ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 1, с. 3-11
УДК 621.357:628.3:661.185.1
РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГИДРОКСИДОВ И ФОСФАТОВ МЕДИ, НИКЕЛЯ И ЦИНКА © 2015 г. А. В. Колесников, В. В. Кузнецов, В. А. Колесников, Ю. И. Капустин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
artkoles@list.ru Поступила в редакцию 08.08.2014 г.
Изучено влияние поверхностно-активных веществ различной природы на физико-химические параметры (размер частиц и электрокинетический потенциал) дисперсной фазы гидроксидов меди, никеля и цинка при концентрации поверхностно-активных веществ катионной, анионной и неионоген-ной природы 2, 10, 50 и 100 мг/л в интервале рН 9.5—10.5. Определена эффективность их электрофлотационного извлечения в пенный продукт при начальной концентрации 50 мг/л в виде флотошлама в лабораторном электрофлотационном модуле с малоизнашиваемыми оксидными электродами с эффективностью выше 95% при времени обработки не более 30 мин и плотности тока 0.2 А/л.
Ключевые слова: электрофлотация, труднорастворимые соединения цветных металлов, фосфат, гид-роксид, медь, никель, цинк, анионные ПАВ, катионные ПАВ, неионогенные ПАВ, электрокинетический потенциал частиц, размер дисперсных частиц, интенсификация.
Б01: 10.7868/80040357115010042
ВВЕДЕНИЕ
Электрофлотационный метод все чаще находит применение в технологиях очистки сточных вод, позволяя извлекать взвешенные соединения тяжелых, цветных металлов и эмульсий органических веществ [1—4]. Кроме того, электрофлотационный (ЭФ) метод исключает вторичное загрязнение воды, что позволяет эффективно использовать его в локальных системах водоочистки. В литературе отсутствуют сведения о факторах, влияющих на кинетику и эффективность извлечения труднорастворимых соединений тяжелых металлов (ИТМ) из многокомпонентных систем, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ). Ранее не исследовались физико-химические параметры электрофлотируемой частицы (заряд и размер) для ионов меди, никеля, цинка в присутствии органических веществ и ПАВ в процессах водоочистки. Вместе с тем органические поверхностно-активные вещества за счет своих специфических свойств нашли широкое применение в качестве основного компонента моющих средств, в гальванических процессах в операциях нанесения покрытий, растворах обезжиривания, в лакокрасочной и бумажной промышленности и часто встречаются в сточных водах [5, 6]. На практике электрофлотационный метод часто применяют для очистки сточных вод гальванических произ-
водств [7], от цветных металлов [8], в том числе от соединений хрома [9, 10] не только в РФ, но и за рубежом [11, 12].
В литературе описаны процессы формирования электролитических газов в ходе ЭФ процесса [12], а также перспективные области применения флотационных технологий [13, 14], их особенности [15, 16]. Освещены вопросы удаления цветных металлов электрокоагуляционным методом [17] и гальванокоагуляционным методом [18] и извлечение цинка [19], что свидетельствует об актуальности выбора направления исследования.
Электрохимические технологии также применяются для очистки от органических примесей, таких как фенол [20], в том числе за счет его окисления [21]. Сравнение окислительных методов [22] и извлечение взвешенных микропримесей описано в работе [23].
Целью работы является изучение эффективности электрофлотационного извлечения труднорастворимых соединений цветных металлов на примере меди, никеля, цинка и железа в присутствии поверхностно-активных веществ различной природы, а также установление физико-химических параметров извлекаемых частиц.
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Извлечение примесей из водного раствора осуществлялось в непроточном электрофлотаторе с нерастворимыми анодами. В качестве катода использовалась сетка из нержавеющей стали с размерами ячеек 0.5 х 0.4 мм и толщиной 0.3 мм, аноды изготовлены из титановой пластинки марки ВТ1-0 с пленочным покрытием из оксидов титана и рутения, нанесенными термическим разложением смеси солей. Лабораторный аппарат изготовлен из стекла, площадь поперечного сечения 10.2 см2, что соответствует рабочей поверхности анода. Высота аппарата 800 мм, объем раствора в аппарате 0.5 дм3. Питание электрофлотатора и контроль напряжения осуществлялось с помощью источника постоянного питания HY-3005.
Содержание органических компонентов определялось бихроматным методом по Лейте и оценивалось в единицах химического потребления кислорода (ХПК) [24]. Анализ на содержание ионов металлов (Сисх и Скон) проводили на атом-но-адсорбционном спектрофотометре марки "КВАНТ—АФА". Эффективность очистки оценивали по формуле а = ^———j х 100%, где
Сисх
а — степень извлечения. Контроль кислотности среды осуществлялся на рН-метре марки "И-160МИ", а также с помощью профессионального лабораторного рН, ОВП метра с магнитной мешалкой PHS-3D.
Определение дисперсного состава (r, мкм) и электрокинетические измерения Z-потенциала (мВ) проводились с помощью лазерного анализатора характеристик частиц субмикронного и на-нодиапазона методом M3-PALS (phase analysis light scattering). Измерения выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева.
