способ стабилизации суспензий гальванических шламов путем ферритизации

Формула изобретения

1. Способ стабилизации суспензии гальванических шламов ферритизацией, включающий смешение суспензии гальваношламов с щелочным реагентом до pH 9 - 10, введение в суспензию водорастворимой соли двухвалентного железа, нагрев смеси до 70 - 80^oC, отличающийся тем, что водорастворимую соль двухвалентного железа вводят в суспензию перед смешением ее с щелочным реагентом, а нагрев смеси осуществляют со скоростью 3 - 4 град/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение массы ионов двухвалентного железа к массе твердой фазы суспензии составляет 0,06 - 0,08.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к радио- и электронной промышленности, и может быть использовано в гальванических производствах для химической стабилизации осадков, образующихся при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ).

Задача изобретения - снижение токсичности гальванических шламов (ГШ) до уровня, допускающего их последующее захоронение в открытый грунт без угрозы загрязнения почвы ионами тяжелых металлов выше допустимых норм.

Известны способы химической стабилизации ГШ путем их отверждения с использованием неорганических и органических связующих в производстве строительных материалов (авт.св. СССР N 1342888, кл. C 04 B 1/2; авт. св. СССР N 1447786, кл. C 04 B 22/06 и др.), в соответствии с которыми ГШ после предварительной подготовки добавляется в основной материал в количестве 5 - 10 мас.%.

Данные способы обладают рядом существенных недостатков, а именно:

требуются большие капитальные и эксплуатационные затраты на подготовку и дозирование ГШ;

существенно ухудшается экологическая ситуация основного производства;

получаемая продукция из-за наличия в ней ИТМ может иметь только ограниченное применение.

Известны также способы химической стабилизации ГШ путем их ферритизации в момент образования гидроксидов тяжелых металлов при очистке сточных вод гальванопроизводств (Запольский А.К., Образцов В.В. Комплексная переработка сточных вод гальванического производства. - К: Тэхника, 1989, 199 с), сущность которых заключается в том, что в сточные воды вводят водорастворимые соединения двухвалентного железа, которое в щелочной среде при повышенных температурах (до 90^oC) в присутствии окислителей образует с ионами тяжелых металлов ферриты с общей формулой.

Недостатками этого метода являются недопустимо большие энергозатраты на подогрев сточных вод и повышенный расход ферритизирующих реагентов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ химической стабилизации осадков, образующихся при очистке сточных вод гальванопроизводства от ИТМ (Дыханов Н.Н., Зацепина Л.Н., Курганов Е.В. К вопросу о химической стабилизации осадков, образующихся в процессах очистки сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов. - В сб. "Экологические проблемы в гальваническом производстве". Материалы семинара, проведенного в 1992 г. обществом "Знание". - М.: ЦРДЗ, 1992, с. 135 - 137).

Согласно данному способу ферритизации подвергается отстоявшийся осадок, путем его смешивания с щелочью до pH 9 - 10, катализатором ферритизации, нагревания смеси до 70 - 90^oC и введения в суспензию соли двухвалентного железа при барботировании воздуха.

У прототипа и предлагаемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки:

в качестве ферритизирующего реагента используются водорастворимые соли двухвалентного железа, необходимые для получения ферритов;

нагревание суспензии и создание щелочной среды, как необходимые условия образования ферритов.

Основным недостатком прототипа является необходимость использования катализатора и барботажа воздуха.

Это обусловлено тем, что усложняется и удорожается процесс, в частности требуется регенерация катализатора, его производство, а барботирование воздуха приводит к техническому усложнению реактора ферритизации.

Цель изобретения - упрощение и снижение стоимости технологии химической стабилизации гальваношламов за счет сокращения стадийности процесса и использования дешевых и доступных реагентов.

