Содержание к диссертации
Введение
CLASS 1. Литературный обзор CLASS 7
1.1. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами 7
1.2. Отходы, образующиеся в гальванических производствах 8
1.2.1. Сточные воды гальванического производства 8
1.2.2. Образование и свойства гальваиошламов 10
1.3. Основные методы очистки стоков гальванических производств 13
1.3.1. Механические методы 13
1.3.2. Реагентные методы очистки 15
1.3.3. Электрохимические методы 16
1.3.3.1.Электрокоагуляционный метод 16
1.3.3.2. Метод электролиза 18
1.3.4. Сорбционные методы 18
1.4. Флотационный процесс. Его сущность и особенности 20
1.5. Назначение и классификация флотационных реагентов 22
1.6. Ионная флотация 25
1.7. Электрофлотация 26
1.8. Обезвоживание гальванических шламов 27
1.9. Утилизация гальванических шламов 28
1.10. Регенерация металлов из гальванических шламов 32
1.11. Механическая активация 36
Выводы к главе 38
Цель и задачи исследований 39
CLASS 2. Объекты и методы исследований CLASS 42
2.1. Объекты исследования 42
2.1.1. Образование и химический состав сточных вод и гальванического шлама ЗАО «СОАТЭ» 42
2.1.2. Ксантогенат калия бутиловый 44
2.1.3. Сульфонол 45
2.1.4. Хлорид натрия 46
2.1.5. Гидроксид натрия 47
2.2. Методики эксперимента 47
2.2.1. Количественный анализ ионов металлов 48
2.2.1.1. Фотоколориметрический метод 48
2.2.1.2. Методика анализа ионов меди 50
2.2.1.3. Методика анализа ионов никеля 51
2.2.1.4. Методика анализа ионов железа 52
2.2.1.5. Методика определения ионов цинка 53
2.2.2. Методика определения рЫ водной вытяжки 54
2.2.3. Определение влажности 54
2.2.4. Методика проведения качественного рентгенофазового анализа 54
2.2.5. Определение гранулометрии веществ 56
2.2.6. Определение насыпной плотности 58
2.2.7. Методика определения содержания растворимых форм металлов атомно-абсорбционным методом 58
2.2.8. Методика проведения экспериментов по электрофлотациопиому извлечению ионов металлов из растворов 60
2.2.9. Определение класса опасности отходов гальванических шламов 62
3. Основные закономерности перевода труднорастворимых солей тяжелых металлов в водорастворимые соединения 63
3.1. Получение водорастворимых солей металлов методом хлорирующего обжига 64
3.1.1. Определение количества О- для хлорирующего обжига 64
3.1.2. Влияние температуры хлорирующего обжига на степень извлечения металлов в раствор 66
3.1.3. Определение зависимости эффективности извлечения металлов в раствор от времени обжига 68
3.2. Исследование процесса выщелачивания 69
3.2.1. Влияние рН выщелачиваемой среды на эффективность извлечения металлов в раствор 69
3.3. Влияние степени измельчения шлама па эффективное извлечения металлов в раствор 71
3.4. Исследование влияния процессов механохимической активации на эффективность извлечения меіаллов в раствор 74
Выводы к главе 77
4. Основные закономерности извлечения тяжелых металлов из растворов 78
4.1. Извлечение металлов из слабокоицептрированных растворов методом ионной флотации 78
4.2. Комплексное извлечение ионов металлов из концентрированных растворов методом электрофлотации 83
4.2.1. Влияние плотности тока на электрофлотационное извлечение 83
4.3. Особенности селективного извлечения тяжелых металлов из растворов.87 4.3.1.Селективное извлечение ионов металлов из комплексных растворов 87
4.4. Определение класса опасности гальванических шламов 91
Выводы к главе 93
5. Математическое описание эксперимента 94
5.1. Методика аппроксимации экспериментальных кривых аналитическими выражениями 94
5.2. Математическое описание процесса флотации частиц металла из раствора 98
6. Разработка технологии переработки гальванических шламов 104
6.1. Разработка технологической схемы и описание технологического процесса 104
Выводы к главе 108
7. Экономические показатели 109
7.1. Плата за негативное воздействие на окружающую среду 109
7.2. Базовые нормативы платы за негативное воздействие на окружающую среду 112
7.3. Определение величины предотвращенного экологического ущерба окружающей природной среде от снижения класса опасности шламов гальванического производства... 113
Общие выводы 116
Список используемой литературы 117
- Флотационный процесс. Его сущность и особенности
- Методика проведения качественного рентгенофазового анализа
- Определение зависимости эффективности извлечения металлов в раствор от времени обжига
- Комплексное извлечение ионов металлов из концентрированных растворов методом электрофлотации
Введение к работе
Актуальность работы. Решение проблемы переработки отходов приобретает за последние годы первостепенное значение. Полноценное извлечение ионов тяжелых металлов из сточных вод, шламов и отработанных технологических растворов промышленных предприятий объясняется не только необходимостью защиты окружающей среды, но и ценностью самих металлов. Кроме того, в связи с грядущим постепенным истощением природных источников сырья, в частности черных и цветных металлов, для многих отраслей промышленности приобретает особую значимость полное использование всех видов промышленных отходов.
