Разместите задание – сайт бесплатно отправит его исполнителя, и они предложат цены. 
Реферат сделан досрочно, преподавателю понравилось, я тоже в восторге. Спасибо Татьяне за труд!
Мария
Тгу им. Г. Р. Державина
Узнайте стоимость индивидуальной работы
это быстро и бесплатно
Оформите заказ сейчас и получите скидку 100 руб.!
Готовые работы
/
Рефераты
/ Экология
/ Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров
Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров
Тип
Реферат
Предмет
Экология
Просмотров
709
Размер файла
123 б
Поделиться
Ознакомительный фрагмент работы:
Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров
Государственныйкомитет Российской Федерации
повысшему образованию
Московскийгосударственный технологический
Университет«станкин»
Факультет физико-технический.
Кафедра Общейи прикладной химии
Выпускнаяработа
Насоискание академической степени бакалавра
Техникии технологии по направлению 552900
«Технология,оборудование и автоматизация
машиностроительныхпроизводств»
Тема:
Экологическаябезопасность при обработке конструкций кондиционеров завода «Кондиционер».
Студент КынтиковаЕ.А.
Группа Ф-8-1
Руководительработы к.н.х., доц. Ромина Н.Н.
Дата: __________
Консультант к.х.н.,доц. Соловьев Г.С.
Дата: ___________
Допускаетсяк защите
Зав. Кафедрой КозловГ.В.
Дата: __________
Москва 2000 год.
содержание.
1. Введение. 5
2. Обзор литературы 9
2.1.Рациональное водопотребление в гальваническом производстве. Структураводопотребления. 9
2.1.1 Промывка 9
2.2 Очистка сточных вод отионов тяжелых металлов. 11
2.3 Очистка сточных вод отионов хрома. 13
2.3.1Источники поступления соединений хрома в сточные воды. 13
2.3.2 Современные методы очисткисточных вод от ионов хрома. 15
2.4 Физико-химические методы очисткивод. 16
2.4.1 Флотация. 17
2.5. Электрохимические методы очисткисточных вод 19
2.5.1 Электрофлотация. 20
2.5.2 Электрофлотационный методизвлечения ионов металлов из стоков гальванопроизводств. 21
2.5.3 Электрофлотационные установки. 22
2.5.4. Физико-химические аспектыэлектрофлотации. 26
3. Выводы излитературного обзора. 27
4. Выбор иобоснование электрофлотационного способа обезвреживания сточных вод.
4.1. Электрофлотационныйметод извлечения ионов металлов из стоков гальванопроизводств 28
4.2. Ионный обмен. 31
4.3. Реагентнаяочистка сточных вод от шестивалентного хрома. 32
4.4. Вывод. 38
5. Экспериментальнаячасть. 40
5.1. Описаниеустановки. 41
5.2. Исследуемые вещества 44
5.3. Методика проведения опыта. 46
5.4. Результаты снятия вольт-амперных характеристик. 50
Обсуждение результатов. 52
6. Расчет основногооборудования и основных операций. 53
6.1. Материальныепотоки в электрофлотаторе. 53
6.2. Определениерасхода воды при элктрофлотации. 53
6.2.1 Определение количества образовавшихся газов 54
6.2.2.Определение количества растворителя (воды), уносимого с газообразнымипродуктами
6.3. Энергетическийбаланс электрофлотатора. 55
6.4. Расчеттеоретического напряжения разложения 56
6.5. Определениеперенапряжения на электродах 58
6.6. Расчет падениянапряжения в электролите 58
6.7. Баланс напряженийна электрофлотаторе. 60
6.8. Расчет расходаэлектроэнергии на электрофлотацию. 60
7. Оборотная вода. 61
7.1. Камера окраскидвухсекционная. 61
7.2. Схема камерыокраски. 62
7.3. Изменение состававоды. 63
7.4. Расчет оборотаводы в камере окраски. 63
7.4.1. Данные для расчета. 63
7.4.2. Расчет величины испарения и количествадобавляемой воды. 63
7.4.3. Расчет продувки системы. 64
8. Выводы. 66
9. Основные понятияи определения. 67
10. Список литературы. 69
Цель и задача работы: проанализировать цех покраски деталей и технологиюнанесения гальванических покрытий с точки зрения обеспечения экологическойбезопасности производства.
В задачи проектного исследования входило совершенствование системыобезвреживания и очистки промывных вод гальванического производства и водзавесы окрасочной камеры.
В системе промывных сточных вод предполагается использованиеэлектрофлотационного модуля для выделения твердой фазы осадков, содержащих ионытяжелых металлов. В этой части предполагается так же выполнениеэкспериментальных исследований на выяснение принципиальной возможностииспользования электрофлотации для данных вод производства, а так же оценкисоставляющих энергетического и теплового баланса, определение удельного расходана обработку.
Предполагается разработать технологическую схему обработки промывныхстоков гальванического производства и сделать поверочный расчетэлектрофлотатора на производительность данных сточных вод.
В частности решения кондиционирования вод, используемых в системе водянойзавесы в окрасочной камере. Предполагается обеспечить ее использование взамкнутом цикле.
ВВЕДЕНИЕ.
В последние годы существеннообострились проблемы, связанные с загрязнениями воды. Сброс неочищенных илиплохо очищенных сточных вод в различные водоемы только из-за нехватки кислородаможет привести к исчезновению всякой жизни в воде. Кардинальное решениепроблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологическибезопасных, безотходных технологических процессов и производств. Рациональноеиспользование природных ресурсов и охрана окружающей среды в настоящее времярешаются в двух направлениях.
Одно из них – разработка и внедрениемалоотходных и безотходных технологий и процессов, другое – модернизациядействующих предприятий, замена устаревших процессов новыми, повышение качестваочистки газообразных выбросов, сточных вод, внедрение замкнутыхпроизводственных циклов («Оборотная вода»).
Современный уровень технологииочистки сточных вод позволяет получить воду практически любой степени чистоты.Поэтому можно считать, что загрязнение водоемов происходит по причине нетехнического, а экономического характера. Чем меньше свежей воды используетпредприятие на 1 тонну продукта, тем экологически совершеннее его системаводоснабжения. При этом большое значение имеет кратность (повторность)использования в производстве. Кратность k использования воды можно рассчитатьпо формуле: k=Vi/V0 , где Vi – общий объемводы; V0 – объем свежей воды.
В настоящее время в оборотныхсистемах циркулирует примерно 215 км3 воды, что составляет две третивсего объема воды, используемого промышленностью. На одну треть сократилсясброс загрязнений в водоемы. Количество вредных веществ, выбрасываемыхстационарными источниками, уменьшилось на 13%.
Из сточных вод легче всего удаляютсяорганические вещества, труднее всего – соли тяжелых металлов.
В различных отраслях народногохозяйства, в первую очередь, в машиностроении, широко применяется технологиянанесения гальванических покрытий. Гальваническое производство является однимиз крупных потребителей цветных металлов и достаточно дорогих химикатов. Прихимических покрытиях и подготовительных операциях потери химикатов с промывнымиводами иногда в десятки раз превышает их расход на обработку поверхности.Расход воды на промывку после подготовительных операций в 3-7 раз превышает расходводы на промывку после гальванических покрытий. Таким образом, гальваническоепроизводство является одним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды– одними из самых токсичных и вредных.
Снижению количества сточных вод можетспособствовать применение новой технологии производства. Это связано созначительными материальными затратами. Поэтому используют другой путь –повышение эффективности очистки сточных вод.
Основным видом отходов вгальваническом производстве являются промывные воды смешанного состава,содержащие несколько видов тяжелых металлов, объединяют с кислотно-щелочными.