Для достижения поставленной цели изобретение содержит следующие общие, выраженные определенными понятиями существенные признаки, совокупность которых направлена на решение только одной связанной с целью изобретения задачи:

изменение последовательности введения реагентов в суспензию, а именно на первой стадии осуществляется ввод соли двухвалентного железа, а на второй - раствора щелочи, при этом происходит образование смешанных комплексных соединений железа (II) с ионами тяжелых металлов

(3-n)Fe²⁺ + nMe²⁺ + 6OH^- ---> Fe_3-nMe_n(OH)₆;

осуществление постепенного разогрева реакционной смеси до 70 - 80^oC, необходимого для обеспечения достаточной скорости окисления образовавшихся соединений в феррит без катализатора и барботажа воздуха

Fe_3-nMe_n(OH)₆ + O₂ ---> Me_nFe_3-nO₄ + 2H₂O + 2OH^-,

при этом необходимые для этого процесса окислители частично содержатся в шламе в виде адсорбированных на твердых частицах окислителей, частично поступают из воздуха (кислород) при контакте последнего с зеркалом суспензии;

плавный подъем температуры со скороcтью 3 - 4^oC в минуту необходим для создания умеренной скорости окисления и способствования, тем самым, формированию более плотного и прочно связанного с твердыми частицами слоя ферритов, которые являются определяющим фактором в процессе стабилизации гальваношламов.

Совокупность указанных общих существенных признаков дополняет, развивает и уточняет частный отличительный признак, который направлен на решение той же задачи: отношение массы ионов железа (II) к массе твердой фазы в суспензии должно составлять 0,06 - 0,08. Избыток железа нежелателен из экономических соображений, а при меньших соотношениях не удается получить достаточно надежный ферритный слой на частицах шлама.

По сравнению с прототипом изобретение имеет следующие отличительные признаки:

иной порядок введения реагентов: вначале вводится соль железа и затем щелочь;

постепенный подъем температуры в определенном режиме, способствующий в отсутствие катализатора и подачи окислителя образованию прочной ферритной оболочки на частицах твердой фазы суспензии;

определенное соотношение соли железа и массы твердой фазы суспензии.

Данные отличительные признаки взаимосвязаны между собой, так как от них зависит прочность ферритного слоя, и тем самым за счет снижения стадийности процесса (по сравнению с прототипом) достигается цель изобретения.

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь: выполнение всех отличительных признаков необходимо для достижения цели, так как только при их совместном выполнении удается получать устойчивую стабилизацию ГШ с минимальными энерго- и материальными затратами, упростить технологию и снизить капитальные затраты на его промышленную реализацию.

Для осуществления процесса ферритизации по предлагаемому способу используется типовое оборудование станций нейтрализации гальванопроизводств, что также способствует достижению цели изобретения.

Выбор граничных значений параметров обусловлен тем, что если будут превышены верхние границы по температуре и по соотношению масс железа и твердой фазы, то это приведет к увеличению энерго- и материальных затрат на стабилизацию ГШ, и, следовательно, цель изобретения может быть не достигнута. Если же выйти за нижний предел граничных значений, то получается шлам, не обладающий достаточной устойчивостью по выщелачиванию из него ионов тяжелых металлов.

Эти данные подтверждены лабораторными исследованиями в аппаратах емкостью от 1 до 10 л, а также результатами физико-химических и аналитических исследований полученных образцов ферритизированных ГШ.

По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность предлагаемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов, сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупность признаков, которые отличают от прототипа предлагаемое изобретение, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в области машиностроения, а также в радио- и электронной промышленности с получением технологического результата, заключающегося в появлении новой возможности утилизации ГШ, технически легко реализуемой в условиях действующего производства и, следовательно, обусловливающей обеспечение поставленной цели - упрощение и снижение стоимости химической стабилизации ГШ за счет снижения стадийности процесса. Все это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Изобретение поясняется чертежом, на котором 1 - реактор ферритизации, 2 - мешалка, 3 - регулятор расхода пара, 4 - емкость для раствора соли железа, 5 - емкость для раствора щелочи, 6 - вакуум-фильтр.

Способ химической стабилизации суспензии гальванических шламов путем ферритизации может быть реализован на действующих станциях нейтрализации гальванопроизводств с помощью следующих материальных объектов: реактора ферритизации 1 с мешалкой 2 и системой подачи острого пара с регулирующим вентилем 3, емкостей 4 и 5 для соли железа и щелочи, а также вакуум-фильтра 6.

