способ очистки воды от ионов металлов

Формула изобретения

СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ, включающий пропускание очищаемой воды между электродами электролизера с последующим отделением осадка, отличающийся тем, что перед пропусканием очищаемой воды через электролизер в нее вводят суспензию, полученную электроэрозионным диспергированием черных металлов в воде, в количестве 1 г твердого вещества суспензии на 1 10 г ионов металлов в воде с размером частиц диспергированных черных металлов 0,1 - 10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к водоочистке и может быть использовано при очистке сточных, промывных и других вод от примесей ионов металлов и других вредных веществ.

Известны электрохимические способы очистки сточных и промывных вод, заключающиеся в применении электролизера для очистки воды. Так в [1] описан электрохимический способ очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ путем анодного растворения алюминиевых электродов в электролизере, через который пропускают сточную воду, подлежащую очистке. Недостатком этого способа является большой расход электроэнергии в электролизере (по данным [1] при очистке воды с содержанием ПАВ до 100 мг/л энергозатраты составляют 2,5 кВт ч/м³.

Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением (прототипом) является электрокоагуляционный способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, описанный в [2] По этому способу исходную воду, содержащую ионы тяжелых металлов и растворенные соли с концентрацией последних не менее 0,3 г/л, пропускают между железными или стальными электродами электролизера. В электролизере происходит электролитическое растворение металла анода с образованием ионов железа и гидроксида железа, получающегося в результате взаимодействия ионов двухвалентного железа и ОН-радикалов диссоциируемой в электролизере воды. Затем происходит химическое восстановление ионов тяжелых металлов, содержащихся в очищаемой воде, ионами двухвалентного железа и гидроксидом железа. Кроме того, в электролизере происходит и прямое восстановление растворенных ионов тяжелых металлов в результате катодных электрохимических процессов. Образующиеся гидроксиды металлов и продукты их взаимодействия с ионами тяжелых металлов коагулируют и выпадают в осадок. Его затем отделяют от воды осаждением или флотацией и фильтрацией.

Недостатком этого способа являются большие удельные затраты электроэнергии и металла электродов (железа) в электролизере на кубометр очищенной воды. Так, при обработке хромсодержащих сточных вод гальванического производства, содержащих 30-60 мг шестивалентного хрома на 1 л воды, удельный расход электроэнергии, по данным [2] составляет 2-6 кВтч/м³, а железа электродов (растворимого анода) 150-300 г/м³. Недостатком является ограниченный ресурс работы электродов, обусловленный расходованием их металла в результате анодного растворения, а также низкая степень очистки воды.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение энергозатрат на очистку воды, а также увеличение ресурса работы электродов электролизера и степени очистки воды.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе очистки воды от ионов металлов путем пропускания ее между электродами электролизера с последующим отделением осадка от воды, в очищаемую воду перед подачей ее в электролизер вводят суспензию, полученную электроэрозионным диспергированием черных металлов в воде.

В наших исследованиях выявлено, что электроэрозионное диспергирование черных металлов в воде приводит к существенной перестройке их кристаллической структуры. Продукты электроэрозии представляют собой высокодисперсный (0,1-10 мкм) порошок, взвешенный в воде, частицы которого имеют преимущественно сферическую форму. Они состоят из железа, имеющего в результате электроэрозионной обработки предельно высокодисперсную кристаллическую структуру и очень высокую плотность дефектов кристаллической структуры, что приближает их по некоторым свойствам к аморфным сплавам (металлическим стеклам). В результате химическая активность металла электроэрозионных порошков оказывается намного выше, чем у обычного монолитного металла. Так, например, железо электроэрозионного порошка уже при комнатной температуре вытесняет водород из воды, образуя магнетит. Свежеобразованный магнетит, полученный таким путем, также обладает повышенной химической и сорбционной активностью. Это используется в известном способе очистки воды от ионов тяжелых металлов и других примесей суспензией, получаемой электроэрозионным диспергированием железа в воде. В наших исследованиях выявлено также, что железо электроэрозионного порошка частично растворяется в слабокислых водах (при рН=3-5). Кроме того, выявлено, что металл электроэрозионных порошков имеет меньшую работу выхода электрона, чем монолитный металл. Последние два обстоятельства и позволяют в предлагаемом способе очистки воды с помощью электролизера, во-первых, легко достигать за счет растворения железа суспензии в слабокислой воде достаточно высокой плотности ионов железа в воде электролизера при меньших плотностях тока на электродах электролизера, чем в известном электрокоагуляционном способе очистки воды. А во-вторых, позволяет достигать достаточно большой плотности тока в электролизере при гораздо меньшем электрическом напряжении на его электродах, чем в известном способе, что и дает экономию электроэнергии. В наших исследованиях также выявлено, что частицы электроэрозионного железа в воде играют роль катализатора, способствующего быстрому окислению в электролизере ионов тяжелых металлов кислородом без расходования железа. Например, шестивалентный хром доокисляется до трехвалентного. Это позволяет уменьшить расход железа электродов электролизера, и даже исключить этот расход и делать оба электрода электролизера (анод и катод) нерастворимыми и нерасходуемыми. Что и приводит к достижению второй цели изобретения.