В настоящее время все более пристальное внимание обращают на себя технологии, позволяющие эффективно извлекать ионы металлов из гальванических шламов и сточных вод и создавать замкнутые системы оборотного водоснабжения. Таким образом, можно предотвратить вредное воздействие сточных вод и твердых отходов на окружающую среду, превратить их во вторичные сырьевые ресурсы, тем самым снижать их класс опасности (до 4-го и 5-го) и приносить немалую прибыль.
В связи с этим, исследования по переработке шламов гальванических производств и утилизации соединений тяжелых металлов с целью получения ценных вторичных материалов являются актуальной научной и практической задачей.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 гг.» по направлению «Разработка технологических основ переработки и утилизации техногенных образований и отходов».
Цель работы. Совершенствование методов извлечения ионов тяжелых металлов из шламовых отходов гальванического производства и утилизация ценных компонентов.
Задачи исследований:
1. Определение оптимальной температуры хлорирующего обжига для перевода труднорастворимых соединений тяжелых металлов в водорастворимую форму.
2. Выбор выщелачивающей среды для растворения соединений тяжелых металлов.
3. Анализ влияния механической активации на перевод труднорастворимых соединений тяжелых металлов в водорастворимую форму.
4. Исследование механизма электрофлотационного извлечения тяжелых металлов из растворов выщелачивания.
Научная новизна.
1. Установлены новые закономерности процесса перевода соединений тяжелых металлов, входящих в состав шламовых отходов, в водорастворимую форму, заключающиеся в предварительной механической активации шлама с хлорсодержащим компонентом при соотношении Men+:Cl-=1:1,1 с последующей термической обработкой.
2. Предложен способ безобжигового извлечения ионов тяжелых металлов из гальванических шламов мокрым измельчением суспензии с сточной водой собственного производства с содержанием аналогичных металлов при pH 2,5 при соотношении твердой и жидкой фаз (т:ж) = 1:0,6.
3. Показано, что совместное применение реагентов- собирателей алкилбензолсульфоната натрия и ксантогената калия при электрофлотационном извлечении металлов повышает эффективность процесса в 1,4 раза по сравнению с индивидуальным применением вследствие воздействия реагентов на различные участки поверхности частиц, которые являются для каждого из них оптимальными.
4. Определены технологические параметры процесса обезвреживания гальванического шлама и селективного извлечения соединений тяжелых металлов, заключающиеся в предварительном осаждении меди на железном скрапе при водородном показателе раствора pH=22,5 с последующим дробным флотированием гидроксидов железа, цинка и никеля при поэтапном повышении водородного показателя раствора.
Практическое значение работы. Предложена комплексная технология утилизации токсичных отходов гальванического производства, обеспечивающая получение товарной продукции и снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Предложенная технология позволяет уменьшить плату за хранение токсичных отходов и снизить ущерб от их воздействия на окружающую среду.
Практические результаты работы защищены патентом РФ на изобретение.
Научные положения, а также результаты экспериментальных исследований использованы в учебных курсах «Промышленная экология», «Технологии переработки ТБО и промышленных отходов» при подготовке инженеров-экологов по спец. 28.02.01, 28.02.02. в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова
На защиту выносятся:
-
Закономерности влияния предварительной механоактивации на процесс перевода труднорастворимых соединений тяжелых металлов в водорастворимую форму.
