Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов Советский патент 1993 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к области очистки; Сточных воД, содержащих ионы тяжелых металлов, и может быть использовано при очистке промывных вод гальванических производств.

Цель изобретения - повышение эффективности использования воды и электролитов в гальваническом производстве, получение экологически чистого замкнутого цикла.

При таком способе процесс очистки идёт непрерывно (при одной полярности электродов - осаждение металла на электрод в первой камере и фильтрация воды в дополнительную камеру, при этом во второй камере происходит элюирование ранее осажденного металла в раствор, в виде ионов, при изменении полярности - в первой камере происходит элюирование металла в виде ионов в раствор, а во второй электроосаждение ионов на электроде и фильтрация).

При этом повышается эффективность использования воды и электролита, обеспечивается экологически чистый замкнутый цикл, т.к. очищенная вода возвращается ни промывку, а концентрированный раствор электролита - в ванну гальванопокрытия, ионы тяжелых металлов не попадают в окружающую среду..

В зависимости от исходной концентрации ионов тяжелых Металлов в пределах 15- 250 мг/л и рН 2-5, характерных для сточных вод гальванического производства, выбирается плотность тока в пределах 0,05-0. f5 А/дм2 и скорость циркуляции 30-90 ч). При более низкой, чем 0,05 А/дм2, плотности тока слишком мала-скорость выделения- металла на катоде и будет мала степень очистки. При плотности тока, большей 0,15

ОЭ О

3

/дм2, на катоде совместно с металлом наинается интенсивное выделение водорода.

Меп+ +

2H+ + 2e H2t.

При этом падает выход по току металла , следовательно, эффективность очистки. роме того, указанные параметры по току е вызывают растворение электродов из поистого титана.

При малой скорости циркуляции ( 30 /{м2- ч))степень очистки высока, но резко растет длительность обработки, При высо- кой скорости циркуляции ( 90 л/(м ч|)даже при максимально допустимой плотности тока сточные воды не успевают очищаться от ионов тяжелых металлов до допустимых значений.

Большая удельная поверхность и высокая пористость (до 50%) титанового электрода обеспечивай практическое отсутствие диффузионных ограничений при электролизе и достаточную скорость фильтрации. Кроме того, пористые титановые электроды обладают более высокой, электропроводностью, по сравнению с электродами из активированного угля, углеродного волокна или войлока. В выбранном диапазоне плотности тока такие электроды без специальной обработки успешно работают как в качестве катода, так и нерастворимого анода.

В то время, как на титановом пористом катоде происходит выделение из сточных вод тяжелых металлов, на совершенно идентичном пористом титановом аноде при отсутствии циркуляции во второй камере идет растворение тяжелого металла, накоп- лекного на электроде в предыдущем цикле, когда анод был катодом. При этом в связи с -отсутствием циркуляции концентрация ионов металла во второй камере возрастает и достигает значений нескольких граммов в литре, что позволяет по окончании цикла, отключив ток, слить концентрированный раствор и вернуть его в гальваническую ванну. После этого производится переключение циркуляции очищаемой сточной воды на опорожненную камеру, перекрывается циркуляция в первой, делается изменение-полярности электродов. Бывший анод становится катодом, а катод - анодом, и процесс продолжается. При этом полностью исключаются потери тяжелых металлов, загрязнение окружающей среды. Вода, очищенная в катодной камере от ионов тяжелых металлов до концентрации 5-7 мг/л, возвращается в промывную ванну, где снова используется для промывки деталей. В зависимости от исходной концентрации ионов тяжелых металлов в промывной воде

и условий электролиза (плотности тока, скорости циркуляции) нужная степень очистки может быть достигнута как.за один проход очищаемой сточной воды через катодную камеру, так и за несколько. В .этом случае организуется рециркуляция до достижения допустимой остаточной концентрации ионов металла. Необходимо отметить, что в процессе электролиза рН в катодной камере 0 растет, что может вызвать выпадение гидро- ксидов ряда металлов. Однако, это практически не мешает очистке, т.к. гидроксиды задерживаются фильтрующим электродом, а затем при анодной стадии растворяются 5 вместе с металлом.

Способ поясняется чертежом, на котором приведено устройство для реализации способа, где:

1,2 - титановые пористые электроды; 0 3 -диафрагма;

4, 5 - электродные камеры; В, 7 - камеры очищенной воды; 8, 9 - патрубки подвода очищаемой во- ды:

510, 11 - патрубки для слива очищенной воды; . . 12, 13 - запорные вентили; И, 15-вентилидля слива концентрированного раствора;

0 16 - переключатель полярности электродов;

17 - источник постоянного тока;

18 - двухходовой кран; 19-сборный бак; 5 20 - центробежный насос;

21 - напорный бак;

22 - трубопровод подачи воды. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов осуществляется следую0 щим образом.,

Пример 1. Исходную реальную промывную воду гальванического сернокислого меднения с рН 2,7, концентрацией ионов меди (И) 56 мг/л .и сухим остатком 584 мг/л

5 фильтровали через пористый титановый катод при плотности тока 0,15 А/дм2 и скорости циркуляции 36 л/ijto2- ч).После полной смены воды в катодной камере (50-55 мин) концентрация ионов меди (II) снизилась до

0 7,4 мг/л, а сухой остаток до 280 мг/л, величина рН возросла до 6,8.