Так, например, согласно первому пункту формулы изобретения процесс химической стабилизации суспензии ГШ путем ферритизации целесообразно осуществить следующим образом.

В реактор 1, заполненный до определенного уровня суспензией из илоуплотнителя, со станции нейтрализации гальваностоков при работающей мешалке 2 заливается рассчетное количество раствора соли железа (II) из емкости 4 и щелочи из емкости 5. После этого в реактор подается греющий пар, расход которого регулируется устройством 3 с таким расчетом, чтобы подъем температуры происходил со скоростью 3 - 4^oC в минуту. По достижении температуры в реакторе 70 - 80^oC содержимое реактора сливается на вакуум-фильтр, фильтрат поступает в усреднитель станции нейтрализации, а обезвреженный и шлам на захоронение.

Пример. Укрупненные лабораторные опыты проводились в реакторе объемом 10 л, в качестве ферритизирующего реагента использовали 10%-ный раствор сульфата железа (II) в расчете на безводную соль, а щелочного - 15%-ный раствор едкого натра. Влажность суспензии ГШ, поступающей из илоуплотнителя, составляла 95%, ее масса в реакторе - 6 кг, ее состав в пересчете на сухой остаток, мас. %: хром 15,0; медь 0,3; никель 1,8; цинк 2,4; железо 3,1; свинец 1,8; кадмий 0,3.

Технологические показатели процесса ферритизации и результаты анализов водных вытяжек из ферритизированных шламов представлены в таблице.

Как видно из представленных в таблице данных, при повышенных скоростях подъема температуры (5^oC/мин), т.е. при малом времени контакта (14 - 16 мин) по отдельным металлам возможно выщелачивание ИТМ выше допустимых норм. С другой стороны, снижение скорости подъема температуры ниже 3^oC/мин нецелесообразно, так как качество ферритного покрытия заметно не улучшается, а производительность реактора снижается.

Аналогичным образом было определено оптимальное соотношение массы ионов железа (II) к массе твердой фазы в суспензии. Снижение этого показателя ниже 0,06 не давало надежных результатов по допустимой степени выщелачивания, а повышение сверх 0,08 экономически нецелесообразно, так как надежная стабилизация ГШ наблюдалась в пределах 0,06 - 0,08.

Как показали результаты опытной проверки, при использовании способа обеспечивается достижение следующих показателей:

снижение стоимости химической стабилизации суспензий гальваношлама за счет сокращения стадий процесса и упрощения технологии;

существенное сокращение производственных издержек, связанных с необходимостью хранения ГШ на территории предприятий.

Согласно данным проведенных экспериментов, конструкторских проработок и расчетов предлагаемое изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами:

без использования дорогостоящих и дефицитных катализаторов предлагаемый способ позволяет получать из отходов III класса токсичности практически безвредные отходы, которые можно захоранивать в открытый грунт;

благодаря простоте аппаратурного оформления технология может быть реализована на любом действующем гальваническом производстве с использованием уже установленного типового оборудования станций нейтрализации;

срок окупаемости установки ферритизации не превышает одного года, так как обезвреживание 1 м³ шлама требует затрат в 60 - 80 тыс. руб., в то время как хранение этого шлама в контейнере на территории предприятия обходится ему в 400 - 500 тыс. руб

процесс обладает очень высокой производительностью; реактор емкостью 1,5 м³ позволяет обезвредить за 1 ч 3 м³ шлама.

Предлагаемый способ стабилизации суспензии гальванических шламов путем ферритизации представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит обезвредить огромное количество токсичных гальванических отходов, обеспечить охрану природы и, кроме того, сохранить для будущих поколений в виде искусственных месторождений источник ценных цветных металлов.

Изобретение оказывает отрицательное воздействие на состояние окружающей среды.

Предлагаемая технология получила одобрение экспертной комиссии областного комитета по охране природы и разрешение Ульяновского городского центра госсанэпиднадзора на внедрение на одном из предприятий города.