-
Основные закономерности влияния хлорирующего обжига на эффективность процесса выделения ионов тяжелых металлов из шламов гальванического производства.
-
Технологические приемы интенсификации флотационного процесса выделения ионов тяжелых металлов из отходов гальванического производства.
-
Аппаратурно-технологическая схема обезвреживания токсичных отходов и утилизации ценных компонентов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях, семинарах, симпозиумах: Международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2008); Международная научно-практическая конференция «Экология и жизнь» (Пенза, 2008); Международная научно – практическая конференция молодых ученых «Эколого – правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов» (Харьков, 2009); Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2009г); Международный симпозиум «Euro – Eco – 2009» (Германия, Hannover, 2009г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи из списка ВАК, получен 1 патент на изобретение.
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включающего 28 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 141 библиографического наименования, 4приложения.
Флотационный процесс. Его сущность и особенности
При флотации разделение происходит в воде, в которой частицы твердого вещества находятся во взвешенном состоянии. Осуществляется оно в результате прилипания некоторых твердых частиц к пузырькам газа, образующимся в пульпе или введенным в псе, в то время как другие твердые частицы смачиваются водой и не прикрепляются к пузырькам, оставаясь в пульпе по-прежнему во взвешенном состоянии. Твердые частицы, прикрепившиеся к пузырькам воздуха, всплывают на поверхность пульпы, образуя пенный продукт, отличающийся по своему составу от исходной пульпы [501.
При рассмотрении становления флотационного процесса принято различать масляную, пленочную и пенную флотацию, каждая из которых является важным историческим этапом на пути создания флотации.
Раньше всего возникла масляная флотация, основанная на использовании избирательного смачивания флотируемых минералов (сульфидов) органическими жидкостями (минеральными маслами). При этом несульфидные минералы, подлежащие отделению от сульфидов, образующие главным образом пустую породу, плохо смачиваются минеральными маслами, но хорошо смачиваются водой. Принцип пленочной флотации состоит в использовании способности преимущественно тонких минеральных частиц, плохо смачиваемых водой (например, сульфидов), плавать на ее поверхности. Впервые процесс пленочной флотации был запатентован в 1892 г. А. В. Нибелиусом, но практического применения не получил [51].
Развитие пенной флотации продолжалось в течение первой четверти нашего столетия. За это время усилиями многих исследователей были созданы основные элементы современного флотационного процесса. Большая заслуга в этом принадлежит работам известных российских [52-56] и зарубежных ученых [57-63].
Наиболее важным проявлением взаимодействия минералов с водой является смачивание их поверхности, которое является результатом гидратации частиц. Конечные результаты взаимодействия минерала с водой зависят не только от величины свободной поверхностной энергии минерала, но и от энергии взаимодействия молекул воды между собой.
Степень смачивания твердой поверхности жидкостью (при неполном смачивании) количественно выражается величиной краевого угла смачивания 0, который принято отсчитывать в сторону жидкой фазы или, если контактируют вода и жидкий углеводород, в сторону воды (т. е. в сторону более полярной жидкости). Теоретически величина краевого угла может изменяться в широких пределах — от нулевого значения (что соответствует для воды и минерала случаю его полной гидрофилыюсти, или полного смачивания водой) до 180, когда капля воды совершенно не растекается по минералу - при его полном несмачивании, или предельной гидрофобное ти. Равновесное значение краевого угла определяется уравнением Юнга, согласно которому a7K.l-cosQ = aT.l -а,.ж, (1-12) где а- поверхностные энергии на границе раздела фаз или численно им равные силы поверхностного натяжения, Дж/м или Н/м. Чем хуже минерал смачивается водой, тем легче пузырек воздуха, вытесняя с поверхности минерала воду, закрепляется на минерале. Реагенты, применяемые при флотации, обеспечивают высокую избирательность, стабильность и эффективность флотационного процесса, а также создают наибольшие возможности совершенствования и интенсификации этого метода обогащения. Без применения флотационных реагентов флотация практически невозможна.
Воздействие флотационных реагентов позволяет в широком диапазоне изменять поверхностные свойства минералов, что делает флотацию наиболее универсальным методом обогащения полезных ископаемых. Механизм действия реагентов издавна является предметом многочисленных экспериментальных и теоретических работ [64-66].
