Влияние неионогенного ПАВ (Пенетрант ЛЖ-6А) на степень электрофлотационного извлечения ионов железа (III)

В статье авторы изучают изменение электрофлотационной степени извлечения ионов Fe ³⁺ от концентрации неионогенных ПАВ.

Ключевые слова: электрофлотация, неионогенный ПАВ, ионы железа (III).

Метод электрофлотации используется в пищевой, нефтеперерабатывающей, машиностроительной промышленностях. Он применяется для очистки воды от разных примесей и растворенных в ней веществ.

Процесс электрофлотациии основан на пропускании постоянного электрического тока через воду. В результате чего образуются мелкодисперсные пузырьки кислорода и водорода, равномерно распределенные по всему объёму воды. Под действием выталкивающей силы эти пузырьки поднимаются наверх, по пути прилипая к загрязняющим веществам, и флотируются, образуя устойчивый пенный слой. Эффективность данного процесс зависит от числа и размера пузырьков выделяющихся газов. Главную роль здесь играют образующиеся на катоде пузырьки водорода, размер которых может достигать 10–40 мкм. Чем меньше их форма, тем лучше они растворяются в воде и больше захватывают мельчайших загрязняющих частиц. На размер пузырьков влияют: материал катода, его диаметр плотность тока и электропроводность. Изменяя плотность тока можно варьировать скорость флотации. Обычно, чем больше насыщение раствора пузырьками, тем выше скорость флотации, но до определенного предела. Увеличение плотности тока будет увеличивать поток пузырьков, и они начнут отрываться от частиц примесей. Электропроводность прямопропорционально влияет на размер пузырьков. Чем меньше она, тем меньше их размер [1,2,3].

Для процесса электрофлотации применялись электролиты, в состав которых входили растворы FeCl ₃ (основной компонент), Na ₂ SO ₄ (компонент для улучшения электропроводности), Пенетрант ЛЖ-6А (ПАВ).

В колбу на 500 мл набирали немного дистиллированной воды, добавляли раствор FeCl ₃ 0,5 мл с конценрацией 50мг/л, раствор Na ₂ SO ₄ 10 мл с концентрацией 1г/л, затем доводили до метки дистиллированной водой. Закрывали колбу, хорошо перемешивали и выливали содержимое в мерный стакан. Из мерного стакана отбирали 1 мл пробы в колбу на 50 мл и доводили до метки 2 % раствором HNO ₃ . Далее из колбы выливали содержимое в специальную ёмкость, плотно закрываем крышкой и отправляли на анализ в другую лабораторию.

Стакан ставили на магнитную мешалку, добавляли по маленьким каплям щелочной электролит и с помощью показаний рН-метра смотрели за изменением рН нашего раствора. В качестве вспомогательных электролитов использовались H ₂ SO ₄ и NaOH. Начальный рН раствора колебался в диапазоне 3,5–4,0. Данная работа проводилась при рН=7.

После достижения нужного значения рН, раствор тщательно перемешивали стеклянной палочной и отправляли в лабораторный электрофлотатор, предварительно промытый дистиллированной водой. Далее включали источник постоянного тока и регулятором устанавливали заданную величину тока, отмечая время начала электрофлотации.

Для осуществления электрофлотационного процесса применялся непроточный трубчатый электрофлотатор с нерастворимыми анодами (рис. 1).

Рис. 1 . Схема лабораторной электрофлотационной установки периодического действия: 1 — колонна электрофлотатора; 2 — вентиль для отбора проб; 3 — электродный блок; 4 — анод; 5 — катод; 6 — резиновая прокладка; 7 — источник постоянного тока

Установка изготовлена из оргстекла в виде вертикальной колонны (1) с внутренним диаметром 40 мм и общей высотой 800 мм. В нижней части расположен электродный блок (3), состоящий из катода (5) и анода (4), расположенных, друг относительно друга горизонтально на расстоянии 10 мм, при этом сетчатый катод расположен сверху, а пластинчатый анод — снизу. Края электродов изолированы друг от друга с помощью резиновой прокладки (6). Материал катода выполнен в виде сетки из нержавеющей стали, размер сетчатых ячеек — 0,5 х 0,4 мм, толщина проволоки — 0,3 мм. Материал анода — титан, покрытый активным слоем из смешанных изоморфных оксидов титана, кобальта и рутения (ОРТА). По высоте колонны расположен вентиль (2) для отбора проб воды. Питание электродов осуществляется источником постоянного тока (7).

