Способ очистки промывных сточных вод от ионов цинка
Изобретение может быть использовано в электрохимической промышленности для очистки промывных сточных вод гальванических цехов от ионов цинка. В промывную сточную воду, содержащую ионы цинка, добавляют адсорбент, интенсивно перемешивают в течение 25 минут и отстаивают в тонкослойном отстойнике из немагнитного материала, наружная сторона дна которого оборудована постоянными магнитами, и разделяют жидкую и твердую фазы. В качестве адсорбента используют ферромагнитные наноразмерные частицы пыли аспирации электросталеплавильного производства состава в массовых долях: железо общее 56%; влага 0,63%, медь 0,123%; нефтепродукты 0,08%; хром 0,11%; цинк 18,8%; остальное до 100% - ферриты, нерастворимые в HCl, при массовом соотношении ионы цинка : пыль аспирации электросталеплавильного производства 1:3…5. Предложенное изобретение обеспечивает очистку промывной сточной воды от ионов цинка с использованием вторичного сырья в качестве адсорбента. 2 табл.
Изобретение относится к области очистки промывных сточных вод гальванических цехов от тяжелых металлов, к которым относится цинк. Сточные воды, содержащие ионы цинка, относятся к наиболее распространенным, а цинк к одним из тяжелых металлов, вызывающих у человека нарушение белкового, углеводного, минерального обмена, снижение ферментативной активности, дистрофию внутренних органов, мутагенный и канцерогенный эффекты [1, 2].
Наиболее широкое распространение гальванические покрытия цинком получили в машиностроении, где с ростом производства увеличивается потребление воды и образование сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами. Предприятия машиностроения расходуют около 10% свежей воды, потребляемой всеми отраслями промышленности, при этом значительная часть ее, причем воды питьевого качества, использующаяся в гальваническом производстве [3].
Наиболее распространенные в настоящее время способы очистки промывных сточных вод - реагентный и электрокоагуляционный весьма энергоемки, а самое главное, не позволяют вернуть воду после очистки в оборотную систему [4].
Применение в качестве адсорбентов оксидов железа при очистке сточных вод от тяжелых металлов позволяет расширить диапазон величин рН при удалении их ионов, снижает степень минерализации очищенной воды, уменьшает расход реагентов и создает предпосылки повторного ее использования. В этом качестве фигурирует магнетит - Fe3O4 [5].
Известен способ удаления из сточных вод загрязнений, находящихся в ионном состоянии с использованием магнетита (А.С. 437720 СССР, МКИ CO2F 1/52. Способ переработки травильных железосодержащих растворов / В.Ф. Шипинский и др. - Опубл. 12.05.1963. Бюл. №10). Достоинство предложенного способа в том, что магнетит получают непосредственно из очищаемых растворов, недостатком - необходимость нагрева больших масс воды до температур, близких к температуре кипения, длительность процесса по времени и использование весьма коррозионностойкого оборудования.
Известен способ очистки сточной воды от ионов тяжелых металлов с использованием в качестве адсорбента природного магнетита, на котором формируется как на затравке магнитные агрегаты (Okamoto S. Magnetic structure and super magnetic properties of g-FeOOH. Flocculation in colloidal Dispersions. JEEE. 1974. T. 10. № 4. P. 923-926), и соль железа (II) при рН среды 14 окисляется кислородом воздуха и образует ферромагнитную гидрозакись железа (II) g-FeOOH, которая одновременно выполняет роль коагулянта и сорбента для ионов тяжелых металлов. Однако предложенная технология требует значительного расхода щелочи и солей железа (II), при этом образуются большие массы сильно обводненного осадка с низкими тиксотропными свойствами, а очищенные воды надо направлять на нейтрализацию.
Наиболее близким к заявленному является способ [6], в котором магнетит (феррит) на поверхности частиц гидроксидов гальваношлама получали добавлением к нему сульфата двухвалентного железа, едкого натра с нагреванием паром до 70-80°С и подачей воздуха с обезвоживанием и последующей сушкой суспензии при 105°С до постоянной массы. Полученный порошок использовали в качестве адсорбента для удаления из воды ионов тяжелых металлов, в том числе - цинка. При этом время перемешивания ферритизированного гальваношлама со сточной водой составляло 60-90 минут, а его дозировка к массе ионов тяжелых металлов в воде при их концентрации 50 мг/дм3 была 3-5 г/дм3.