Состав флотационных реагентов весьма разнообразен. В их число входят органические и неорганические соединения, кислоты и щелочи, соли различного состава, вещества, хорошо растворимые и практически нерастворимые в воде. В зависимости от назначения реагенты классифицируют следующим образом.
Собиратели или коллекторы. К собирателям относятся органические соединения, избирательно воздействующие па поверхность частиц определенных минералов и гидрофобизирующие ее. Концентрируясь на поверхности раздела минерал — вода, собиратели гидрофобизируют частицы минерала и тем самым обеспечивают необходимое прилипание их к воздушным пузырькам.
Реагенты - собиратели можно разделить на две большие группы: ионогенные (диссоциирующие па ионы) и неионогенные (не диссоциирующие на ионы). Если ионогенные собиратели взаимодействуют с минералами преимущественно на основе химической адсорбции, то неионогенные закрепляются на минеральных частицах на основе физической адсорбции и адгезии, т.е. в результате межмолекулярного притяжения, осуществляемого силами Ван-дер-Ваальса. В свою очередь, ионогенные собиратели принято делить на анионные и катионные в зависимости о г того, какой вид ионов (анионы или катионы) закрепляются на минерале и вызывает его гидрофобизацию. Наиболее широкое применение получили ионогенные и особенно анионные собиратели. Они, в свою очередь, разделяются в зависимости от состава своей солидофильной группы на сульфгидрильные (па основе двухвалентной серы, наиболее эффективные при флотации сульфидных минералов, наиболее значимы ксантогснаты и дитиофосфаты) и оксигидрильные (на основе анионов органических и сульфокислот) [67, 68].
Пенообразователи - поверхностно-активные вещества, которые, концентрируясь на поверхности раздела вода - воздух, способствуют сохранению воздушных пузырьков в дисперсном состоянии и препятствуют их коалесценции. Пенообразователи увеличивают устойчивость флотационной пены повышением стабильности минерализованного пузырька, всплывающего на поверхность пульпы. В большинстве случаев в качестве пенообразователей применяют различные побочные продукты химической и нефтехимической промышленности. К ним относятся реагенты Э-1 и Э-1А, пенореагент, циклогексапол, диметилфталат, сосновое масло, метилизобутилкарбинол, кубовые остатки производства бутиловых спиртов и др. [69].
Методика проведения качественного рентгенофазового анализа
Влажность определяли по разнице масс исходного образца и высушенного до постоянной массы [124]. Навеску шлама помещали в фарфоровую чашку, распределяли ровным слоем и взвешивали, затем высушивали при температуре 105 С в течение 2 часов до постоянной массы. По истечении этого срока чашку с шламом вынимали из сушильного шкафа и взвешивали. Содержание влаги А, % рассчитывали по формуле: А = М-т .100до/о). (2.6) М где Мит- масса шлама соответственно до и после высушивания, г.
Рентгеновский фазовый анализ — метод качественного и количественного анализа фазового состава пол и кристаллических материалов, основанный на изучении дифракции рентгеновских лучей. Основные преимущества рентгенографического анализа заключается в том, что исследуется само твердое тело в неизменном состоянии и результатом анализа является непосредственно определение вещества или его составляющих. Рентгеновские лучи исследуют кристалл, т.е. само соединение; более того, в случае полиморфных тел рентгеновские лучи дают возможность различить отдельные модификации, свойственные данному веществу. Для исследования требуется небольшое количество вещества, которое в процессе проведения аналитической операции не разрушается.
Качественный рептгенофазовый анализ заключается в идентификации кристаллических фаз на основе присущих им значений межплоскостных расстояний d(hki) и соответствующих интенсивностей линий I(hkl) рентгеновского спектра. Количественный анализ заключается в определении количества тех или иных фаз в смеси; определении средних размеров кристаллов, зерен в образце, функции распределения их по размерам. Количественный РФА основан на зависимости интенсивности дифракционного отражения от содержания соответствующей фазы в исследуемом объекте [125-128]. В основе рентгенофазового анализа лежат следующие принципы:
порошковая дифракционная картина является индивидуальной характеристикой кристаллического вещества;
каждая кристаллическая фаза дает всегда одинаковый дифракционный спектр, характеризующийся набором межплоскостньгх расстояний d(hki) и соответствующих интенсивностей линий l(hki), присущим только данной кристаллической фазе;
рентгендифракционный спектр от смеси индивидуальных фаз является суперпозицией их дифракционных спектров;
по дифракционному спектру смеси возможна количественная оценка соотношения кристаллических фаз, присутствующих в изучаемом образце.