Очистка таких стоков затруднена, таккак не удается выделить металлы из шлама сложного состава. Для сниженияколичества тяжелых металлов в сточных водах до предельно допустимыхконцентраций (ПДК) необходимо использовать замкнутую систему водоснабжения сэлектрофлотационной очисткой, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке отпримесей, возвращать в технологический процесс, а извлеченные примеси – назахоронение или переработку.
Таким образом, очистка сточных водявляется одной из самых актуальных проблем. В Западной Европе оборот толькопромывных вод гальванических производств составляет 97-98% от общего числастоков. В нашей стране уровень очистки сточных вод и, в частности, регенерациииз них цветных металлов, составляет не более 10%.
Основным компонентом сточных водгальванических производств являются промывные воды, которые в большихколичествах используются в производстве. Из ионов тяжелых металлов, находящихсяв сточных водах, наиболее распространенными являются хром, никель и медь.
Хромсодержащие стоки образуются врезультате промывки деталей после хромирования, электрохимического полированияи удаления некачественных покрытий.
Основные вещества, подлежащиеобезвреживанию – шестивалентные соединения хрома, цианиды (CN-),ионы тяжелых и цветных металлов: Cu2+, Ni2+, Zn2+,Cd2+, Sn2+, Pb2+.
Соединения хрома (III), а особенно,хрома (VI) токсичны для человека и животных. Смертельная доза K2Cr2О7(дихромат калия) для человека составляет 0,2-0,3гр. Поэтому очистка сточных водгальванического производства от отходов соединений трех- и шестивалентногохрома является актуальной. Наиболее перспективным и эффективным методом очисткисточных вод гальванического производства является электрофлотационный.преимущества этого метода – относительная простота конструкции установки,высокая надежность и высокая степень очистки.
Гальваническое производство являетсяодним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды – одними из самыхтоксичных и вредных. В связи с этим, перед гальваническим производством встаетряд важных проблем. Снижению количества сточных вод может способствоватьприменение новой технологии производства. Это потребует значительныхматериальных затрат, что нереально на данном уровне развития экономики страны.В результате остается другой путь сохранения окружающей среды – повышениеэффективности очистки сточных вод.
Основным видом отходов вгальваническом производстве являются промывные воды смешанного состава,содержащие несколько видов тяжелых металлов и других примесей. Очистка такихстоков затруднена. При этом не удается выделить металлы из шлама сложногосостава, а если и удается, то возникают проблемы с дальнейшим использованием ипереработкой отходов. Для решения проблемы снижения количества тяжелых металловв сточных водах до ПДК необходимо использовать замкнутую систему водоснабженияс электрофлотационной очисткой, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке отпримесей возвращать в технологический цикл, а извлеченные примеси – назахоронение или переработку. Т.о., очистка сточных вод является одной из самыхактуальных проблем.
Обзор литературы.
РАЦИОНАЛЬНОЕ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ В ГАЛЬВАНИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.СТРУКТУРА ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ.
Вода в гальваническом производстве являетсянеобходимым компонентом практически всех операций, связанных с нанесениемпокрытий: подготовки поверхности, приготовления и корректировки электролитов,профилактики оборудования, мойкой готовых изделий и производственных площадей.Количество потребляемой воды зависит от мощности производства, вида наносимыхпокрытий, применяемого оборудования и эффективности использования воды.Основное количество воды приходится на промывные операции и профилактикуоборудования.
Важным показателем расхода воды является ееколичество, приходящееся на единицу площади покрываемых деталей.
ПРОМЫВКА.
Характерной чертой процессов гальванопокрытий являетсяих многостадийность, причем отдельные виды обработки осуществляются в растворахразличного состава и природы. Технологическим приемом, позволяющимпредотвратить смешение рабочих растворов, а также удалить остатки растворов споверхности деталей при их переходе в дальнейший передел, является меж- ипослеоперационная промывка. От качества промывки во многом зависит качествогальванопокрытий. Например, при многослойных покрытиях возможно отслаивание,выход из строя ванн хромирования при заносе кислоты, нейтрализация ванндекапирования при заносе щелочи из ванн обезжиривания, коррозия готовых недостаточнопромытых деталей. Поскольку электролиты представляют собой, в основном, водныерастворы, то наиболее широкое распространение получила промывка водой.
Качество воды, идущей на промывку,регламентируется технологическим процессом, а также указывается в отраслевыхрегламентах. Жесткость воды предназначенной для приготовления электролитов,заполнения ванн улавливания, промывок перед нанесением покрытий и сушкойсоставляет до 1,5 мг*экв/дм3, а также солесодержание – до 80 мг/дм3.Поэтому вода перед использованием ее в гальванике должна пройти предварительнуюочистку. Так, для обычных покрытий используется питьевая вода, для специальных– деминерализованная.
Для снижения критерия промывки послеосновных процессов гальванопокрытий перед ваннами промывки устанавливаютдополнительную ванну улавливания, содержимым которой периодически компенсируютпотерю уровня воды рабочей ванны. Ванна улавливания обычно доливается свежейводой, либо водой следующей за ней ванной промывки. Использование такой ванныпозволяет существенно сократить вынос компонентов электролитов в сточные воды.Концентрация примесей в ней значительно выше, чем в ваннах промывки, но ниже,чем в основной ванне.
Ванна улавливания представляет собойбуферный объем для предварительного разбавления пленки электролита.
Концентрация электролита в ваннеулавливания возрастает со временем и, в пределе, может оказаться равнойконцентрации в рабочей ванне. При этом будет сведено к минимуму ее свойствоснижать коэффициент промывки. С точки зрения снижения расхода воды на промывкуобъем подпитки ванны улавливания должен быть максимальным.
Важное значение имеет концентрацияэлектролита в ванне улавливания, поскольку для целей возврата электролитанеобходима максимальная концентрация, а для снижения расхода воды –минимальная. На практике концентрация электролита в ванне улавливания редкодостигается 10 – 15 % от концентрации рабочей ванны. В общем случае установкаванн улавливания позволяет сократить расход промывной воды на 20 – 30 %. Этоцелесообразно делать там, где стоит задача возврата электролита, т.е. Послеосновных ванн. После вспомогательных ванн (обезжиривания, декапирования), гдеосновной задачей является сокращение количества промывных вод, предпочтительнейсистемы из нескольких ванн.
Расход воды – один из основныхфакторов, влияющих на загрязнение окружающей среды и экономические показателитехнологии гальванопокрытий. Задачей промывки является разбавление до нужнойстепени поверхностного слоя электролита.[23]
Очисткасточных вод от ионов тяжелых металлов.
Для практической реализации любогометода необходимо исследовать процесс обработки реальных промывных водпромышленных предприятий. Необходимо отметить, что в настоящее время несформулирована четкая концепция обезвреживания сточных вод промышленныхпредприятий. Необходимо отметить, что в настоящее время не сформулированачеткая концепция обезвреживания жидких отходов гальванических производств(растворы, сточные воды), нет сравнительной технико-экономической оценкисовременных методов, типовых технологических схем, базового оборудования.Поэтому важной задачей является разработка различных технологических схемобработки промывных вод с учетом конкретного их состава и требований к степениочистки и качеству воды. Для более быстрого и эффективного использования данныхтехнологий необходимо так же разработать новые конструкции аппаратов. [8,20]
Сточные воды после обезвреживанияхроматов, а также кислотно-щелочные стоки должны быть очищены от ионов тяжелыхметаллов (никеля, цинка, хрома, меди и др.). Традиционно воду от соединенийтяжелых металлов очищают путем перевода их в нерастворимые в воде соединения,которые затем удаляют отстаиванием, флотацией, фильтрацией и др. способамиразделения твердой и жидкой фаз. Перевод в твердую фазу в основном осуществляютвведением щелочи с образованием гидроксидов, гидроксокарбонатов, карбонатов, атакже сульфидных ионов, что приводит к образованию водонерастворимых сульфидовтяжелых металлов.