В работе исследованы катионные, анионные и неионогенные ПАВ. В качестве катионных были использованы алкилбензилдиметиламмоний хлорид (катамин АБ), алкилбензилдиметиламмоний хлорид (катапав), алкилдиметил(2-гидрокси-этил)аммоний хлорид (катинол), дидецилдиме-тиламмоний хлорид (септапав), представляющие собой соли аминов (с различными органическими радикалами), предназначенные для использования в качестве активной основы в производстве дезинфицирующих средств широкого назначения, обработки воды, в качестве функциональных добавок в производстве технических моющих средств, товаров бытовой химии, текстильно-вспомогательных веществ (ТВВ), композиций для лакокрасочных материалов, синтетических каучуков, а также в составах для нефтегазодобычи.
В качестве анионных ПАВ были изучены доде-цилбензолсульфонат натрия (NaDBS, сульфанол, СпН2п + 1С6Н4SOзNa, где п = 12) и алкилбен-золсульфонат натрия (А-40), применяемые как основы композиций для очистки поверхности металлов, промывки бумагоделательных машин, пенообразующие агенты для домашнего хозяйства, первичный эмульгатор при эмульсионной полимеризации, смачиватели при подготовке поверхности металлов под лакокрасочное покрытие; для улучшения качества наносимых на готовые изделия гальванических покрытий; в радиотехнической промышленности, машиностроении — для очистки деталей и изделий.
В качестве неионогенных ПАВ, исследуемых в работе, применялись моноалкиловые эфиры по-лиэтиленгликоля с различными количествами оксиэтилированных групп, применяемые как активная основа синтетических моющих средств, эмульгаторы, смачиватели и для обезжиривания металлических поверхностей, такие как: поли-этиленоксид (Н[ОСН2СН2]пОН, ПЭО-1500), синтанол АЛМ-10 (СпН2п + 1о(с2Н4О)иН, где п = = 10-14; т = 8-10) и препарат ОС-20
(С18Н37О(С2Н4)20Н).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование процесса электрофлотационного извлечения труднорастворимых соединений цинка (II) в присутствии поверхностно-активных веществ различной природы. Влияние анионных ПАВ на электрофлотационное извлечение ионов цинка изучено при оптимальном значении рН электрофлотационного процесса при концентрации поверхностно-активных веществ 2, 10, 50 и 100 мг/л. При рН 9.5 в растворах, содержащих ПАВ, образуются более крупные хлопья, чем в системе без ПАВ, которые хорошо флотируются (рис. 1). Как видно из рис. 1, процесс извлечения дисперсной фазы гидроксида цинка протекает быстро и за 5— 10 мин электрофлотации степень очистки по ионам цинка достигает 90—96%. Остаточная концентрация ионов цинка через 30 мин обработки раствора составляет 0.5—1.0 мг/л. Таким образом, можно констатировать факт интенсификации процесса извлечения гидроксида цинка в присутствии анионных ПАВ в концентрации 10—100 мг/л. Аналогичное влияние на степень извлечения гидрок-сида цинка при электрофлотации оказывает другой анионный ПАВ — алкилбензолсульфонат натрия (А-40). В присутствии А-40 в количестве 2, 10, 50 и 100 мг/л степень извлечения достигает 98%. При добавлении в модельный раствор алкил-бензилдиметиламмоний хлорида (катамина АБ) в интервале концентраций ПАВ 50—100 мг/л степень очистки достигает значения 98—99%, остаточная
90 80 70 60 50 40 30 20 10
а, % 100
а, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
10 15 20
25 30 35 t, мин
5
0 5 10 15 20 25 30 35
t, мин
Рис. 1. Влияние концентрации NaDBS на степень извлечения гидроксида цинка при электрофлотации: 1 - 2 мг/л; 2 - 10 мг/л; 3 - 50 мг/л; 4 - 100 мг/л; 5 - без ПАВ. Условия эксперимента: Zn = 50 мг/л, Na2SO4 = 1 г/л, рН 9.5, V = 0.4 А/л.
Рис. 2. Влияние концентрации полиэтиленоксида (ПЭО-1500) на степень извлечения гидроксида цинка при электрофлотации: 1 — 2 мг/л; 2 — 10 мг/л; 3 — 50 мг/л; 4 — 100 мг/л; 5 — без ПАВ. Условия эксперимента: Zn2+ = 50 мг/л, Na2SO4 = 1 г/л, рН 9.5, V = 0.4 А/л.
концентрация цинка составляет 1.0—0.5 мг/л. Во всех случаях в растворе формировались достаточно крупные хлопья, которые при флотации равномерно поднимались вверх с образованием устойчивого пенного слоя.
Анализ лабораторных результатов показывает, что скорость электрофлотационного процесса значительно возрастает в присутствии катионо-активных ПАВ. В первые 5—10 мин обработки степень извлечения достигает 95—98% (для системы без ПАВ 77—90%). Величина степени извлечения катионных ПАВ составляет: для катамина АБ — 21%, катапава — 19%, катинола — 24% и септа-пава — 16%. Таким образом, катионные ПАВ стабилизируют процесс извлечения дисперсной фазы гидроксида цинка при флотации, включаясь в пенный слой.
Влияние концентрации и природы неионоген-ных ПАВ на степень извлечения гидроксида цинка показывает, что в присутствии синтанола (АЛМ-10) степень извлечения ионов цинка за 5 мин снижается на 15—20% при концентрации ПАВ 10—50 мг/л и наблюдается замедление процесса, при увеличении времени эле
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.