ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 10, с. 46-51
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ^^^^^^^^^^ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 621.357;628.3;661.185.1
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАРЯДА ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ТРУДНОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОВ
В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ © 2012 г. В. А. Бродский*, В. А. Колесников, А. Ф. Губин, В. И. Ильин
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва *Е-таИ: vladimir_brodsky@mail.ru Поступила в редакцию 14.10.2011
Показано, что рН растворов, природа и концентрация фоновых электролитов, наличие полиэлектролитов (флокулянтов) оказывают существенное влияние на процесс электрофлотационной очистки промышленных сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых и цветных металлов в виде труднорастворимых соединений. Это влияние проявляется через изменение поверхностных свойств и заряда частиц дисперсной фазы. Показано, что одним из решающих факторов во флотационном процессе очистки промышленных сточных вод является заряд частиц, который можно охарактеризовать величиной электрокинетического потенциала (^-потенциал). Предложены возможные механизмы формирования заряда частиц дисперсной фазы. Обсуждено влияние состава растворов на процесс формирования заряда частиц.
Ключевые слова: электрофлотация, промышленные сточные воды, гальванические производства, дисперсная фаза, ^-потенциал, ионы металлов, электролитический газ.
ВВЕДЕНИЕ
Гальванические производства относятся к одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды, что связано с образованием большого количества сточных вод, содержащих токсичные ионы тяжелых металлов. Эти производства также связаны с появлением твердых отходов, возникающих при реагентном способе обезвреживания сточных вод.
Снижение отрицательного воздействия гальванического производства на окружающую среду связано со многими факторами, но определяющий из них — эффективная очистка сточных вод. Поэтому разработка научных, технических и технологических основ процессов очистки является актуальной задачей для обеспечения химической безопасности.
Общепринятый процесс очистки промышленных сточных вод от ионов различных металлов (N1, Си, Zn, Сё и др.) заключается в изменении рН раствора, что сопровождается образованием взвешенных частиц, значительную часть которых составляют гидроксиды соответствующих металлов. Далее эти соединения извлекают из сточных вод путем осаждения, фильтрования или в результате электрофлотационного отделения от водной фазы. В последние годы значительное внимание уделяется исследованиям закономерностей электрофлотационной очистки сточных
вод, поскольку данный метод считается достаточно перспективным [1—4].
Для повышения эффективности удаления твердой фазы в сточные воды добавляют различные инициаторы процесса в виде органических или неорганических соединений или их смесей. Предполагается, что такая обработка сточных вод меняет заряд поверхности взвешенных частиц, что сопровождается изменением значений электрокинетического потенциала (^-потенциала).
У многих оксидов и гидроксидов в растворах с рН = 7—11 происходит полная компенсация по-тенциалообразующего слоя, т.е. все противоионы переходят в адсорбционный слой. В этом случае ^-потенциал дисперсной фазы становится равным нулю и образуется изоэлектрическая область, в которой возможно наиболее полное удаление частиц твердой фазы методом электрофлотации. Данный эффект связан с тем, что в процессе электрофлотационной обработки сточных вод образующиеся пузырьки электролитического газа приобретают заряд вследствие сорбции продуктов электролиза воды. Так, катодный водород сорбирует анионы ОН-, в результате чего формируется отрицательный заряд пузырька газа, а анодный кислород — катионы Н+, что приводит к образованию положительного заряда [1]. Таким образом, флотационное извлечение электронейтральных частиц (со значением ^-потенциала, близким к нулю) осуществляется как пузырьками
Z > о +
+ +
-Ь Í
-3QE-
и2
и,- . f-
-о:
+-
■Ъ O2
Z = о
О, I- I-
t ++о++
{ó> и2
О2
Z < о
£0>
и2
+ О2
Рис. 1. Схема процесса захвата частиц дисперсной фазы с различным ^-потенциалом заряженными пузырьками электролитического газа.
водорода, так и кислорода, что значительно повышает эффективность процесса очистки (рис. 1).
В то же время, сточные воды могут содержать катионы и анионы различной природы, поверхностно-активные вещества, окислители и восстановители. Это существенно изменяет состояние поверхности дисперсной фазы, т.е. значения Z-по-тенциала [1, 5], что в конечном виде сказывается на эффективности электрофлотационного процесса в целом.
Целью работы является описание механизмов формирования заряда частиц дисперсной фазы тяжелых металлов в растворах сточных вод различного состава для дальнейшей разработки подходов к получению частиц с заданным зарядом, требуемым для эфирной очистки растворов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ результатов
На первом этапе работы изучено влияние рН раствора на значение заряда дисперсных частиц на примере труднорастворимых соединений никеля и меди. Измерение Z-потенциала дисперсной фазы основывалось на измерении электро-форетической подвижности частиц в жидкости под действием приложенного электрического поля и проводилось на лазерном анализаторе характеристик частиц "Malvern Zetasizer Nano".