На результаты очистки сточных водсущественное влияние оказывают происхождения стоков, исходная концентрациязагрязнителей, рН, наличие комплексообразователей, ионная сила раствора,природа щелочного реагента, а также особенности технологии коагуляции,флуктуации и разделения осадков и жидкой фазы.
С увеличением рН растворимостьгидроксидов тяжелых металлов уменьшается, достигает минимума и затемвозрастает. При высоких значениях рН некоторые гидроксиды амфотерных металлов(цинк, хром) легко образуют растворимые гидрокомплексы при небольшом избыткещелочи.
Гидроксиды тяжелых металлов оказываютвзаимное влияние на полноту очистки смешанных сточных вод. Присутствие ионовхрома(3) при очистке цинкосодержащих сточных вод снижает растворимостьгидроксида цинка и его содержание в исходной воде проявляется в меньшей мере.[23]
Но основными проблемами, которыевозникают сегодня при очистке стоков гальванотехники от соединений хрома,являются : обезвреживание хрома (6) до ПДК (0,005-0,01 мг/л); минимальныерасходы реагента и электроэнергии при восстановлении; эффективное удалениедисперсной фазы Cr(ОН)3до концентрации 0,1-,05 мг/л. Важной задачей является так же сокращение расходареагента-восстановителя [27].
Очисткасточных вод от ионов хрома.
Источникипоступления соединений хрома в сточные воды.
Сточные воды гальванического производства составляют от 30 до 50% общегоколичества сточных вод, которые образуются на предприятиях. Средний объемгальванических сочных вод, образующихся на одном гальваническом производстве,составляет 600-800 м3/сутки. Гальваническое производство относится кчислу наиболее неэкономичных, отличается вредными условиями труда, большимколичеством отходов. Ежегодно сбрасывается до 1 км3 токсичныхсточных вод, содержащих до 50 тыс. тонн тяжелых металлов, 25-30% этих сточныхвод попадает в водные бассейны.
В результате экономический ущерб, причиняемый гальваникой народномухозяйству, оценивается в 2 млр. рублей в ценах 1990 года [1].
Отходы в гальванотехнике образуются вследствие выносавысококонцентрированных (порядка 100г/л) растворов. С отходами тесно связана ипроблема обезвреживания – очистки двух вспомогательных потоков: промывной воды(2 м3/м2) и воздуха (100 м3/м2).Необходимость применения воды и воздуха в таких значительных количествахсвязана с несовершенством применяемого оборудования [1-2].
Сточные воды гальванического производства часто содержат в своем составесоединения трех- и шестивалентного хрома [1-2].
Источником поступления Cr (VI) служат промывные воды ванн хромирования,хроматирования, травления меди и латуни, анодирование алюминия [2,3]. СоединенияCr (III) реже встречаются в промывных водах гальванотехники и в основномявляются продуктом восстановления Cr (VI) ионами Fe (II), органическимивосстановителями или при травлении меди. В последнее время в практикухромирования стали внедрять электролиты на основе соединений Cr (III) [4,5].
Проведенные эксперименты и исследования показывают, что даже принезначительной толщине покрытия деталей средней сложности, количествоматериала, выносимое из гальванической ванны в проточно-промывные воды, в несколькораз превышает расход металла на покрытие.
Ежегодно при промывке изделий теряется более 3,3 тыс. тонн цинка, 2,4тыс. тонн никеля, 0,5 тыс. тонн хрома и ограниченное количество воды – 3,2 км3/год[3].
Приведенные данные показывают, что сточные воды гальваническогопроизводства, содержащие ионы тяжелых металлов, наносят огромный экономическийи экологический ущерб. Он связан с потерей дефицитных материалов и разрушениемокружающей среды и здоровья человека.
Основной задачей обезвреживаниясточных вод, содержащих соединения хрома(6), является восстановление дотрехвалентного состояния. Соединения хрома(3) более чем в 100 раз менеетоксичны и склонны к гидролизу в щелочной среде, что позволяет удалять их ввиде гидроксида при последующей очистке.
Известные способы восстановленияхрома(6) можно условно подразделить на протекающие в жидкой фазе (в кислотной,щелочной и нейтральной средах) и гетерофазные (восстановительные,сорбционно-восстановительные и электрохимические).
Ход реакции восстановления хрома вкислой среде зависит от исходной концентрации хрома(6), величины рН,температуры. Эти параметры влияют на полноту восстановления и необходимуювеличину избытка восстановителя. Присутствие ионов железа, кадмия, цинка вдвоезамедляет процесс.
Восстановление хрома в кислой средеможно осуществлять при любых объемных расходах воды в довольно широкомдиапазоне концентраций.[23]
Современные методы очистки сточныхвод от ионов хрома.
Из анализа литературы следует, чтоперспективными способами решения указанных задач в нашей стране могут статьэлектрохимические методы и, в частности, электрофлотация с нерастворимымиэлектродами, электрокоррекция рН, мембранный метод, электродиализ и электролиз.Несмотря на то, что электрофлотация известна в нашей стране с 70-х годов, ееиспользование для решения экологических проблем гальванотехники ранее неприводилось. В тоже время этот метод является достаточно универсальным,высокоэффективным, экологически безопасным и достаточно экономичным. [8, 20]
Проблема с осаждения ионов тяжелых ицветных металлов заключается в том, что оптимальное значение рН для различныхионов не одинаково.
Так, например, для ионов Fe(III),Cr(III), Al(III) оптимальным является рН=6-7; для Сu(II), Zn(II), - рН=9,0-9,5;для Ni(II) и Cd(II) рН=10-10,5. Для повышения степени извлечения тяжелыхметаллов применяют различные флокулянты, осадители и коагулянты [9].
Использование новых физико-химическихметодов очистки в сочетании с реагентным позволяют решить проблему снижениясодержания ионов тяжелых металлов в сточных водах до 0,01-0,05 мг/л содновременной утилизацией отходов. Наиболее доступные на сегодняшний день –электрохимические.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОД.
К физико-химическим методам очистки сточных водотносят флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, выпаривание, дистилляциюи др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодиспергированныхвзвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных иорганических веществ.
Использование физико-химических методов для очисткисточных вод по сравнению с использованием биохимических методов имеет рядпреимуществ: 1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимическинеокисляемых органических загрязнений; 2) достижение более глубокой истабильной степени очистки; 3) уменьшение размеров сооружений; 4) уменьшениечувствительности к изменениям нагрузок; 5) возможность полной автоматизации; 6)более глубокая изученность кинетики ряда процессов, а так же вопросовмоделирования, математического описания и оптимизации, что важно дляправильного выбора и расчета аппаратуры; 7) отсутствие контроля задеятельностью живых организмов; 8) возможность рекуперации различныхвеществ.[1]
ФЛОТАЦИЯ.
Флотацию применяют для удаления из сточных воднерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохоотстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удалениярастворенных веществ, например, пав. Такой процесс называют «пенной сепарацией»или «пенным концентрированием». Флотацию применяют для очистки сточных водмногих производств. Она используется также для выделения активного или послебиохимической очистки.
Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазонприменения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура,селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скоростьпроцесса, а так же возможность получения шлама более низкой влажности (90-95%),высокая степень очистки (95-98%), возможность рекуперации удаляемых веществ.Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации пав илегкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствуетуспешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.
Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближенииподымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицейразделяющая их прослойка воды при некотором критической толщине прорывается ипроисходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс пузырек – частицаподымается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слойс более высокой концентрацией частиц, чем в исходной воде.
Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, котораяхарактеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой уголсмачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька наповерхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицейили при возникновении пузырька из раствора на поверхности частицы. На величинусмачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления иприсутствие в воде примесей пав,электролитов и др.
Пав – реагенты-собиратели,адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. Делают ихгидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют: масла, жирныекислоты и их соли, амины и др. Повышения гидрофобности частиц можно достичь исорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.
Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьковвоздуха. По некоторым данным оптимальный размер пузырьков =15-30 мкм. При этомнеобходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большоегазосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрациипримесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большоезначение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этойцели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергиюраздела фаз. Некоторые из этих веществ обладают собирательными ипенообразующими свойствами.
Вес частиц не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемнойсилы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотностиматериала и =0,2-1,5 мм.
Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: свыделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; сподачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическуюфлотацию. [7]
Электрохимические методы очистки сточных вод.
Электохимические методы имеют ряд преимуществ перед химическимиспособами: 1) упрощение технологической схемы и эксплуатации технологическихустановок, легкая автоматизация их работы, уменьшение производственныхплощадей, необходимых для размещения очистных сооружений; 2) возможностьобработки сточных вод без предварительного разбавления; 3) снижениесолесодержания стоков и уменьшение количества осадков при обработке [10].
Из электрохимических методов очистки сточных вод гальваническогопроизводства наибольшее распространение получил электрокоагуляционный метод,применяемый для очистки от взвешенных частиц и коллоидно-дисперсных систем,ионов цветных металлов, и особенно хрома. В процессе электрокоагуляциипроисходит растворение аллюминевых или железных анодов, сопровождающеесяподщелачиванием раствора, приводящим к образованию оксидов металлов, при этомгидроксиды железа и аллюминия выступают в качестве коагулянтов. Методэлектрокоагуляции имеет ряд достоинств: компактность установки, отсутствиенеобходимости в реагентах – восстановителях и осадителях, простота обслуживанияи универсальность[11]. Сдерживающим фактором в его развитии является большойрасход металла и электроэнергии.
Наряду с электрокоагуляцией, широкое распространение получилэлектрофлотокоагуляционный метод очистки сточных вод, который сочетает два метода– электрокоагуляционную обработку и электрофлотацию полученных гидроксидовметаллов. Данный процесс может быть осуществлен в одном электролизере: прирастворении анода происходит образование коагулянта, а на катоде выделяютсявысокодисперсные пузырьки водорода, обеспечивающие флотацию продуктовкоагуляции [12].
Среди электрохимических методов особое место занимает электрофлотация –физико-химический процесс, сочетающий в себе такие электрохимические методы,как электродиализ, электрофорез, электрохимическое окисление-восстановлене.Являясь по своей физической сущности электрохимическим и гидромеханическимпроцессом, электрофлотация выгодно отличается от традиционных методов благодарявысокой эффективности и простоте аппаратурно-технологического процесса [13,14].Например, процесс разделения ускоряется по сравнению с методом отстаивания в5-10раз [15].
Электрохимические методы являются достаточно эффективными длявосстановления шестивалентного хрома. Установлено, что электрохимический методприменим лишь в том случае, если электролит содержит в качестве активатора неменее 1% ионов хлора, так как при отсутствии его железные аноды пассивируются иэлектрохимическое восстановление не происходит [16]. Для предприятий, сточныеводы которых содержат ионы тяжелых металлов и расход этих вод составляет 5-50м3в сутки, использование электрохимических методов очистки экономически выгоднеепо сравнению с реагентными. Применение электрохимических методов, в том числеэлектрохимическое регулирование рН, в отличие от реагентных методов, позволяетбез дополнительного обессоливания очищенной воды создать замкнутую схемуводопользования.[12, 15, 20]
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИЯ.
В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц проходит припомощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникаютпузырьки кислорода, а на катоде – водорода. Поднимаясь в сточной воде, этипузырьки флотируют взвешенные частицы.
При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьевкоагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.
Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образующиеся накатоде. Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при других методахфлотации. Он зависит от краевого угла смачивания и кривизны поверхностиэлектродов. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырькиобладают большей растворимостью, чем крупные. Из пересыщенных растворовмельчайшие пузырьки выделяются на поверхности частичек загрязнений и тем самымспособствует эффекту флотации.
Следовательно, при электрофлотации извлечение загрязнений происходит врезультате прилипания к частицам подымающихся в воде пузырьков, а такжеобразования на поверхности частичек пузырьков из пересыщенного раствора. Дляполучения пузырьков требуемого размера необходим правильный подбор материала,диаметра проволоки катода и плотности тока. Оптимальное значение плотности тока200-260 А/м2, величина газосодержания – около 0,1%.
Принебольших объемах сточных вод (10-15 м3/ч) электрофлотационныеустановки могут быть однокамерные, при больших – следует применять двухкамерныеустановки, которые могут быть горизонтальными или вертикальными. Они состоят изэлектродного отделения и отстойной части. [15]
электрофлотационныйметод извлечения ионов металлов из стоков гальванопроизводств.
Большинство используемых методов для обезвреживания сточныхвод основано на превращении вредных веществ в безвредные, но не на утилизацию.Метод, применяемый на предприятиях в целях очистки сточных и промывных вод,позволяющий эффективно извлекать ионы тяжелых металлов в виде гидроксидов иоксидов является электрофлотацией с нерастворимыми анодами.
Высокая эффективность электрофлотационного процесса посравнению с обычными методами флотации объясняется малыми размерами пузырьков,радиус которых составляет 5,30 мкм. Большое значение играет так же значительныйзаряд поверхности пузырьков, затрудняющий коагуляцию.
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
В электрофлотационных установках для проведения процесса флотациииспользуют газообразные продукты — водород и кислород, выделяющиеся наэлектродах при электролизе обрабатываемой воды. На катоде происходитразряд молекул воды с образованием водорода:
2Н2О + 2е → Н2 + 2НО-
На аноде процесс окисления сопровождается выделением кислорода:
2Н2О → О2 + 4Н++ 4е
Размер пузырьков газа определяется природой и формой электродов, а такжеусловиями проведения электролиза (плотностью тока, температурой и др.).Принципиально электролиз позволяет получить заранее заданное распределениепузырьков газа по размерам. Электролитическое диспергирование газа обеспечиваеттакже получение наиболее высокодисперсной газовой фазы, что позволяетиспользовать электрофлотаторы для очистки воды от устойчивых коллоидныхзагрязнителей.
Электрофлотационные установки разделяют по направлению движения воды ифлотирующих газов в них на противоточные и прямоточные с горизонтальным иливертикальным расположением электродов. Электрофлотационные аппараты имеют однуили несколько камер. Многокамерный электрофлотатор состоит обычно из успокоителя,электродных камер и флотоотстойника. Сточная вода поступает в приемную камеру,отделенную от основной части перегородкой. Электродный блок представляет собойнабор катодов и анодов. Проходя через электроды, вода насыщается газообразнымипродуктами реакции, что приводит к всплыванию частиц.
Электроды выполняют в виде пластин, однако чаще применяют их в видепроволочной сетки из меди или нержавеющей стали. Размер пузырьков газа,покидающих электроды, зависит от величины краевого угла смачивания и кривизныповерхности электродов, поэтому, изменяя диаметр проволоки, удаетсярегулировать дисперсность газовой фазы. Оптимального распределения по размерамгазовых пузырьков, а также газонаполнения достигают варьированием плотноститока на электродах.