Применение рентгеновского излучения для исследования кристаллических веществ основано на том, что его длина волны сопоставима с расстоянием между упорядоченно расположенными атомами в решётке кристаллов, которая для него является естественной дифракционной решёткой. Сущность рентгеновских методов анализа заключается в изучении дифракционной картины, получаемой при отражении рентгеновских лучей атомными плоскостями в структуре кристаллов.
Препарат для съемки готовили тонким измельчением материала в агатовой или корундовой ступке. Объем порошка должен быть не менее 0,3 см , а размер частиц 20...50мкм.
Рентгеноструктурный анализ выполнен на рентгеновском дифрактометре "ДРОН-2,0" с Сикч-излучением (kLx-1,542 А) и никелевом фильтре. Запись спектров проведена ионизационным счетчиком МСТР — 4 и при углах от 4 до 64. Промер дифрактограмм осуществлен компараметром РК-ЗА.
Съемку вели со следующими параметрами: напряжение 27 кВт; анодный ток 27 тА; высота освещенной части образца 10 мм; диапазон измерений 2000, 4000 и 10 000 имп/с; скорость движения счетчика 1 об/мин. Запись производили ионизационным счетчиком типа МСТР — 4 при углах от 5 до 64. Качественный фазовый анализ проводился путем сравнения межплоскостных расстояний и их интенсивности, полученных при расшифровке рентгенограмм с табличными данными [129].
Гранулометрический состав порошкообразных материалов определяли методом лазерной гранулометрии позволяющим непосредственно определять размеры частиц и процент их содержания в анализируемом материале. Установка MicroSizer 201 позволяет исследовать частицы размерами 0,2 до 600 мкм, разбивая указанный диапазон на 40 фракций. Принцип действия анализатора.
Излучение He-Ne лазера с помощью линзовой системы фокусируется в плоскость детектора. Сходящийся пучок лучей пропускается через плоскопараллельную кювету с образцом, расположенную на некотором расстоянии L от детектора. При наличии в кювете суспензии частиц наблюдается рассеяние света. Индикатриса рассеяния (угловая зависимость интенсивности рассеянного излучения) определяется размером частиц и в приближении теории дифракции описывается выражением: І (Є) = 1о К ]р{г)Ш Хdr ; (2.7) "mm где F(r) - функция распределения по размерам частиц; 10 - интенсивность падающего излучения; J[- функция Бесселя 1-го рода р-2лг /Я » 1; г- радиус частиц; h- длина волны излучения; в- угол рассеяния.
Принцип действия анализатора поясняется схемой, приведенной на рис.2.3. Измерение 1(0) и последующее решение интегрального уравнения позволяет найти распределение по размерам частиц F(r). Для р»1 (крупные частицы) используется выражение, следующее из теории рассеяния Фраунгофера.
Определение зависимости эффективности извлечения металлов в раствор от времени обжига
Для выбора выщелачивающего реагента рассмотрено взаимодействие компонентов шлама с сточными водами гальванического производства с различными значениями рН от 1 до 4. Результаты представлены на рис.3.6.
При выщелачивании сернокислыми сточными водами собственного производства аналогичного состава ионы металлов переходят в водный раствор, тем самым повышая концентрацию содержащихся в сточной воде извлекаемых металлов. В то же время кальций выпадает в осадок в виде CaS04. (CaCl2+H2S04=CaS04+2HCl).
Образующийя при обжиге оксид Na20 при выщелачивании переходит в гидроксид, несколько понижая кислотность выщелачивающего раствора, что может способствовать обратному переходу солей железа в гидроксиды, т.к. процесс гидратации железа происходит при пониженном рН 3. Поэтому необходима корректировка кислотности раствора в процессе выщелачивания.
На рисунках 3.7, 3.8 показаны зависимости эффективности выщелачивания металлов от времени и температуры.