Способ осуществляют пооперационно.

1. Берут сточную или промывную воду, содержащую ионы тяжелых металлов с концентрацией их до 500 мг/л и с содержанием растворенных солей (сульфатов, хлоридов или др.) не менее 100 мг/л. При меньшей концентрации солей в виде рекомендуется подкислить или подсолить воду.

2. Отделяют от исходной воды отстаиванием и/или фильтрацией или центрифугированием механические примеси и пленку нефтепродуктов.

3. Приготовляют суспензию электроэрозионным диспергированием железа или углеродистых сталей, или чугуна в воде. Размеры частиц железного порошка в суспензии рекомендуется делать в пределах 0,1-10 мкм. Концентрацию порошка в воде суспензии рекомендуется делать не более (T:Ж) 1:10 для обеспечения жидкотекучести суспензии. Приготовление суспензии можно осуществить в потоке той же сточной воды, подлежащей очистке. В этом случае упрощается последующая технология из-за отсутствия необходимости последующего смешивания очищаемой воды с суспензией. Но для получения более качественной суспензии и повышения надежности работы оборудования водоочистки рекомендуется осуществлять приготовление суспензии в уже очищенной воде на отдельной установке, не встроенной в технологическую цепочку аппаратов очистки воды. В этом случае выход из строя аппарата электроэрозионного диспергирования не приводит к остановке процесса водоочистки, поскольку оборудование водоочистки в этом случае работает на запасе суспензии, полученной ранее.

4. Осуществляют смешивание потока подготовленной по пп.1-2 сточной воды с суспензией, полученной по п.3. Смешивание можно осуществлять с помощью насоса или гидроэлеватора, или другого смесителя, в который подают суспензию из сосуда с суспензией с помощью дозатора или питателя. (При использовании устройства для получения суспензии, встроенного в технологическую линию очистки воды и при пропускании через это устройство всего потока очищаемой воды данная операция смешивания не нужна). Рекомендуется вводить суспензию в очищаемую воду из расчета расхода 1 г твердого вещества суспензии на 1-10 г ионов тяжелых металлов в очищаемой воде.

5. Направляют смесь сточной воды с суспензией в электролизер, работающий на проток, поддерживая порошок суспензии во взвешенном состоянии в воде за счет перемешивания, либо за счет восходящего потока воды.

6. Подают на электроды электролизера электрический ток от выпрямителя и осуществляют обработку воды в электролизере в проточном режиме.

7. Измеряют величину рН воды, выходящей из электролизера, если ее рН меньше 7, корректируют величину рН воды до 7-9 добавкой раствора щелочи или воды, имеющей рН более 9.

8. Обработанную в электролизере и подщелоченную до рН=7-9 сточную воду направляют в отстойник или в осветлитель, где выдерживают до оседания осадка, содержащего остатки суспензии и скоагулировавшие гидроксиды железа и тяжелых металлов.

9. Сливают из отстойника осветленную воду и пропускают ее через фильтр для улавливания остатков твердой фазы.

10. Обезвоживают фильтрацией или центрифугированием осадок из отстойника и направляют его на сушку, утилизацию или захоронение.

Наличие дополнительной операции пропускания смеси очищаемой воды с суспензией через электролизер существенно уменьшает расход суспензии на очистку воды и обеспечивает существенность отличия предлагаемого способа. Введение суспензии в электролизер приводит к резкому уменьшению энергозатрат на работу электролизера и уменьшению суммарного расхода железа, что является неожиданным эффектом, полезным для достижения цели изобретения.

