ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 2, с. 144-150
УДК 621.357:628.3:661.185.1
ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ МАЛОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ
ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ © 2015 г. В. А. Бродский, В. А. Колесников, В. И. Ильин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
vladimir_brodsky@mail.ru Поступила в редакцию 15.07.2014 г.
2_ 3_ 2_
Установлено, что введение в растворы, содержащие ионы цветных металлов, ионов С03 , Р04 и $ в качестве осадителей приводит к снижению в 1.5—2 раза значений среднего гидродинамического диаметра частиц дисперсной фазы dav по сравнению с растворами, содержащими в качестве осадителя ионы 0Н_. При этом электрокинетический потенциал частиц ^ сдвигается в область более отрицательных значений: —(25—55) мВ для фосфатов и сульфидов металлов. Введение в растворы флокулянтов приводит к укрупнению частиц в 1.5—3 раза в зависимости от типа флокулянта и природы дисперсной фазы. В отсутствие флокулянтов наиболее эффективно извлекаются частицы с размером 30—70 мкм и зарядом до —15 мВ. Отмечено, что частицы с высоким отрицательным зарядом поверхности не склонны к эффективной коагуляции, что отрицательно сказывается на процессе электрофлотационного извлечения. В этом случае наиболее эффективно применение флокулянта катионного типа, в присутствии которого происходит сдвиг значений ^-потенциала в более положительную область, что обеспечивает повышение эффективности электрофлотационного процесса в 1.5—2 раза, степень извлечения дисперсной фазы а достигает 98%.
Ключевые слова: электрофлотационное извлечение, малорастворимые соединения цветных металлов, эффективность, дисперсная фаза, флокулянт, водные растворы, электрокинетический потенциал.
БОТ: 10.7868/80040357115020037
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в практике очистки сточных вод от ионов металлов широкое распространение получили электрохимические методы [1]. Одним из наиболее современных и перспективных методов очистки сточных вод от ионов металлов является электрофлотация [2, 3]. Основным условием электрофлотационного извлечения ионов металлов из сточных вод является формирование и подъем на поверхность раствора малорастворимых частиц дисперсной фазы, а именно гидрок-сидов, оксидов, карбонатов, фосфатов и сульфидов металлов. Для повышения эффективности удаления твердой фазы в сточные воды добавляют различные высокомолекулярные органические соединения (флокулянты, поверхностно-активные вещества) [4, 5]. Такая обработка меняет дисперсные характеристики и электрокинетический потенциал (^-потенциал) взвешенных частиц, что может сопровождаться изменением их электрофлотационной активности [6, 7]. При этом становится невозможным проведение математического моделирования процесса флотации
в дисперсной смеси жидкой, твердой и газовой фаз [8, 9] в результате протекания адсорбционных процессов, что затрудняет практическое применение метода электрофлотации.
Исследование литературных источников показало, что данные о влиянии физико-химических характеристик частиц малорастворимых соединений металлов на эффективность процесса разделения фаз, в том числе методом электрофлотации, представлены ограниченно. Основное внимание уделяется вопросам определения физико-химических характеристики образования и устойчивости высокодисперсных систем металлов [10].
Отсутствуют данные о влиянии состава среды (рН растворов, природы металлов и ионов-осади-телей и флокулянтов) на дисперсный состав и ^-по-тенциал частиц в момент образования малорастворимых соединений (непосредственно перед началом процесса электрофлотации).
Целью работы является определение роли физико-химических характеристик дисперсной фазы и состава среды в интенсификации и повышении эффективности электрофлотационного про-
цесса извлечения малорастворимых соединении цветных металлов в присутствии осадителей различной природы в широком диапазоне рН из растворов с различными солесодержанием и температурой.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Объектом исследований являлись растворы, содержащие малорастворимые соединения цветных металлов: меди, никеля, кобальта и марганца. Изучены физико-химические характеристики и электрофлотационная активность коллоидно-дисперсных соединений металлов различной природы (Me(OH)2, MeCO3, Me3(PO4)2, MeS) в воде. Исходная концентрация металлов в исследованных растворах — до 100 мг/л, массовое соотношение металл/ион-осадитель [Me"+]/[Anm-j — 1/1.5.
Исследовано влияние высокомолекулярных соединений (флокулянтов) серии "Superfloc" анионного (A-137), катионного (C-496) и неионного (N-300) типов на процесс формирования и извлечения частиц дисперсной фазы, концентрация флокулянтов — 0.5—2 мг/л.
Процесс электрофлотационного извлечения малорастворимых соединений цветных металлов проводился в непроточном аппарате объемом 0.5 л с нерастворимыми электродами. Анод — титановая пластина с оксидным рутениево-титановым покрытием, катод — сетка из нержавеющей стали.
Электро флотационную активность частиц дисперсной фазы оценивали по степени извлечения а (%), которую рассчитывали как отношение разницы между исходным и конечным содержанием металла в растворе к исходному содержанию (суммарно в дисперсной и ионной формах): а = [(С0 — Ст/С0]100%. Исследование электрофлотационной активности частиц проводилось в интервале объемных плотностей тока iv = 0.1—0.4 А/л.
