим через патрубок 12.

Из камеры смешения сточная вода переливается через перегородку 14 в секцию электрофлотационной очистки, где частицы гидроксида никеля извлекаются на поверхность воды за счет работы электродного блока 3, генерирующего газовые пузырьки водорода и кислорода.

Очищенная вода от частиц гидроксида никеля с pH 10 вытекает из секции электрофлотационной очистки через патрубок 5 и по трубопроводу 15, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера, поступает в нее через патрубок 10. В анодной камере на аноде 8 в результате разряда гидроксил-ионов происходит образование молекулы воды и выделение кислорода что сопровождается нейтрализацией (подкислением) воды pH до величины 7,0. Нейтрализованная и очищенная вода выводится из установки через патрубок 11.

Флотошлам в виде гидроксида никеля удаляется с поверхности воды катодной камеры и секции электрофлотационной очистки, включая камеру смешения приспособлением 6.

Очищенную воду анализируют на содержание никеля методом атомно-адсорбционной спектроскопии. Степень очистки от никеля составляет 99,99%, что соответствует остаточной концентрации 0,005 мг/л.

Аналогичные опыты проводят при соотношении иона никеля к вводимому реагенту 1:0,001, 1:0,003, 1:0,004. Аналогичные опыты как в примере 1 проводят в присутствии ионов, Cd²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺. Условия проведения экспериментов и полученные результаты сведены в табл.1.

ТАБЛИЦА 1 Выделяемый гидроксид металла, концентрация 50 мг/л Степень очистки от металлов, % при различных соотношениях металла к N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид 1:0,001 1:0,002 1:0,003 1:0,004 Cd²⁺ 99,60 99,99 99,99 99,63 Ni²⁺ 99,69 99,99 99,99 99,56 Cu²⁺ 99,59 99,99 99,99 99,48 Zn²⁺ 99,71 99,99 99,99 99,58 Cr³⁺ 99,68 99,99 99,99 99,72 Fe²⁺ 99,82 99,99 99,99 99,86 Fe³⁺ 99,76 99,99 99,99 99,99

Максимальная степень очистки от металлов 99,99% достигается при массовом соотношении извлекаемого металла к введенному веществу N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид 1:(0,002-0,003). В зоне низких и высоких соотношений знаки зарядов частиц и пузырьков совпадают, и электрофлотация протекает менее эффективно. В зоне промежуточных соотношений заряд частиц отрицателен, а пузырьков водорода положителен, что приводит к повышению степени очистки.

Сравнительные результаты эффективности известного и предлагаемого способов представлены в табл.2.

ТАБЛИЦА 2 Способ очистки Степень очистки от металлов, % Cd²⁺ Zn²⁺ Ni²⁺ Cu²⁺ Cr³⁺ Fe³⁺ Fe²⁺ Известный 99,90 99,90 99,55 99,88 99,80 99,80 99,80 Предлагаемый 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99

Как видно из табл.2, предлагаемые способ и устройство обеспечивают достижение высокой степени очистки 99,99%, что на 0,09-0,44% больше, чем в известных.

Изобретение относится к области электрохимической очистки сточных вод, содержащих ионы цветных и тяжелых металлов, и может быть использовано на предприятиях машиностроения, приборостроения, черной и цветной металлургии, радиоэлектроники, электротехнической промышленности, имеющих гальванические производства, для создания систем водоочистки и оборотного водоснабжения. Сточную воду, содержащую ионы цветных и тяжелых металлов, в частности ионы кадмия Cd²⁺, никеля Ni²⁺, цинка Zn²⁺, меди Cu²⁺, хрома Cr³⁺ и железа Fe²⁺, Fe³⁺, подвергают электрохимической нейтрализации, после чего в очищаемую воду вводят N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид при массовом соотношении извлекаемого металла к введенному веществу 1:(0,002-0,003), после чего проводят электрофлотационную обработку. Устройство содержит корпус, разделенный на секции предварительной электрообработки в виде катодной камеры диафрагменного электролизера и электрофлотационной очистки. Устройство снабжено трубопроводом, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера, при этом анодная камера снабжена патрубками для ввода щелочной очищенной воды и вывода нейтрализованной воды. Устройство снабжено камерой смешения, расположенной после катодной камеры диафрагменного электролизера, образованной тремя вертикальными переливными перегородками, при этом две последние перегородки по ходу движения очищаемой воды изготавливают из электропроводного материала и используют в качестве электродов. Камера смешения снабжена патрубком, расположенным в нижней ее части, предназначенным для ввода раствора реагента N,N-Диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида. Изобретение обеспечивает повышение степени очистки воды от ионов цветных и тяжелых металлов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 1 пр.

1. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов, включающий электрохимическую нейтрализацию и электрофлотационную обработку, отличающийся тем, что после электрохимической нейтрализации в очищаемую воду вводят N,N-диметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорид при массовом соотношении извлекаемого металла и введенного вещества 1:(0,002-0,003).

2. Устройство для очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов, содержащее корпус, разделенный на секции предварительной электрообработки в виде катодной камеры диафрагменного электролизера и электрофлотационной очистки, отличающееся тем, что устройство снабжено трубопроводом, соединяющим секцию электрофлотационной очистки с анодной камерой диафрагменного электролизера, при этом анодная камера снабжена патрубками для ввода щелочной очищенной воды и вывода нейтрализованной воды и камерой смешения, расположенной после катодной камеры диафрагменного электролизера, образованной тремя вертикальными переливными перегородками, при этом две последние перегородки по ходу движения очищаемой воды изготавливают из электропроводного материала и используют в качестве электродов, и снабженной патрубком, расположенным в нижней ее части, предназначенным для ввода раствора реагента N,N-лиметил-N-проп-2-енилпроп-2-ен-1-аминийхлорида.