При горизонтальном расположении электродов во флотационной камере на нихмогут оседать твердые частицы, которые нарушают нормальную работу аппарата.Имеются конструкции, позволяющие избавиться от указанного недостатка. Например,электрофлотатор, в котором аноды выполнены в форме трехгранных призм,расположенных в шахматном порядке на дне аппарата. Катоды представляют собойотдельные проволочные сетки, изогнутые под углом и расположенные над анодамипараллельно граням.
Очищаемая вода поступает в приемную камеру 7, откуда переливается вофлотационную камеру, в которой насыщается пузырьками газа. Пузырьки газафлотируют загрязняющие компоненты на поверхность, где частицы скапливаются ввиде пены, которая удаляется по наклонному желобу. Внутри желобапроходит трубопровод с горячей водой. Пенообразная масса в результате нагревачастиц гаснет и стекает в сборник. Освобожденная от взвешенных частиц водапереливается в камеру и удаляется из аппарата. Частицы, которые тяжелее воды,опускаются вниз и выводятся через штуцер.
Недостатком рассмотренных конструкций является возможность образования впроцессе электролиза взрывоопасной смеси газов—2/3 водорода и 1/3 кислорода.Известны конструкции флотаторов, в которых анодное пространство отделяется откатодного диафрагмой, препятствующей смешению газов. В качестве материала длядиафрагмы используют хлорированные или асбестовые ткани, которые пропитываютсмолами для уменьшения их пористости.
Количество газа, генерируемого в электрофлотаторе, можно определить извыражения
V0=
где V -объем газа, выделяющегося при нормальных условиях (м3); - количество газа (м3),выделяющегося при прохождении 1 кА∙ч (электрохимический эквивалент); I - сила тока, проходящего черезаппарат (кА); τ - время обработки, ч; ВT— коэффициент использования тока, доли единицы; п - число парэлектродов; =0,418 мз/(кА∙ч).
Объем влажного газа в реальных условиях определяют изуравнения
где W -парциальное давление насыщенных водяных паров при 20°С, равное 2,3 кПа; В—давлениев системе, кПа; Р - атмосферное давление, кПа; 101,3 - давление принормальных условиях, кПа. [25]
Схема электрофлотатора.
Сточная вода поступает потрубопроводу 1 в анодную приемную камеру 2, отделенную от основной 4перегородкой 3, затем через перегородку 3 в катодную камеру 4. Проходя черезэлектроды, вода насыщается газообразными продуктами реакций, что приводит квсплыванию частиц. Электроды выполнены в виде пластин. Пена с загрязняющимичастицами 5 сливается через наклонный желоб 6. Освобожденная от взвешенныхчастиц вода удаляется через трубу 7. Частицы, которые тяжелее воды, опускаютсявниз и выводятся через штуцер 8.
Физико-химические аспекты электрофлотации.
Флотация – процесс, основанный на слиянии отдельных частиц вещества поддействием молекулярных сил с пузырьками тонкодиспергированного в воде газа илигазов, всплывании образующихся при этом агрегатов и образовании на поверхностифлотатора пены. Флотируемость частиц зависит от размеров пузырьков газа,которые определяются поверхностным натяжением на границе газ-вода. С понижениемповерхностного натяжения эффективность очистки сточных вод флотацией повышаетсяв отличие от отстаивания и фильтрования. При предварительном коагулированиипримесей воды эффект флотации повышается [20,21].
При флотации в жидкости происходят ряд процессов: растворение воздуха,прикрепление воздушных пузырьков к частицам взвеси и всплывание их наповерхность с образованием пены.
Для успешного протекания процесса необходимо, чтобы твердые частицы ипузырьки воздуха прочно прикреплялись друг к другу. При флотации сточных водпена должна быть достаточно прочной и не допускать обратного попаданиязагрязнений в воду.
Важной стадией электрофлотационного процесса является также адгезиягазовых пузырьков частиц загрязнений, которая происходит на молекулярномуровне.
Выводы из литературного обзора.
Из анализа литературы можно сделатьследующие выводы.
1. Большой циклработ выполнен по электрофлотации-коагуляции с растворимыми анодами, чтообеспечивает достаточно высокую степень очистки, но не позволяет регенерироватьметаллы из промывных вод, организовывать водооборот и характеризуется высокимиэнергозатратами.
2. Из обзора научнойлитературы следует, что индивидуально, без специальных добавок Сr (III) и Cr(VI) электрофлотационным методом практически не извлекаются.
На основании результатов исследований разработать технологию очисткисточных вод гальванического производства от соединений хрома.
выбор и обоснование электрофлотационного способа обезвреживаниясточных вод.
Электрофлотационный метод извлечения ионов металлов из стоковгальванопроизводств.
Большинство используемых методов для обезвреживания сточных вод основанона превращении вредных веществ в безвредные, но не на утилизацию. Метод,применяемый на предприятиях в целях очистки сточных и промывных вод,позволяющий эффективно извлекать ионы тяжелых металлов в виде гидроксидов иоксидов является электрофлотацией с нерастворенными анодами. Флотационныйпроцесс основан на адгезии загрязнений на поверхности электрохимическигенерируемого пузырька. Плотность образовавшихся флотокомплексов меньшеплотности раствора, поэтому они поднимаются в верхнюю часть аппарата собразованием устойчивого пенного слоя. Электрофлотационный метод обеспечиваетизвлечение только нерастворимых соединений металлов[22].
Высокая эффективность электрофлотационного процесса по сравнению собычными методами флотации объясняется малыми размерами пузырьков, радиускоторых составляет 5-30 мкм. Большое значение играет также значительный зарядповерхности пузырьков, затрудняющих их коагуляцию. Поверхностный зарядобусловлен адсорбцией ионов Н+ или ОН- в приэлектроднойзоне и имеет положительный знак для газов, выделяющихся на аноде иотрицательный – на катоде. Поверхность же большинства гидроксидов металловзаряжена положительно, что обеспечивает эффективный захват частицы пузырькамиводорода. Действительно, в катодной камере корректора эффективностькоалесценции пузырьков водорода мала и составляет 0,001-0,008. При этомэффективность очистки находится в пределах 90-95%. В электрофлотационной камерепроисходит одновременное выделение кислорода и водорода, которые эффективнокоаллесцируют друг с другом. Экспериментальные результаты свидетельствуют, чтофлотация гидроксидов металлов только пузырьками кислорода неэффективна. В то жевремя скорость электрофлотационного извлечения смесью пузырьков водорода икислорода неаддитивно больше скорости флотации только пузырьками водорода, чтоможет объясняться взаимодействием пузырька кислорода с флотокомплексомчастица-пузырек водорода. В присутствии пузырьков кислорода увеличиваетсястесненность движения пузырьков водорода, что приводит к увеличению времени ихпребывания в аппарате и интенсификации процесса.
Рассмотрим для сравнения классическиесхемы очистки сточных вод:
Ионный обмен.
Метод ионного обмена является одним из способов извлечения металлов изпромывных вод в локальных циклах, позволяющих создать малоотходноепроизводство. Он основан на обмене между ионами, находящимися в растворе иионами, присутствующими на поверхности ионообменной смолы. Ионный обмен находитширокое практическое применение в технологиях очистки промывных вод ведущихзарубежных фирм ФРГ, Японии, США.