Измерение массовой концентрации металлов в растворах осуществлялось по стандартизованной методике на атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ-АФА. Размер частиц определялся методом лазерной дифракции с использованием физического принципа рассеяния электромагнитных волн с помощью лазерного анализатора частиц AnalyseTTe NanoTec. Измерение дзета-потенциала частиц основывалось на измерении электрофоре-тической подвижности частиц в жидкости и проводилось на лазерном анализаторе характеристик частиц субмикронного и нанодиапазона Malvern Zetasizer Nano.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние рН среды на поверхностные характеристики и электрофлотационную активность мало-
Z, мВ 10
0 -10 -20
13 pH
Рис. 1. Зависимость ^-потенциала частиц труднорастворимых соединений меди от рН раствора: 1 — 0.1 г/л №28О4; 2 - 1 г/л №28О4.
растворимых соединений цветных металлов. Проведенное ранее авторами исследование влияния рН среды на растворимость, физико-химические свойства и электрофлотационную активность гидроксидов металлов показало, что выбор рН процесса электрофлотационной очистки сточных вод от ионов металлов на основе данных о растворимости дисперсной фазы не является оптимальным. Показано, что эффективность процесса очистки зависит от физико-химических характеристик частиц дисперсной фазы [11].
В связи с этим изучено влияние рН среды на дисперсные характеристики, электрокинетический потенциал и электрофлотационную активность частиц дисперсной фазы цветных металлов в растворах с низким и повышенным содержанием сульфата натрия (0.1 и 1 г/л соответственно). Исследования в растворе с низким содержанием №28О4 позволили выявить изоэлектрическую область, в то время как второй раствор приближен к реальным сточным водам.
На примере малорастворимых соединений меди показано, что в растворе, содержащем 0.1 г/л №28О4, кривая зависимости <^-рН пересекает ось абсцисс при рН 8.5-9 (изоэлектрическая точка р1) (рис. 1, кривая 1). Далее происходит перезарядка поверхности частиц, знак заряда меняется с положительного на отрицательный. В растворе, содержащем 1 г/л №28О4, заряд частиц дисперсной фазы отрицательный во всем интервале рН (рис. 1, кривая 2), что связано с высокой сорбционной
активностью ионов на свежеобразованных частицах дисперсной фазы [12]. С повышением рН растворов до 11-12 значения ^-потенциала частиц дисперсной фазы в обоих растворах максимально приближаются друг к другу. Зависимости аналогичного характера получены для частиц никеля и марганца.
Таблица 1. Влияние дисперсных характеристик и (^-потенциала частиц малорастворимых соединений никеля и марганца на их электрофлотационную активность в интервале рН 9—12
рН №2+ Мп 2+
ёач, мкм >10 мкм*, % С, мВ атах, % ёач, мкм >10 мкм*, % С, мВ атах, %
9 38 6 -1 95 35 6 -3 31
10 64 3 -1 97 55 3 -6 96
11 89 1 -4 99 52 4 -27 78
12 69 2 -5 98 49 5 -39 75
* Содержание мелкодисперсной фазы с размером частиц менее 10 мкм, %.
Полученные ранее результаты позволили авторам предложить механизм формирования заряда дисперсной фазы в зависимости от рН раствора [12]. Дальнейшие исследования проводились на растворах, содержащих 1 г/л №2804.
Анализ дисперсных характеристик малорастворимых соединений меди показал, что с повышением рН растворов средний гидродинамический диаметр частиц возрастает с 33 мкм (рН 6) до 45—50 мкм (рН 7—9). Дальнейшее повышение рН приводит к постепенному уменьшению размера частиц. Минимальное значение среднего гидродинамического диаметра (23 мкм) достигается в растворе с рН 12.
Определено, что наиболее эффективно процесс извлечения протекает в интервале рН 8—9, степень извлечения частиц достигает максимальных значений (97—98%) через 7—10 мин после начала процесса. Повышение рН растворов до 10—11 оказывает минимальное влияние на степень извлечения (атах = 96—97%), в то время как скорость процесса несколько снижается. При рН 12 частицы дисперсной фазы малорастворимых соединений меди не образуют устойчивых флотоком-лексов. Извлечение дисперсной фазы крайне затруднено.
Аналогичные исследования проведены для малорастворимых соединений никеля и марганца. Полученные данные представлены в табл. 1.
Показано, что с повышением рН растворов в интервале 9—12 значения частиц дисперсной фазы обоих металлов проходят через максимум. При этом ^-потенциал дисперсной фазы никеля незначительно снижается, ^-потенциал дисперсной фазы марганца смещается в область высоко отрицательных значений.
Установлено, что максимальная степень извлечения атах частиц дисперсной фазы соединений никеля мало зависит от рН и составляет 97— 99%. Эффективность извлечения дисп
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.