П р и м е р 1. С помощью устройства, описанного в а.с.СССР N 663515, осуществляют электроэрозионное диспергирование в питьевой воде гранул железорудных металлизованных окатышей (ТУ14-1-435-87) производства Старооскольского электрометаллургического комбината. Удельные энергозатраты на диспергирование составляют 5 кВтч на 1 кг железа. Получаемую суспензию, состоящую из высокодисперсного (0,1-10 мкм) порошка частично окисленного до магнетита железа, имеющую концентрацию (Т:Ж) 1:10 (по массе) направляют в сосуд сборник суспензии. Подлежащую очистке сточную воду гальванического производства, содержащую примеси ионов тяжелых металлов, накапливают в сосуде усреднителе сточной воды, где происходит отстаивание механических примесей, содержащихся в воде. Затем воду из сосуда усреднителя пропускают через нефтеловушку, улавливающую пленку нефтепродуктов с поверхности воды. Из нефтеловушки вода поступает в сосуд сборник подготовленной воды. Из него воду, химический состав остающихся примесей в которой указан в таблице, подают с помощью насоса с байпасом в электролизер с расходом 1,8 м³/ч. При этом на вход насоса с помощью штуцера с регулировочным вентилем, врезанного в трубу подачи воды, подают дозатором суспензию из сосуда сборника суспензии. Расход суспензии указан в таблице. Крыльчатка (ротор) насоса осуществляет смешивание суспензии с очищаемой водой. Смесь очищаемой воды со взвешенной в ней суспензией подают в проточный электролизер с плоскими пластинчатыми электродами, выполненными из листовой стали Ст-3. Суммарная площадь электродов 18 м². В электролизере порошок суспензии поддерживается во взвешенном в воде состоянии, для чего подачу воды в электролизер осуществляют снизу вверх. На электроды электролизера подают электрическое напряжение 3,5 В от выпрямителя. При этом ток нагрузки составляет 200 А. Вытекающую из электролизера воду направляют в отстойник, где выдерживают в течение времени, указанного в таблице, до выпадения осадка. Осветленную воду из верхней части отстойника направляют на фильтрацию через песчаный фильтр, с помощью которого отделяют от воды остатки взвешенных частиц. А осадок из сосуда отстойника вместе с частью воды направляют на вакуумный фильтр пресс ФПАКМ, с помощью которого обезвоживают его. Воду-фильтрат с фильтр-пресса возвращают в сосуд-отстойник. А воду, выходящую из песчаного фильтра, анализируют на содержание примесей и направляют на повторное использование в качестве промывной воды в гальваническом производстве. Параметры и результаты экспериментов сведены в таблицу. В той же таблице приведены сравнительные данные экспериментов по очистке такой же сточной воды в тех же условиях на том же оборудовании, но без введения в очищаемую воду суспензии, т.е. по известному способу-прототипу. Для удовлетворительной работы электролизера без суспензии в воде потребовалось поднять напряжение на его электродах до 8 В. При этом ток нагрузки составил 500 А.

П р и м е р 2. Очистку промывной воды гальванического производства осуществляют так же, как и в примере 1, с тем отличием, что суспензию получают электроэрозионным диспергированием кусочков стали Ст3. Параметры и результаты экспериментов приведены в таблице.

П р и м е р 3. Очистку промывной воды гальванического производства осуществляют так же, как в примере 1, с тем отличием, что суспензию получают электроэрозионным диспергированием кусочков серого чугуна. Параметры и результаты экспериментов приведены в таблице.

П р и м е р 4. Очистку смеси сточных вод гальванического производства и производства печатных плат осуществляют так же, как в примере 1 с тем отличием, что всю очищаемую воду непосредственно перед подачей ее в электролизер пропускают через устройство для электроэрозионного диспергирования металлов, с помощью которого осуществляют электроэрозионное диспергирование в этой воде железорудных металлизованных окатышей. Образующийся высокодисперсный порошок железа выносится потоком очищаемой воды из этого устройства и вместе с ней попадает в электролизер. При этом в установке отсутствуют упоминавшиеся в примере 1 дозатор суспензии и насос-смеситель за их ненадобностью. Параметры и результаты экспериментов приведены в таблице.

П р и м е р 5. Очистку сточной воды гальванического производства осуществляют так же, как в примере 1, с тем отличием, что оба электрода электролизера выполнены нерастворимыми из листового титана. (Титановые электроды не расходуются при работе электролизера из-за сравнительно низкой плотности тока). Параметры и результаты экспериментов приведены в таблице.

П р и м е р 6. Очистку сточной воды гальванического производства осуществляют так же, как в примере 5, с тем отличием, что воду, поступающую из электролизера в сосуд-отстойник, подщелачивают, добавляя в нее раствор едкого натра и доводя рН этой воды до 7-9. Параметры и результаты экспериментов приведены в таблице.

Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами по сравнению с известным способом-прототипом:

уменьшаются удельные энергозатраты на очистку воды в результате существенного уменьшения энергозатрат в электролизере;

уменьшается суммарный расход металла (железа электродов и железа суспензии) на очистку воды;

увеличивается ресурс работы электродов электролизера за счет уменьшения или исключения расхода их материала при работе электролизера;

повышается степень очистки воды.