Выщелачивание ускоряется с повышением температуры и время достижения максимальной эффективности сокращается в связи с повышением скорости реакций. При температуре выщелачивающего раствора 60С время выщелачивания составляет 30 мин. 3.3. Влияние степени измельчения шлама на эффективность извлечения
металлов в раствор
Целью исследований являлось определение влияния степени измельчения материала, которая зависила от длительности помола и, соответственно, от количества механической энергии подводимой к исследуемому материалу, на эффективность выщелачивания металлов.
В результате проведенных исследований было установлено, что предварительная механическая активация шлама с хлорид-ионами интенсифицирует образование при хлорирующем обжиге водорастворимых соединений в виде хлоридов металлов. Механическую активацию смеси проводили в шаровой мельнице при различной длительности. Соответствие № образцов и длительности механоактивации представлены в табл.3.4.
При обработке шлама в шаровой мельнице, по мере измельчения, происходят структурные изменения в веществе. Образуется множество дефектов, вещество становится реакционноспособным. При обработке нескольких реагентов, происходит взаимодействие между ними - химическая реакция. Однако, как и при термической активации твердофазных реакций, для инициирования механохимической реакции нужно подвести к порошку достаточное количество механической энергии [111]. В связи с этим число оборотов барабана шаровой мельницы было выбрано наиболее оптимальным.
В процессе механической активации в шаровой мельнице контролировали изменение размеров частиц порошка с помощью лазерного анализатора частиц Mikro Sizer 201. Результаты измерений представлены в табл. 3.5 и на рис. 3.9.
. Зависимость остаточной концентрации тяжелых металлов в осадке после выщелачивания от среднего размера частиц
Численные значения остаточной концентрации металлов в осадке после выщелачивания исследуемых образцов представлены в табл. 3.6.
Анализ полученных результатов показал, что при увеличении длительности помола тонкость помола изменилась незначительно. Как следует из табл. 3.6, 90% весовой доли частиц уменьшилось от 97,5 мкм до 51,3 мкм, т.е. в 1,9 раза. В то же время остаточная концентрация металлов в шламе понизилась более чем в 5 раз (Zn2+ - в 6,8 раз; Си2 - в 5,9 раз; Fe + - в 8,7 раз; Ni2+ - в 6,3 раза). Следовательно, длительность процесса механической активации, т.е. увеличение подводимого количества механической энергии, оказывает существенное влияние на эффективность образования водорастворимых соединений.
По сравнению с исходными концентрациями металлов в шламе эффективность извлечения составила: Zn"+ - 85,2%; Cu"+ - 83,1%; Fe3+ - 88,6%; Ni2+ - 84,3%.
Таким образом, полученные результаты соответствуют одному из главных положений механоактивации, которое заключается в том, что может быть механоактивация без измельчения, но не может быть измельчения без активации [132].
Отсюда следует, что под действием внешних сил увеличивается запас энергии измельчаемого вещества за счет увеличения поверхностной энергии, которая способствует ускорению физико-химических процессов. А именно: чем больше число ударов, придаваемых частицам вещества, чем больше скорость удара и чем меньше интервал между следующими друг за другом ударами, чем большая возникает активность вещества и его реакциошюспособность [133]. В соответствии с полученными результатами можно предположить, что при механической активации происходят химические процессы перехода соединений металлов в растворимую форму. В связи с этим были проведены исследования процессов механохимической активации, т.е. без хлорирующего обжига исследуемых образцов.
Комплексное извлечение ионов металлов из концентрированных растворов методом электрофлотации
Применение метода электрофлотационного извлечения ионов металлов из растворов обусловлено его эффективностью. Изменяя электрические параметры процесса можно обеспечить оптимальную дисперсность пузырьков воздуха, не разрушая пенный слой. Наряду с электродными процессами в электрофлотационном аппарате протекают объемные химические реакции, которые приводят к таким явлениям как изменение природы и растворимости флотоконцентрата, растворение или образование осадка, разрушение комплексообразователей, что способствует повышению качества процесса.
Исследования проводили с растворами, полученными после выщелачивания исследуемых гальванических шламов как после хлорирующего обжига, так и после механохимической активации.