Такую воду можно вернуть для промывки деталей после нанесения гальванических покрытий,

5 в анодной камере 5 за это же время концентрация ионов меди (II) возросла до 250 мг/л эр счет растворения с пористого титанового анода меди, выделенной ранее при катодном процессе, а величина рН стала равной 2.5.

После осуществления 12 таких циклов концентрация ионов меди (II) в анодной камере стала 0,59 г/л, объем воды, очищенной в катодной камере, составил 1,88 л со средней остаточной концентрацией ионов меди 6,7 мг/л и сухим остатком 260 мг/л, величина рН 7,1,

Затем ток отключили, слили концентрированный раствор из камеры 5 (объем 150 мл), содержащий 0,59 г/л ионов меди (II). Этот раствор можно вернуть в ванну гальванического меднения для пополнения убыли электролита за счет уноса его с покрытыми деталями. На пористом титановом аноде визуально меди не наблюдалось. Переключили циркуляцию исходной сточной воды на камеру 5, а в камере 4 циркуляцию перекрыли. Сделали переполюсовку электродов, т.е. анод 2 подключили катодом, а катод 1 - анодом и включили ток. Все эти операции занимают 2-3 минуты, так что процесс практически непрерывный. Напряжение на ванне составило в среднем 7,5 В, удельный расход электроэнергии - 6,2 кВт-ч/м сточной воды, степень очистки 88%.

П р и м е р 2. Исходную промывную воду гальванического сернокислого кадмирова- ния с рН 3,0, концентрацией ионов кадмия 75 мг/л и сухим остатком 527 мг/л фильтровали через пористый титановый катод при плотности тока 0,12 А/дм и скорости циркуляции 30 л Дм2- ч).

После двухкратной смены воды в катодной камере 4 концентрация ионов кадмия снизилась до 5,3 мг/л, сухой остаток - до 252 мг/л, величина рН возросла до 7,2. Такая вода вновь пригодна для промывки деталей. .

В анодной .камере 5 за это же время концентрация ионов кадмия возросла до 216 мг/л за счет растворения с пористого титанового анода кадмия, выделенного ранее при катодном процессе, а величина рН стала 2,7.

После осуществления 10 таких циклов концентрация ионов кадмия в анодной камере 5 стала 0,71 г/л, а объем воды, очищенной в катодной камере, составил 1,57 л со средней остаточной концентрацией кадмия 6,2 мг/л и сухим остатком 247 мг/л, величина рН 6,9.

Далее провели операции переключения полярности электродов 1 и 2 и циркуляции, аналогично примеру 1.

Напряжение на ванне составило в среднем 8,7 В, удельный расход электроэнергии 7,1 кВт Ч/м сточной воды, степень очистки 92%.

Аналогичные процессы осуществлялись и Для локальной очистки промывных вод от

ионов других тяжелых металлов - цинка, никеля, кобальта и т.д.

Устройство для реализации способа содержит диэфрагменный электролизер с 5 электродами из пористого титана 1 и Z,диафрагму 3 из термоусаженной перхлорвини- ловой ткани или анионитовой мембраны (например МА-40), разделяющую приэлект- родные пространства, но не препятствую0 щую прохождению электрического тока. Электроды плотно прилегают к стенкам электролизера и образуют электролизные камеры 4 и 5 и камеры очищенной воды 6 и 7. Очищаемая вода поступает в донную

5 часть электролизных камер через патрубки 8 и 9, а очищенная вода отводится из верхней части камер очищенной воды 6, 7 через патрубки 10 и 11. На патрубках 8 и 9 имеются запорные вентили 12 и 13. посредством

0 которых можно перекрывать циркуляцию в любой из электродных камер. В дне электродных камер имеются патрубки с вентилями 14 и 15 Дпя слива концентрированных растворов. Пористые титановые электроды

5 1 и 2 соединены через переключатель полярности 16с источником постоянного тока 17.

Для осуществления процесса очистки воды в несколько Циклов патрубки 10 и 11

0 присоединены к двухходовому крану 18, который может направлять очищенную до необходимой степени воду на технологические нужды, или, если очистка недостаточна, вновь возвращать ее в сбор5 ный бак 19, откуда центробежным насосом 20 подается в напорный бак постоянного уровня 21. Из бака 21.вода самотеком поступает вновь в камерыЗлектролизера за новый цикл очистки через трубопровод 22. В этот

0 же, бак поступает и исходная сточная вода п.еред первым циклом очистки.

