способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов

Классы МПК:C02F1/46 электрохимическими способами
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-12-13
публикация патента:

Изобретение относится к очистке воды и водных растворов от анионов и катионов и может быть использовано для очистки природных вод, стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности. Очистку воды и водных растворов от анионов и катионов проводят электролизом переменным асимметричным током с использованием нерастворимых электродов, процесс электролиза проводят с барботажем воздухом при диаметре пузырьков воздуха больше межэлектродного расстояния с последующим введением в раствор комплексообразователя - соли железа двухвалентного (FeSO 4) - в соотношении 5:1 по отношению к начальной концентрации очищаемого иона и дальнейшим отстаиванием раствора в течение 8 суток. Технический результат - повышение степени очистки и снижение удельных энергозатрат. 1 табл., 6 пр.

Формула изобретения

Способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов электролизом переменным асимметричным током с использованием нерастворимых электродов, отличающийся тем, что процесс электролиза проводят с барботажем воздухом при диаметре пузырьков воздуха больше межэлектродного расстояния с последующим введением в раствор комплексообразователя - соли железа двухвалентного (FeSO 4) - в соотношении 5:1 по отношению к начальной концентрации очищаемого иона и дальнейшим отстаиванием раствора в течение 8 суток.

Описание изобретения к патенту

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

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

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

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

Задача изобретения - повышение степени очистки и снижение удельных энергозатрат.

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

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

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

Время отстаивания водного раствора 8 суток.

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

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

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

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

Степень очистки определялась по формуле, %:

способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов, патент № 2519383

где Сo, Ск - начальная и конечная концентрации очищаемого иона металла, мг/л.

Удельные энергозатраты W определялись по формуле, (кВт·ч)/м 3:

способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов, патент № 2519383

где I - сила тока, А;

U - напряжение на клеммах электродов, В;

способ очистки воды и водных растворов от анионов и катионов, патент № 2519383 - продолжительность электролиза, ч;

V - объем заливаемого водного раствора, м3;

10-3 - переводной коэффициент из Вт в кВт.

Степени очистки водного раствора равны: для никеля YNi =34,44%, для кадмия YCd=63,44%, для меди YCu =99,56%, для хрома YCr=99,98% и для железа YFe =99,28%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м 3.

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

Степени очистки водного раствора равны: для никеля YNi=34,62%, для кадмия YCd=63,74%, для меди YCu=99,63%, для хрома YCr=99,99% и для железа YFe=99,88%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м3.

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

Степени очистки водного раствора равны: для никеля YNi =24,23%, для кадмия YCd=46,75%, для меди YCu =81,23%, для хрома YCr=74,32% и для железа YFe =92,21%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м 3.

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

Степени очистки водного раствора равны: для никеля YNi=35,24%, для кадмия YCd=64,22%, для меди YCu=99,16%, для хрома YCr=99,98% и для железа YFe=99,58%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м3.

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

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

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

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

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

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

Результаты опытов по очистке от Cr6+ по сравнению с прототипом
СпособСo, мг/л Ск, мг/лПДК, мг/л Y, %W, (кВт·ч)/м3
По прототипу 0,50,02 0,001961,5-2
Предлагаемым способом 0,50,000199,98 0,47

Экспериментальные данные показали, что максимальная степень очистки достигается при электролизе воды и водных растворов барботированием воздухом с диаметром пузырьков больше межэлектродного расстояния, введением комплексообразователя - соли железа двухвалентного (FeSO 4), в соотношении 5:1 и отстаиванием раствора в течение 8 суток. При этом степени очистки водного раствора равны: для никеля YNi=34,44%, для кадмия YCd=63,44%, для меди YCu=99,56%, для хрома YCr=99,98% и для железа YFe=99,28%. Удельные энергозатраты составляют W=0,47 (кВт·ч)/м3.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2519383

patent-2519383.pdf

Класс C02F1/46 электрохимическими способами

способ обесшламливания оборотных сапонитсодержащих вод и устройство для его реализации -  патент 2529220 (27.09.2014)
способ получения активированной воды -  патент 2524927 (10.08.2014)
способ очистки подземных вод от ионов бора и устройство для его осуществления -  патент 2518627 (10.06.2014)
установка для электрохимической активации воды -  патент 2518606 (10.06.2014)
электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролита -  патент 2516226 (20.05.2014)
установка для получения продуктов анодного окисления растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов -  патент 2516150 (20.05.2014)
проточный электролитический элемент модульного типа -  патент 2503173 (10.01.2014)
устройство для обезжелезивания подземных вод -  патент 2501740 (20.12.2013)
способ приготовления электроактивированной воды -  патент 2501739 (20.12.2013)
способ лечения кожных заболеваний у овец -  патент 2501576 (20.12.2013)
Наверх