К достоинствам ионного обмена следует отнести высокую эффективностьочистки, высокую концентрирующую способность по металлу (в 1000 - 10000 раз),возможность получения извлеченных металлов в виде однокомпонентных растворовсолей, простое аппаратурное оформление. Недостатки метода ионного обменасвязаны с наличием стадии регенерации ионитов. Использование ионообменнойтехнологии целесообразно при содержании металлов в сточной воде в концентрацияхдо 1 мг/л. Указанный метод позволяет регенерировать соединения шестивалентногохрома, снизить расходы на очистку воды и переработку осадка.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что в процессахионообменной очистки сточных вод от хрома (VI) широкое применение нашли ионитына основе сополимера с дивинилбензолом, содержащие группы триметиламина.Однако, существенным недостатком ионитов типа АВ является малая химическая,гидролитическая и термическая устойчивость. Более перспективными сорбентами дляцелей извлечения хрома из природных и сточных вод, при строго контролируемомсоставе вод после очистки и повышенной температуре, являются низкоосновныеаниониты [17, 18].
Разработана рациональная технология ионообменной очистки кислыххромосодержащих сточных вод травильных отделений ГПЗ-2 от Cr(VI) исопутствующих примесей с замкнутым водооборотом и утилизациейвысокотоксического хрома (VI). Благодаря применению высокоселективных химическии гидролитически стойких пиридиносодержащих сорбентов удается очиститьпромышленные стоки до требуемых пределов и вернуть его в оборот для нуждпроизводства. Данная технология не наносит вред экологии – с ее помощью удаетсяне только предотвратить загрязнение водоемов токсичными продуктами, но этатехнология позволяет существенно сократить расход потребляемой воды (на 80%) вусловиях ее дефицита в г. Москве [19].
Реагентная очистка сточных вод отшестивалентного хрома
Соединения шестивалентного хрома - хромовая кислота иее соли применяются при нанесении хромовых покрытий, при химической обработке(травление, пассивирование), при электрохимической обработке (анодирование),при электрополировке стальных изделий.
Сточные воды обрабатываются в две стадии: 1) восстановлениешестивалентного хрома до трехвалентного; 2) осаждение трехвалентного хрома ввиде гидроксида.
В качестве реагентов-восстановителей наибольшее применение получилинатриевые соли сернистой кислоты - сульфит Na2SO3), бисульфит NaHSO3), пиросульфит (Na2S2O5), а также дитионит натрия (Na2S2O4). Восстановление Сг6+ до Сг3+происходит по реакциям:
восстановление сульфитом натрия
Сr2О72- + 3S032- + 8Н+ → 2Сr3+ + 3S042- + 4Н20
восстановление бисульфитом натрия
Сr2О72- + 3HS03- + 5Н+ → 2Сr3+ + 3S042- + 4Н20
восстановление пиросульфитом натрия
2Сr2О72- + 3S2052- + 10Н+ → 4Сr3+ + 6S042- + 5Н20
восстановление дитионитом натрия
Сr2О72- + 3S2042- + 6Н+ → 2Сr3+ + 2S042- + 3Н20
Теоретические дозы реагентов-восстановителей составляют (мг/1мг Сг6+):для сульфита 3,63, бисульфита 3,0, пиросульфита 2,88, дитионита натрия 1,67.
Соли сернистой кислоты добавляют к сточным водам в виде 10 %-ных водныхрастворов. Доза восстановителя зависит от исходной концентрации Сг3+в сточной воде и величины рН. Скорость и полнота реакций восстановления Сг6+до Сг3+ в большой степени также зависят от величины рН реакционнойсмеси. Наибольшая скорость реакций восстановления достигается в кислой средепри рН=2-2,5, что обычно требует дополнительного подкисления сточных вод10-15%-ным раствором серной кислоты (возможно использование растворов другихминеральных кислот). В табл. приведены удельные расходы натриевых солейсернистой кислоты, необходимые для восстановления одной весовой частишестивалентного хрома при обработке сточных вод с различной исходнойконцентрацией Сг6+ и различной величиной рН.
Передозирование восстановителя недопустимо; перерасход реагента даже на10% приводит к образованию комплексных солей трехвалентного хрома и сернойкислоты, которые не полностью разрушаются при последующей нейтрализации сточныхвод.
В качестве реагентов-восстановителей можно также использовать отходыметаллического железа (в виде стальной стружки, скрапа и т.п.), или сульфатдвухвалентного железа. В первом случае подкисленные до рН 2 сточные водыфильтруют через находящийся в реакторе слой железной стружки при постоянномбарботировании воздухом. Во втором случае раствор сульфата железа (в виде10%-ного водного раствора) вводят в реактор, в который поступают сточные воды.В отличие от солей сернистой кислоты восстановление Сr6+ до Сг3+ солями двухвалентного железа протекает сдостаточно высокой скоростью не только в кислой, но и в нейтральной и щелочнойсредах по реакциям:
Сr2О72- + 6Fe2+ + 14Н+ → 2Сr3+ + 6Fe2+ + 7Н20
Сr2О72- + 3Fe(OH)2 +4Н2O → 4Сr(OH)3↓+ 3Fe(OH)3↓ + 2OН-
Поэтому в случае применения сульфата железа (II) в качествереагента-восстановителя предварительное подкисление сточных вод не требуется, адля полного восстановления Сг6+ до Сг3+ необходим лишьнезначительный избыток реагента (около 5 % от стехиометрического количества)независимо от исходной концентрации Сг6+ в сточных водах и величинырН. Недостатком использования сульфата железа, а также железосодержащейсуспензией по методу ферритизации, в качестве реагентов-восстановителей посравнению с солями сернистой кислоты является более чем 4-кратное увеличениеобъема образующихся при последующей нейтрализации твердых осадков, поскольку на1 массовую часть осадка гидроокиси хрома дополнительно образуется 3,12 массовыхчастей осадка гидроксида железа (III).
В качестве реагентов для восстановления Сг6+ до Сг3+можно также применять пероксид водорода (в кислой среде), сернистый газ,гидразин (в нейтральной или слабощелочной среде).
Таблица
Необходимые дозы (мг на 1 мг Сr3+) сульфита натрия (А), бисульфитанатрия (Б), пиросульфита и дитионита натрия (В) при обработке сточных вод,содержащих соединения шестивалентного хрома
| Ячейка откл. | / | Ячейка вкл. | - | в положении ячейка откл. |
2. Переключатель -«род работы» - «потенциал-ток» - указывает на режим работы.
3. Тумблеры mА1, mА2с соответствующимиклеммами для подключения внешнего миллиамперметра: включен – верхнее положение
отключен – нижнее положение
4. переключатель «+ - » используется для перемены полюсности в случае отклонения стрелки внешнегомиллиамперметра влево.
5. Переключатели«диапазон тока, mА»и «множитель тока, mА/V» используются в зависимости отвыбора режима работы.
БЗН – блок задающихнапряжений
Левая сторона панели БНЗ – система развертки.
| Тумблеры | Уст.0 | Используются при работе в режимах потенциодинамическом и гальванодинамическом с регистрацией на КСП |
| - | ||
| 0 | ||
| Подъем | ||
| Сброс |
По шкале mА на блоке БЗН наблюдают разверткутока.
Переключатели «множитель скорости» и«амплитуда» используются при расчете скорости развертки.
На правой стороне панели БНЗ
Переключатель U1 (U2)с соответствующими задатчиками диапазонов напряжения (1V; 0,1V; mV), с помощьюкоторых выставляются значения начальных и конечных задающих напряжений.
Обратить внимание на положениетумблеров “+ -”, расположенных около задатчиков напряжений U1 (U2),которые указывают на знак рабочего электрода.
БВВ – блок высокоомного вольтметра
1. Тумблер «Сеть»
2. Переключатель U3 Uраб.Uвн - вположении Uраб.