Устройство работает следующим образом.

Исходная сточная вода поступает через

5 патрубок 12 в электродную камеру 4. Электрод 1 в это время должен быть подключен катодом (переключатель 16 находится в положении 1). Вода, содержащая ионы тяжелых металлов (например меди),проходит

0 через камеру 4 и фильтруется через пористый титановый катод 1 . в камеру очищенной воды б. При этом на поверхности титанового катода происходит разряд ионов меди по реакции Си2

5 + 2е Си0, а также, вследствие повышения рН в приэлектродном слое до величины больше 6, могут выпадать гидроксиды и основные соли меди, которые задерживаются в порах титанового катода. В камере 10 со- бирается вода, очищенная до концентрации

5-7 мг/л, если в исходной сточной воде концентрация ионов меди не превышала 50 мг/л. Такая вода с помощью двухходового крана 18 может быть возвращена в технологический процесс (на промывку деталей или приготовление растворов). Если степень очистки воды недостаточна, то с помощью того же крана 18 она может быть возвращена на повторный цикл очистки в сборный бак 19.

В то время, как на электроде 1 ш ел катодный процесс осаждения тяжелого металла, на электроде 2, включенном как анод, происходило растворение ранее:накоплен- ного (в катодный период) металла например той же меди по реакции Си°-2е Си2+, Циркуляция в анодной камере 5 отсутствовала, т.к. кран 13 был перекрыт. Таким образом, в анодной камере 5 накапливались ионы меди (II) за счет растворения металлической меди с анода, а также гидроксидов и основных солей из пор анода, т.к. при электролизе анолит подкисляется и величина рН становится равной 2. Наличие диафрагмы и отсутствие циркуляции в анодной камере 5 способствуют накоплению меди. После полного растворения меди с анода (а это происходит, когда в катодной камере 4 пройдет несколько циклов очистки воды -до 10-20 и более), концентрированный раствор из анодной камеры 5 сливается через патрубок с краном 15. Этот раствор имеет высокую концентрацию ионов меди (II) и малый объем (в данных опытах 150 мл) и может быть возвращен в электролизную ванну, где наносятся гальванопокрытия.

Далее производится переключение циркуляции - открывается вентиль 13, закрывается вентиль 12. В этом случае через электродную камеру 5 начнет циркулировать сточная вода, подлежащая очистке, а в электродной камере 4 циркуляция прекращается. Затем с помощью переключателя 16 меняют полярность электродов, переведя его в положение II, при этом электрод 1 станет анодом, а электрод 2 - катодом, и теперь внрвь повторяются все вышеописанные процессы - на электроде 1 пойдет растворение осевшей на катоде в предыдущей серии циклов меди, а на электроде 2 начнется накопление меди.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом характеризуется непрерывно- стью процесса очистки, возможностью .создания безотходного замкнутого производства за счет возврата очищенных

вод на промывку, а сконцентрированных - в технологический процесс. Устройство для реализации способа отличается компактностью и простотой установки, отсутствием движущихся частей, длительностью службы

пористых титановых электродов вследствие высокой коррозионной стойкости титана, возможностью полной автоматизации процесса.

Формулаизобретения

Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов путем электролиза в двухкамерном диафрагменном электролизере, в одной из камер которого в первом цикле из сточной воды осаждают металл на

электроде-катоде, полярность которого в следующем цикле изменяют на противоположную для элюирования осажденного металла в раствор в виде ионов, отличающийся тем, что, с целью повышения

эффективности использования воды и электролитов в гальваническом производстве и создания экологически чистого замкнутого цикла, электроды выполнены из пористого титана и размещены с зазором по отношению к стенкам электролизера, очищаемую

воду подают в электролизную камеру в про- странство между диафрагмой и электродом,

элюирование осажденного металла ведут в

непроточном режиме в электродной камере,

полученный концентрированный раствор возвращают в ванну гальванопокрытия, периодически производят смену полярности электродов, а очищаемую воду в каждом Цикле подают в катодную камеру при скорости циркуляции воды через электрод 30-90 )и на электродах поддерживают плотность тока 0,05-43,15 А/дм .

ffi

ЙЯ

ТУ

i

Сущность изобретения: очистку ведут в дйафрагменном электролизере с катодной и анодной камерами. В первом цикле из циркулирующей сточной воды осаждают ионы на электроде, полярность которого в Следующем цикле изменяют на противоположную для элюирования электроосажденного металла в раствор. Для катода и анода используют одинаковые электроды из пористого титана, через которые осуществляют фильтрацию очищаемой воды в дополнительные камеры, образованные электродами из пористого титана, через которые осуществляют фильтрацию очищаемой воды в дополнительные камеры, образованные электродами и стенками электролизера. Электролиз осуществляют при плотности тока 0,05-0,15 А/дм2 и скорости циркуляции раствора 30-90 лДКг-ч).1 ил.

it/

3si

22