Влияние неионогенного ПАВ ОЖ-1 на электрофлотационное извлечение ионов трехвалентного железа

В статье авторы исследовали влияние неионогенного ПАВ ОЖ-1 на электрофлотационное извлечение ионов железа (III).

Ключевые слова: электрофлотация, ОЖ-1, неионогенный ПАВ, ионы железа (III), Fe ³⁺ .

В настоящее время все больше разрабатывают и внедряют различные технологические методы для обработки сточных вод с целью охраны водных ресурсов и утилизации ценных компонентов, содержащихся в отходах. При выборе технологий очистки сточных вод руководствуются соответствующим комплексным требованиям к водоочистке [1]:

1. Очистка от загрязняющих веществ до ПДК;
2. Рациональное потребление и организация водооборота;
3. Сокращение количества твердых отходов и их централизованная утилизация;
4. Регенерация, утилизация жидких отходов и их повторное использование;
5. Низкая стоимость очистки.

Одними из наиболее перспективных и эффективных способов, получивших широкое распространение в технологиях по очистке воды, являются электрохимические методы. Установки, применяемые на производстве, сравнительно компактны и обладают высокой производительностью. Процессы управления и эксплуатация достаточно просто автоматизируются. Помимо этого, электрохимические методы при правильном сочетании ее с другими технологиями очистки позволяют очищать сточные воды от многообразных загрязняющих примесей, отличающихся составом, дисперсностью, а также извлекать ценные химические продукты и металлы. При этом в процессе очистки солевой состав очищенной воды не увеличивается, а образование осадка уменьшается в количестве, в некоторых случаях практически отсутствует. Все это обеспечивает ряд существенных преимуществ перед традиционными методами очистки (отстаивание, фильтрация, биологическая очистка) [1].

Одним из таких эффективных и прогрессивных методов очистки сточных вод является электрофлотация, которая относится к одному из направлений флотационной очистки [2]. Суть метода заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через сточную воду образуются мелкодисперсные пузырьки газов H ₂ и O ₂ , которые равномерно распределяются в объеме жидкости [1]. Обладая большой подъемной силой, пузырьки, поднимаясь к поверхности раствора, сталкиваются с частицами загрязняющих веществ, прилипают к ним и флотируются, образуя флотошлам (пенный слой). Кроме того, в флотошлам выносятся и отдельные растворимые загрязнения, способные физически адсорбироваться на частицах (ПАВ) [3].

Для процесса электрофлотации применялись электролиты, в состав которых входили растворы FeCl ₃ (основной компонент), Na ₂ SO ₄ (компонент для улучшения электропроводности), ОЖ-1(неионогенный ПАВ).

В колбу на 500 мл набирали немного дистиллированной воды, добавляли раствор FeCl ₃ 0,5 мл с концентрацией 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 палочкой 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 .

Были проведены эксперименты по извлечению ионов железа в присутствии неионогенного ПАВ ОЖ-1 с различной концентрацией 0,1‑100 мг/л.

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

Таблица 1

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 2.

Таблица 2

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

Проанализировав рассчитанные значения с добавлением ОЖ-1, можно сказать, что наилучшей концентрацией для извлечения ионов Fe ³⁺ является 10 мг/л (α = 93 %). Но этот ПАВ оказывает незначительное влияние на степень извлечения (α _{Без ПАВ} = 92 %). Применение последующей фильтрации увеличивает степень извлечения ионов железа (III) до 97 %.

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

Рис.2. Влияние концентрации ПАВ ОЖ-1 (10–100 мг/л) на степень извлечения ионов Fe ³⁺ в водном растворе

Литература:

1. Колесников В. А., Меньшутина Н. В., Десятов А. В. Оборудование, технологии и проектирование систем очистки сточных вод. М.: ДеЛи плюс, 2016. 289 с.
2. Саплин Л. А., Старших В. В. Лабораторные исследования процесса электрофлотации сточных вод // Достижения науки и техники. 2011. № 12. С. 69–70.
3. Гайдукова А. М. Извлечение металлов переменной валентности из водных растворов с использованием электрохимических и физических методов: дис. … канд. техн. наук. М., 2016. 155 с.