3. Переключатель “+0 -” – показывает на полюсность рабочего электрода
4. mА – по шкале mА наблюдают величину, знак иразвертку потенциала
5. крайний правыйпереключатель – положение этого переключателя указывает на выбранную шкалуприбора.
6. Переключатели 1V и 0,1V не используются и находятся в положении “0”.
На правой боковой панели потенциостата находятся:
1. Тумблер«потенциал-ток» - указывает на режим работы
2. Клеммы дляподключения ячейки к потенциостату
Схема подключения ячейки кпотенциостату.
1. БП-1-25 – блокпитания
2. БУ – блокусиления
3. БЗН – блокзадающих напряжений
4. БВВ – блоквысокоомного вольтметра
5. КСП –контрольно-самопишущий потенциометр.
6. Ячейка
исследуемыевещества.
В работе исследовали растворы, содержащие веретенное масло, ПАВ «Брулин»,скипидар, K2Cr2O7. Так же исследовали нержавеющуюсталь в качестве катода и ОРТА.
Окисно-рутениевыйтитановый анод (ОРТА)
Окисно-рутениевые титановые аноды получили широкое распространение впромышленности. Роль инертной основы в них играет титан, а активное покрытиесостоит из смеси оксидов рутения и титана. Оксид рутения, входящий в составкомпозиции, обладает металлической проводимостью и достаточно высокойэлектрохимической активностью Оксид титана полупроводник n-типа, обладающий высокойкоррозионной стойкостью. Свойства ОРТА зависят от соотношения оксидов рутения ититана в смеси. Оптимальным с точки зрения электрохимических и электрофизическихсвойств признано соотношение RuO2:ТiO2 и равное 30:70 мол.%. Изменение содержания RuO2 в активном слое приводит к изменениюпотенциала ОРТА, что связано с ростом омического сопротивления активного слоя,а изменение сопротивления на границе между титаном и активным слоем суменьшением содержания RuO2 в активной массе.
ОРТА обычно получают путем термической обработки смеси хлоридов рутения ититана, нанесенной на титановую основу. Операцию повторяют многократно, получаяпокрытие необходимой толщины. Можно получать ОРТА путем гальваническогоосаждения рутения на основу с последующей пропиткой пористого покрытия солямититана и термической обработкой при температуре 580-600°С. Пленка, полученнаятаким образом представляет собой метастабильные дефектные с неполной степеньюкристалличности твердые растворы состава RuхТi1-хО2.
Перенос носителей заряда в пленках является электронным процессом,обеспечивающим высокие скорости анодной реакции. ОРТА имеет критическийпотенциал для электролиза водных растворов хлорида, равный 1,45-1,5 В, вышекоторого происходит окисление RuO2 до RuO4, сопровождающиеся разрушением композиционной пленки.Потенциал ОРТА при высоких плотностях тока возрастает вследствие окисления нетолько активной компоненты композиции, но и титановой основы, которая награнице с активным слоем, покрывается смесью оксидов, обладающих запорнымисвойствами.
В некоторых случаях критических потенциал сдвинут в сторону более чем 1,5В положительных значений.
Толщина композиционного слоя наповерхности титановой основы в несколько мкм обеспечивает эксплуатацию ОРТА напротяжении 4-6 лет. Титановая основа может быть повторно использована длянанесения композиций из RuO2×и ТiO2. Наиболее удобен способ ремонта ОРТА послеокончания тура работы, предусматривающий нанесение нового активного слоя безполного удаления остатков старого[28].
Опыт проводился впотенциодинамическом режиме.
катод изнержавеющей стали.
Молекулярнаямасса – 91,873
Сталь – сплав железа с углеродом, светло-серый или серый с плотностью 5,3г/см3. Проводит тепло и электрический ток.
Веретенноемасло.
Представляет собой темную маслянистую жидкость. Плотность при20оС не менее 0,886 – 0,896 г/л.
Температура вспышки не ниже 155оС.
Температура самовоспламенения 280оС.
ПАВ –«Брулин».
НеионоактивноеПАВ. Представляет собой зелено-синюю темную жидкость, растворимую в воде.Разрушает жиры и подтравливает основу металла (удаляет оксидную поверхностнуюпленку). Биологически разлагаемое вещество. Разработано галандско-русскойфирмой «ЭСТОС»
электрод сравнения.
Хлорсеребряный электрод сравнения. Электрод состоит из серебрянойпластинки или проволочки, впаянной в стеклянную трубку. На серебро наносят слойхлорида серебра. Способы нанесения соли различны. Осадок на поверхности металламожно получить, например, электролизом, если электролиз вести в растворесоляной кислоты, и серебряную проволочку (или пластинку) подключить к аноду.Катодом может быть платиновый электрод. Благодаря малой растворимости хлоридасеребра небольшого слоя соли достаточно, чтобы раствор, содержащий ионы хлора,в который затем опускают электрод, был бы насыщен хлоридом.
методикапроведения опыта.
потенциодинамическийрежим.
Работа с потенциостатом при использовании развертки потенциала проводитсяв следующем порядке:
1. Перед началомработы необходимо посчитать и выставить скорость развертки потенциала, диапазонтока, скорость движения диаграммной ленты.
2. Проверитьвключение потенциостата.
| Блок БП – тумблер «сеть» | В верхнем положении |
| Блок БВВ – тумблер «сеть» |
| Блок БВВ – тумблер «анод» | В верхнем положении |
| Блок БП – кнопка «60 – А и Б» | Нажата |
3. На блоке БУ
· Переключатель
| Ячейка откл. | / | Ячейка вкл. | - | в положении ячейка откл. |
· Переключатель«род работы» - в положении «ток», а на правой боковой панели потенциостататумблер «ток-потенциал» - в положении «ток»
· К клеммам mA1 подключен внешний миллиамперметр, тумблер – в верхнемположении, шкала прибора на mА устанавливается в положении 7,5 А с постепенным повышениемчувствительности шкалы прибора в процессе работы.
· Переключатель«множитель тока» - не используется и находится в крайнем правом положении.
4. Скоростьразвертки потенциала равна произведению значения «амплитуды» на «множительскорости» (блок БЗН).
5. Скорость движениядиаграммной ленты указана в работе и выставляется на КСП.
6. Диапазон токавыставляется для каждой задачи конкретно (блок БУ).
7. На блоке БНЗ:
| Уст.0 работа | - в положении «работа» | |
| + | устанавливается в положении «+», если снимается | |
| 0 | анодная поляризационная кривая; «-» - если снимется | |
| - | катодная поляризационная кривая | |
| подъем сброс | - в положении «сброс» |
8. Подключитьячейку.
9. По шкале mА на блоке БВВ определяем знак иначальное значение ЭДС (система рабочий электрод – электрод сравнения), скоторого будет начат эксперимент. Обратить внимание на положение «шкалаприбора», V (крайний правый переключатель).
10. Переключатель напряжений установить вположение U2(блок БНЗ). Выставить с помощью переключателейзадатчиков напряжений U2 величину значения ЭДС (система рабочий электрод – электродсравнения). Величина начального напряжения выставляется тремя задатчикаминапряжения в диапазонах 1V; 0,1V; mV. Численное значение ЭДС получаетсясложением всех трех величин.
11. Подать напряжение на ячейку, для чегопереключатель «род работы» на блоке БУ установить в положение «ячейка вкл.».
12. На блоке БЗН включить тумблер«подъем-сброс» в полложение «подъем». Должны наблюдать развертку тока. Навнешнем миллиамперметре, подключенном к клеммам mА1 (mА2)на блоке БУ.
13. Развертку потенциала должны наблюдатьна миллиамперметре (блок БВВ).