После выщелачивания раствор отделяли от осадка фильтрованием и помещали в электрофлотационную камеру объемом 1л. Флотационный процесс производили при плотности тока 70 мА/см" в течение 20 минут при повышенном рН= 8-10. Повышение рН раствора производили с помощью гидроксида натрия. Для эффективного осуществления флотационного процесса в раствор вводили флотореагенты и пенообразователи.
Эффективность электрофлотационного процесса, в ходе которого осуществляется электрохимическое генерирование флотирующих газов, определяется величиной накладываемой на систему токовой нагрузки. Данный технологический параметр определяет электрохимические процессы, протекающие в системе, а также технические характеристики оборудования, разработанного для реализации электрофлотационного метода.
Величина токовой нагрузки зависит от вида обрабатываемого стока, природы флотируемого соединения, его концентрации, солесодержания, формы и материала электродов, и является важным способом регулирования объема выделяющихся газов (газонасыщение жидкости) и размера микропузырьков, что является решающим для формирования флотокомплексов «пузырек -дисперсная фаза» и последующего отделения его от образовавшегося пенного концентрата. Величина тока определяет продолжительность процесса, которая необходима для достижения максимальной эффективности извлечения [136]. При низкой величине тока, т.е. в условиях ламинарного режима, степень газонасыщения мала, вследствие чего процесс протекает не достаточно эффективно. При высокой токовой нагрузке, наблюдается значительная турбулизация потока, что также приводит к снижению эффективности извлечения. Ухудшающее действие в данном случае связано с коалисценцией пузырьков, сопровождающееся значительным уменьшением полезной поверхности газовой фазы в гетерогенной системе и снижением вероятности образования флотокомплексов (снижается доля пузырьков, принимающих участие в элементарном акте флотации). С другой стороны, подобные крупные пузырьки, обладая более высокой кинетической энергией, при столкновении с уже образованным флотокомплексом, не закрепляются на его поверхности, а разбивает его. Наличием конвективных потоков, индуцированных барботажем, также обусловлена и меньшая стабильность пены отфлотированного загрязнителя.
Из литературных данных также известно, что при низких концентрациях извлекаемого объекта эффект влияния плотности тока выражен слабо, т.к остаточная концентрация уменьшается в меньшей степени, следовательно, снижается эффективность извлечения. При увеличении исходной концентрации ионов металла не происходит полного образования флотокомплексов, газонасыщение недостаточно, т.е. необходим рост нагрузки. В то же время, как уже отмечалось, это приведет к большой турбулизации раствора. Возникшее противоречие приведет к снижению эффективности извлечения.
Ниже представлены экспериментальные данные подбора оптимальных значений тока для эффективного извлечения металлов. Электрофлотационный процесс производили при плотности тока 50-70 мА/см в течение 20 мин. В качестве пенообразователя и собирателя при флотационном извлечении металлов использовали алкилбензосульфонат натрия (сульфонол) в количестве 250 мг/л и ксантогенат калия в количестве 3 мг на 100г ионов металлов в растворе.
На рисунке 4.4 изображены кривые, отражающие зависимость эффективности извлечения металлов от плотности тока. Кривые проходят через максимум в диапазоне плотности тока 50-70 мА/см .
Величина рабочего значения тока прямо пропорционально зависит от концентрации металлов: чем выше концентрация, тем больше количество образующихся хлопьев и их размеры, что требует увеличения плотности тока.
Следует отметить, что правильный выбор плотности тока позволяет достичь максимальной эффективности извлечения за минимальное время. Интенсификация процесса электрофлотации за счет увеличения плотности тока выше оптимального процесса может привести к турбулизации потоков и разрушению флотационной пены.
Флотация гидрофобизированных осадков имеет ту особенность, что извлекаемые металлы вначале переходят в осадок, а затем подвергаются флотации с помощью собирателей. Избирательность можно увеличить, регулируя условия среды. Так, можно разделить ионы, изменяя форму коллигенда посредством изменения рН. Изменяя рН среды, можно стадийно осаждать определенные группы ионов, проводя затем их селективную флотацию. Например, при низких значениях рН можно извлечь гидроксид железа, повышая постепенно рН, выделить последовательно гидроксиды меди, цинка, никеля.
Наиболее полно флотация протекает в средах, соответствующих нахождению металлов в форме гидроксидов (табл. 4.1).