Но этот способ имеет недостатки:
1. Для получения ферритизированного гальваношлама, используемого в качестве адсорбента тяжелых металлов требуется использование реактивов NaOH, FeSO4 марок «ХЧ» - химически чистый и «ЧДА» - чистый для анализа, которые имеют наиболее высокую стоимость среди веществ этого класса. Реализация технологии связана с использованием сжатого воздуха, греющего пара и достижения температуры не менее 60-70°С;
2. После добавления в сточную воду ферритизированного гальваношлама требуется длительное встряхивание в течение 60-90 минут. При этом неясно, как осуществить встряхивание при практической реализации предлагаемой технологии, и обеспечит ли оно равномерное распределение адсорбента по объему сточной воды.
3. Дозировка ферритизированного гальваношлама в 100 раз выше суммарной концентрации тяжелых металлов в сточной воде;
4. Частицы ферритизированного гальваношлама размером 0,1-0,25 мм, использованного в качестве адсорбента, не имеют высокой удельной геометрической адсорбционной поверхности, что приводит к необходимости применения очень высоких его дозировок по отношению к суммарной концентрации тяжелых металлов в сточной воде.
Техническим решением настоящего изобретения является расширение ассортимента железооксидных адсорбентов для очистки промывных сточных вод от ионов цинка, ориентируясь на вторичное доступное сырье, и упрощение его применения, что может привести к снижению стоимости 1 м3 сточных вод без снижения эффективности очистки.
Техническое решение достигается тем, что в заявленном способе очистки промывных сточных вод от ионов цинка магнетит, полученный способом ферритизации гальваношлама из ХЧ и ЧДА реактивов, заменен на ферромагнитную пыль аспирации электросталеплавильного производства, уловленную электрофильтрами и имеющую частицы наноразмерного диапазона.
Способ включает:
1. Помещение ферромагнитных наноразмерных частиц пыли аспирации электросталеплавильного производства в реактор-смеситель с промывной сточной водой, содержащей ионы цинка. В соотношении металлургическая пыль : Zn2+ = 3…5 : 1;
2. Перемешивание в реакторе-смесителе ферромагнитных наноразмерных частиц пыли аспирации электросталеплавильного производства с промывной сточной водой при числе оборотов мешалки, обеспечивающих распределение металлургической пыли по всему объему воды, в течение 25 минут, для адсорбции ионов цинка на поверхности ферромагнитных наноразмерных частиц пыли аспирации электросталеплавильного производства;
3. Отстаивание ферромагнитных наноразмерных частиц пыли аспирации электросталеплавильного производства с адсорбированными ионами цинка в тонкослойном отстойнике из немагнитного материала с укрепленными на внешней стороне дна постоянными магнитами и удаление очищенной воды;
4. Удаление из отстойника накопившегося осадка на утилизацию.
Состав пыли аспирации электросталеплавильного производства приведен в таблице 1.
При этом источником пыли аспирации электросталеплавильного производства является из Федерального классификационного каталога отходов (ФККО) [7]:
1. Пыль газоочистки выбросов электросталеплавильной печи;
2. Пыль аспирации электросталеплавильного производства.
В таблице 2 приведены данные по эффективности очистки воды от цинка с использованием в качестве адсорбента ферромагнитных наноразмерных частиц пыли аспирации электросталеплавильного производства, полученной в процессе выплавки черного металла и уловленной электрофильтрами по сравнению с эффективностью действия адсорбента, полученного химической конденсацией солей двух- и трехвалентного железа, содержащего магнетит.
Из таблицы 2 видно, что в случае очистки воды от ионов цинка с помощью адсорбента 1 вода может быть направлена в оборотные системы, а при использовании в качестве адсорбента ферромагнитных наноразмерных частиц пыли аспирации электросталеплавильного производства, кроме того, спущена в водоем хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.
Таким образом, предлагаемое техническое решение содержит признаки, не присущие прототипу и известным в патентной и технической литературе способам очистки промывных сточных вод от ионов цинка, то есть заявляемое изобретение обладает новизной и соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение, может быть многократно использована в первую очередь в отраслях, где образуются промывные сточные воды, содержащие ионы цинка, а также в черной металлургии, где образуется наибольшее количество пыли аспирации электросталеплавильного производства, и в машиностроительной промышленности, где находятся гальванические цехи, связанные с операцией цинкования деталей и их последующей промывкой.