Концентрация ионов металла в опытах не превышала 50 мг/л. Эксперименты проводились в интервале рН растворов от начала гидроксидооб-разования до рН = 12. Перевод металлов в дисперсную форму и корректировка рН осуществлялись с помощью раствора NaOH. Изучено влияние рН на значения заряда частиц дисперсной фазы в инактивном электролите и растворе, содержащем 1 г/л Na2SO4. Выбор раствора обусловлен схожестью его состава с составом реальных сточных вод гальванических производств.
На рис. 2 представлена зависимость изменения величины ^-потенциала от рН раствора при формировании дисперсной фазы гидратирован-ных соединений никеля. Экспериментально установлено, что заряд поверхности твердой фазы и, соответственно, знак ^-потенциала меняется при изменении рН. Показано, что при увеличении рН раствора, не содержащего сульфат-ионов, кривая зависимости рН для дисперсной фазы никеля пересекает ось абсцисс при значении рН, равном 9.4, т.е. реализуется изоэлек-трическая точка (ИЭТ) — см. рис. 2, кривая 7. При дальнейшем увеличении рН заряд приобретает отрицательное значение.
В присутствии сульфат-ионов частицы дисперсной фазы гидроксида никеля заряжены отрицательно во всем интервале изменения рН — рис. 2, кривая 2. В интервале рН = 9—10 на кривой 2 наблюдается небольшой максимум, приближенный к положению изоэлектрической точки в растворе без сульфата.
Z, мВ
Рис. 2. Зависимость заряда частиц труднорастворимых соединений никеля от рН раствора: 7 — без фона, 2 — с фоном: 1 г/л Na2SO4.
48
БРОДСКИИ и др.
10 5 0
-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
С, мВ
13
Рис. 3. Зависимость заряда частиц труднорастворимых соединений меди от рН раствора: 1 - без фона, 2 - с фоном: 1 г/л Na2SO4.
На рис. 3 представлены зависимости аналогичного характера для дисперсной фазы меди. Экспериментом установлено, что в растворе без фоновых ионов кривая зависимости £-рН пересекает ось абсцисс при значении рН, равном 8.7 (рис. 3, кривая 1). С повышением рН ^-потенциал принимает отрицательные значения.
В растворе, содержащем №^04, во всем интервале изменения рН заряд частиц отрицательный. В то же время, в области рН = 8-9 на кривой формируется максимум, заряд частиц повышается с -17 до -12 мВ (рис. 3, кривая 2). С повышением рН раствора до 12 значения ^-потенциала частиц дисперсной фазы меди максимально приближаются к значениям потенциалов частиц в растворе без фона.
Исследования электрофлотационной активности труднорастворимых соединений никеля и меди показали, что как в растворе без фона, так и в растворе, содержащем сульфат натрия, наибо-
лее эффективно извлекаются частицы с наименьшим абсолютным значением электрокинетического потенциала, что хорошо соответствует теоретическим основам процесса флотации.
Представляло интерес исследование влияния природы дисперсной фазы на величину и знак электрокинетического потенциала. Для этого формирование дисперсной фазы в эксперименте проводилось в присутствии таких ионов-осади-телей, как фосфат- и карбонат-ионы. Также исследовано влияние флокулянтов различных типов на значения ^-потенциала. Полученные данные представлены в табл. 1.
Установлено, что в присутствии флокулянта анионного типа частицы дисперсной фазы приобретают резко отрицательный заряд: ^-потенци-ал колеблется в интервале от -40 до -60 мВ вне зависимости от природы извлекаемого соединения и наличия в растворе ионов применяемого фона. Введение в растворы флокулянтов катион-ного и неионного типов не приводит к существенному изменению значений зарядов частиц. В присутствии катионного флокулянта ^-потен-циал частиц принимает более положительное значение по сравнению с зарядом частиц в растворе без флокулянтов, а в присутствии неионного флокулянта ^-потенциал частиц во многом зависит от природы извлекаемых соединений и наличия в растворе ионов фона.
Природа иона-осадителя и извлекаемого металла, а также присутствие ионов фона оказывают существенное влияние на значение заряда частиц дисперсной фазы. Показано, что заряд труднорастворимых соединений никеля в присутствии принимает более положительное значение, чем в растворах без фона. В то же время, влияние ионов фона на значения электрокинетического потенциала труднорастворимых соединений меди не столь очевидно и, вероятно, зависит
Таблица 1. Зависимость ^-потенциала (мВ) частиц труднорастворимых соединений № и Си от природы иона-осадителя в присутствии флокулянтов различных типов
Ион-осадитель Без флокулянта Анионный Катионный Неионный
Металл рН без фона (1 г/л) без фона Na2S04 (1 г/л) без фона Na2S04 (1 г/л) без фона (1 г/л)
N1 ОН- 8-9.5 -6.8 -0.8 -45.7 -29.6 -5.4 -2.8 -6.1 -3
С02- -20.6 -14.4 -40.6 -32.2 -10.6 -5.7 -14.2 -5.66
РО4- -33 -33 -55.6 -39.1 -30.9 -25.4 -31.2 -23.2
Си ОН- 8.5-10.5 -1.0 -12.5 -36.9 -35.3 +3.7 -5.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.