14. По окончании работы необходимопроизвести выключение потенциостата в следующем порядке:
· тумблер «подъем /сброс» в положении «сброс»
· переключатель наблоке БУ
| Ячейка откл. | / | Ячейка вкл. | - | в положении ячейка откл. |
· выключить тумблердвижения диаграммной ленты на КСП.
Снимаются кривые, для полученияхарактеристик, в частности, величины перенапряжения при выделении газа накатоде и аноде. Из полученных экспериментальных данных проводится расчетэнергетических и тепловых затрат.
результаты снятия вольт-амперных характеристик.
1. Анод. Электролит Na2SO42г/л
2. Катод. Электролит Na2SO42г/л
3. Анод. Электролит Na2SO42г/л + 0,05 мл масла
4. Анод. Электролит Na2SO42г/л + замасливаниеанода 0,1 мл масла в 10 мл ССl4.
5. Анод. Электролит Na2SO42г/л + замасливаниеанода 0,2 мл масла в 10 мл ССl4.
6. Анод. Электролит Na2SO42г/л + замасливаниеанода 1 мл масла в 10 мл ССl4.
1. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0,1 мл ПАВ
2. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0,15 мл ПАВ
3. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0,5 мл ПАВ
4. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 1,5 мл ПАВ
5. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 3 мл ПАВ
6. Катод. Электролит Na2SO4 2г/л + 3 мл ПАВ
7. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0,01 мл скипидара
8. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0,01 мл скипидара + 0,05млмасла + 3мл ПАВ
9. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0,01 мл скипидара + 0,05млмасла + 3мл ПАВ + K2Cr2O7 2 мг/л
Растворы выбирались с учетомкомпонентов, присутствующих в сточных водах данного машиностроительногопредприятия. Сточные воды содержат маслосодержащие компоненты, ПАВ из ваннпромывки, скипидар и масло из камеры окраски, K2Cr2O7из гальванического цеха хроматирования. Так же они были выбраны с максимальноприближенными концентрациями, соответствующими концентрациям веществ,находящихся в сточной воде предприятия. В модельных растворах присутствуюткомпоненты, содержащиеся в сточной воде.
Обсуждение результатов.
За эталон был принят растворэлектролита, не содержащий примесей. Как видно из кривых 1 и 2 анодная икатодная поляризация мало отличаются друг от друга, к тому же приэлектрофлотации с нерастворимыми электродами наиболее важен анодный процессвыделения кислорода, а катодный является только усиливающим, поэтому вдальнейшем мы будем рассматривать только анодные кривые. Кривая 3 (с полностьюрастворенным маслом) так же не сильно отличается от эталона. При замасливанииэлектродов (кривые 4, 5 и 6) перенапряжение на электроде увеличивается икачество очистки резко уменьшается с повышением замасливания и степень очисткиуменьшается, но при добавлении ПАВ (кривые 1., 2., 3., 4. и 5.) эффективностьувеличивается, т.к. ПАВ предотвращает замасливание, и степень очистки так жеувеличивается. Присутствие растворителя (кривая 7) ухудшает процесс очистки, посравнению с эталонной кривой, однако как видно на кривой 8, перенапряжение нааноде при совместном присутствии всех, рассматриваемых ранее, компонентовстепень очистки достаточно высокая. Как видно из кривой 9, присутствие хрома всточной воде не вызывается большой степени перенапряжения, и степень очисткипри совместном присутствии компонентов достаточно высока.
расчет основного оборудования и основных операций.
Расчет электрофлотатора.
Материальные потоки в электрофлотаторе.
Исходныеданные:
I = 50 А - токовая нагрузка на аппарат;
tоэл=25оС – температураэлектролита;
Вт=98%;
Расстояниемежду электродами 5 – 10 мм
Экспериментальныеданные по составу воды, поступающей в аппарат:
Na2SO4=2000 мг/л, Скипидар=0,01 мг/л, Масловеретенное=5 мг/л, ПАВ «Брулин»=30 мг/л, K2Cr2O7 =0,02 мг/л
рН=8,5
Катодныереакции
H2O→H2 + ОН- - 2ē
Анодные реакции
2H2O→O2+4H++4ē
Определениерасхода воды при электрофлотации, GH2O
где GH2O кг/ч - количество воды, вступившее вэлектрохимическую реакцию на электроде;
Вт - выход потоку, доли единицы;
М = 18 -молекулярная масса воды;
26.8 - количество электричества, равная 1Р, А-ч;
n = 4, 2соответственно - количество электронов, участвующих в электрохимическойреакции.
G1H2O = 0,0082 кг/ч - количество воды, вступившее вреакцию на аноде.
G2H2O = 0,0165 кг/ч - количество воды, вступившее вреакцию на катоде.
GH2O = G1H2O + G2H2O
GH2O = 0,0247 кг/ч
Определениеколичества образовавшихся газов
где кг/ч- количествообразовавшегося водорода,
МН2= 2 - молекулярная масса водорода;
n = 2 - количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.
= 0,0019 кг/ч
где кг/ч- количествообразовавшегося кислорода,
МO2 = 32 - молекулярная масса кислорода.
= 0,2195 кг/ч
Определение количества растворителя (воды), уносимого сгазообразными продуктами
а)Определение количества растворителя, уносимого с водородом
где t0эл = 25 - температура электролита, °С;
22,4 л - объем одного г-моль газа принормальных условиях;
р = 23,76 мм.рт. ст. = 23,76133 = 3167,2 Па = 31,672 - упругость водяного пара притемпературе электролита, гПа;
ρр= 0,02304 - плотность паров растворителя при t0эл, г/л.
= 5,5246 10-4 кг/ч
б) Определение количестварастворителя, уносимого с кислородом
где - количествообразовавшегося кислорода, кг/ч.
= 2,7623 10-4 кг/ч
Таким образомсуммарный расход воды на электролиз:
=0,0503 кг/ч
Энергетическийбаланс электрофлотатора.
Общая формуладля расчета напряжения на электрофлотаторе:
(Еа- Ек) + (hа - hк) + DЕконц + DЕдиф+ DUэл + DUд + DU1 + DUк ,
где U – напряжение на ячейке электролизера, В
Еа, Ек – термодинамические(обратимые) значения потенциалов анода и катода, В
Еа - Ек = Ет– теоретическое напряжение разложения, В
hа, hк – перенапряжение реакций на аноде и катоде, В
DЕконц – величины концентрационной поляризации на аноде икатоде , В
DЕдиф – диффузионный потенциал междуанолитом и католитом (при наличии диафрагмы), В
DUэл – падение напряжения в электролите ,В
DUд – падение напряжения в диафрагме, В
DU1 – падение напряжения в электродах итокоподводящих шинах, В
DUк – падение напряжения в контактах, В.
Для данного случая мы исключаем из расчета DЕдиф и DUд в связи сотсутствием диафрагмы. Также мы не рассчитываем DЕконц, так как процесс имеетэлектрохимическую природу. Величинами DU1 и DUк мы пренебрегаем в связи с малостью их вклада в общуювеличину напряжения на электрофлотаторе.
Расчеттеоретического напряжения разложения, Ет
Расчет проводится по доминирующимреакциям, которые идут с наиболее высокими выходами по току.
на катоде: 2H+ + 2е → H2
на аноде: H2O → 1/2O2+2H+ +2ē
суммарнаяреакция: H2O→ H2 + 1/2О2
В таблице приведены стандартные величины энергии Гиббса (DG0), энтальпии (DН0) и энтропии S° длякомпонентов и продуктов реакции.
Таблица
Мы ВКонтакте 
Трейлер о сайте 