После проведения процесса электрофлотации через вентиль (2) отбирали 1 мл пробы в колбу на 50 мл и доводили до метки 2 % раствором HNO ₃ . Далее из колбы выливали содержимое в специальную ёмкость, плотно закрывали крышкой и отправляли на анализ в другую лабораторию. Следующую пробу (1 мл) отбирали, предварительно пропустив раствор через фильтровальную бумагу. Далее проделывали те же самые действия, что и с предыдущей пробой.

Эффективность электрофлотационного процесса оценивается степенью извлечения α и рассчитывается по формуле:

α = (C _исх -С _кон )/ C _исх * 100 %,

где C _исх и C _кон — исходная и конечная концентрации дисперсной фазы в водной среде, г/м ³ .

Данные эксперименты проводились с целью узнать при каком значении pH будет наилучшее извлечение ионов железа с начальной концентрацией Fe ³⁺ 50 мг/л. А также определить влияние неионогенного ПАВ (Пенетрант ЛЖ-6А) на степень извлечения частиц.

Остаточная концентрация ионов железа (III) после электрофлотации (ЭФ) и фильтрации (Ф) приведена в таблице 1.

Таблица 1

Условия эксперимента: C _исх (Fe ³⁺ )=50 мг/л;

Степень извлечения Fe ³⁺ в процессе электрофлотации и последующей фильтрации приведена в таблице 2.

Таблица 2

Условия эксперимента: C _исх (Fe ³⁺ )=50 мг/л; = 1 г/л; I=0,4 А/ч; τ = 20 мин

Сравнив экспериментальные данные таблиц 1 и 2 при различных pH, можно сделать вывод, что электрофлотационное извлечение ионов Fe ³⁺ при рН=7,0 без добавления ПАВ идёт лучше, чем при рН=9. Поэтому следующие эксперименты будут проводиться при рН=7.

Далее были проведены эксперименты по извлечению ионов железа в присутствии неионогенного ПАВ Пенетрат ЛЖ-6А с различной концентрацией 0,1‑100 мг/л. Остаточная концентрация ионов железа (III) после электрофлотации (ЭФ) и фильтрации (Ф) в присутствии ПАВ (Пенетрант ЛЖ-6А) приведена в таблице 3.

Таблица 3

Условия эксперимента: C _исх (Fe ³⁺ )=50 мг/л; = 1 г/л; I=0,4 А/ч; τ = 20 мин

Степень извлечения Fe ³⁺ в процессе электрофлотации и последующей фильтрации приведена в таблице 4.

Условия эксперимента: C _исх (Fe ³⁺ )=50 мг/л; = 1 г/л; I=0,4 А/ч; τ = 20 мин

Сравнив полученные экспериментальные данные, было отмечено, что электрофлотационное извлечение частиц Fe ³⁺ будет наиболее эффективным при добавлении ПАВ (Пенетрант ЛЖ-6А) в количестве 1 мг/л. Степень извлечения достигла после электрофлотационного процесса и в результате последующей фильтрации

Рис. 2. Влияние концентрации ПАВ Пенетрат ЛЖ-6А (0,1–5 мг/л) на степень извлечения ионов Fe ³⁺ в водном растворе

Литература:

1. Ильин, В. И. Технология очистки сточных вод предприятий машиностроения и металлообработки с использованием электрофлотофильтрационных процессов / В. И. Ильин, В. А. Колесников, С. О. Вараксин, С. А. Герасимов // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. — 2007. — № 1. — С.68–70.
2. Колесников В. А., Ильин В. И., Капустин Ю. И. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / — М.: Химия. 2007. — 307 с.
3. Колесников В. А., Ильин В. И., Бродский В. А., Колесников А. В. Электрофлотация в процессах водоочистки и извлечения ценных компонентов из жидких техногенных отходов. Обзор // Теоретические основы химической технологии. — 2017. — Т. 51, № 4. — С. 361–375.