Полученный технологический результат заключается в появлении новой возможности расширения ассортимента дешевого сырья из отходов для применения в качестве адсорбента для очистки сточных вод, а также направлений утилизации пыли аспирации электросталеплавильного производства. Он технически реализуется в условиях действующего производства у владельца пыли аспирации электросталеплавильного производства или у машиностроительных предприятий, оцинковывающих изготавливаемые детали и, следовательно, обусловливает обеспечение достижения технического решения - расширение ассортимента материалов для использования в качестве адсорбента, его удешевления за счет использования вторичного сырья, а также упрощение технологии его применения для очистки промывных сточных вод гальваники от ионов цинка и стоимости очистки 1 м3 сточной воды без ухудшения эффективности процесса. Все это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применяемость».
Таблица 1 - Состав пыли аспирации электросталеплавильного производства
| Наименование компонента | Результат измерения, %* | Относительная погрешность при Р=0,95 | Методика измерения |
| Железо общее | 56,000 | ±22,000 | ПНДФ 16.3.24-2000 |
| Массовая доля влаги | 0,630 | ±0,120 | ПНДФ 16.1:2.2:2.3:3:52-08 |
| Медь | 0,123 | ±0,040 | ПНДФ 16.3.24-2000 |
| нефтепродукты | 0,080 | ±0,170 | ПНДФ 16.1:2.2:2.3:3:64-10 |
| рН, ед. рН | 11,30 | ±0,100 | ПНДФ 16.2:2.2:2.3:3:33-02 |
| Хром | 0,110 | ±0,020 | ПНДФ 16.3.24-2000 |
| Цинк | 18,800 | ±4,100 | ПНДФ 16.3.24-2000 |
| Отсев на сите с ячейкой 63 мкм | 1,500 | ±0,200 | - |
| Итого | 75,743** |
* - в растворимой в HCl части;
** - до 100% ферриты нерастворимые в HCl.
Таблица 2 - Эффективность очистки воды от ионов цинка
| Вид железооксидного адсорбента | Соотношение адсорбента и иона Zn2+ в промывной сточной воде, массовые | Размер частиц адсорбента, нм | Намагниченность насыщения адсорбента, кА/м | Начальная концентрация Zn2+ в сточной воде, мг/дм3 | Время перемешивания адсорбента с промывной сточной водой, мин | Скорость течения воды в тонкослойном отстойнике, мм/с | Концентрация Zn2+ в воде после очистки адсорбцией, мг/дм3 | ПДК Zn2+ в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения | Требование к воде III категории,транспортирующая, поглощающая, экстрагирующая | |
| 1 | Наноразмерные частицы магнетита (Fe3O4), полученного способом химической конденсации из солей Fe3+ и Fe2+ | 3:1 | ‹ 100 | 407 | 46 | 25 | 2 | 1,30 | 1,0 | Не нормируется |
| 4:1 | ‹ 100 | 407 | 46 | 25 | 2 | 1,25 | ||||
| 5:1 | ‹ 100 | 407 | 46 | 25 | 2 | 1,20 | ||||
| 2 | Наноразмерные ферромагнитные частицы пыли аспирации электросталеплавильного производства | 3:1 | ‹ 100 | 395 | 46 | 25 | 2 | 1,00 | 1,0 | Не нормируется |
| 4:1 | ‹ 100 | 395 | 46 | 25 | 2 | 0,80 | ||||
| 5:1 | ‹ 100 | 395 | 46 | 25 | 2 | 0,70 |
Способ очистки промывных сточных вод от ионов цинка, заключающийся в добавлении в сточную воду адсорбента, интенсивном перемешивании с водой в реакторе с мешалкой для равномерного распределения по всему объему в течение 25 минут, последующем отстаивании для разделения твердой и жидкой фаз, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используются ферромагнитные наноразмерные частицы пыли аспирации электросталеплавильного производства состава в массовых долях: железо общее 56%; влага 0,63%; медь 0,123%; нефтепродукты 0,08%; хром 0,11%; цинк 18,8%; остальное до 100% - ферриты, при массовом соотношении ионы цинка : пыль аспирации электросталеплавильного производства 1: 3…5, а отстаивание частиц металлургической пыли с адсорбированными ионами цинка осуществляется в отстойнике из немагнитного материала, внешняя сторона дна которого оборудована постоянными магнитами.
