Введение к работе
Актуальность проблемы. Гальваническая обработка деталей с целью защиты их от коррозии, придания различных специальных свойств, декоративной отделки поверхности, потребляет большое количество цветных металлов и их соединений, возрастающая цена и дефицитность которых удорожают продукцию. Отходы гальванических производств, содержащие соединения цветных металлов, представляют собой источник загрязнения окружающей среды и проблема их утилизации стоит весьма остро. Возрастающее внимание к экологическим проблемам, расширение прав природоохранных служб приводит к ужесточению нормативов на сброс загрязнений и к росту экологических платежей, что также ведет к повышению себестоимости и снижению конкурентоспособности продукции.
Использование соединений тяжелых металлов в гальваническом производстве может быть снижено прежде всего путем уменьшения непроизводительных расходов, которые по некоторым данным могут достигать 60% от потребляемого количества. Основные потери ионов тяжелых металлов происходят при отводе на очистные сооружения промывных вод после ванн покрытий. Эти стоки, имеющие большой объем и низкую концентрацию компонентов, на очистных сооружениях накапливаются и смешиваются. Широко используемый в настоящее время реагентный способ очистки этих стоков не только не исключает выход соединений тяжелых металлов в окружающую среду и высокие экологические платежи, но и обостряет экологическую ситуацию, так как производит большие объемы сложных по составу гидроксидных шламов, проблема утилизации которых далека от исчерпывающего решения. Сбрасываемая в канализацию "очищенная" вода имеет высокий уровень солесодержания и чаще всего еще больший объем. Применение реагенто- и водоемкого ионного обмена для очистки смешанных стоков позволяет вернуть очищенную воду на повторное использование, но элюаты с высоким солссодержанием приходится направлять на реагентную очистку. В обоих случаях очистка смешанных стоков, требующая больших капиталовложений, потребляющая материалы и энергию, не исключает безвозвратных потерь тяжелых металлов.
В последние годы все более преобладает мнение, что наиболее эффективный путь снижения потерь тяжелых металлов в гальваническом производстве -это применение локальных методов переработки стоков в месте их образования, т.е. в гальванических линиях. При этом упрощается состав и уменьшается объем перерабатываемых растворов, что позволяет применить достаточно тонкие и безреагентньте технологии, такие как мембранное разделение. Преимущество мембранных процессов состоит в том, что возникает возможность не только верігуть на повторное использование обессоленную воду, но и направить сконцентрированные компоненты в техпроцесс.
Из методов мембранного разделения выбор электродиализа обусловлен возможностью создания на его основе легкоавтоматизируемой, малогабаритной, простой в эксплуатации локальной установки.
Однако широкое применение злектродиализа в практике гальванопроизводства сдерживается малоизученностью свойств ионообменных мембран в растворах, содержащих многовалентные катионы тяжелых металлов и ионы аммония, а также поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Работа выполнялась в рамках проблемы: "Исследование возможности создания технологии очистки сточных вод гальванических цехов с регенерацией цветных металлов и замюгутым водоиспользованием", включенной в тематический план государственного бюджетного финансирования фундаментальных научных исследований ВятГТУ.
Цель работы: установление закономерностей электрохимического поведения промышленных гетерогенных ионообменных мембран МК-40 и МА-40 в растворах, содержащих ионы тяжелых металлов и аммония, а также поверхностно-активные вещества, с целью выяснения возможности применения электродиализа для снижения потерь тяжелых металлов в гальваническом производстве.
В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:
изучение принципиальной возможности применения электродиализной переработки растворов, содержащих ионы тяжелых металлов и поверхностно-активные вещества, в режиме, исключающем нарушение процесса из-за гидра-тообразования или отравления;
изучение влияния ионов тяжелых металлов и аммония на транспортные характеристики мембран;
изучение влияния поверхностно-активных веществ, входящих в состав растворов гальванохимической обработки, на свойства мембран.
Научная новизна. Разработан новый подход к использованию электродиализа при решении задачи снижения потерь тяжелых металлов в гальваническом производстве.
Впервые систематически изучено электрохимическое поведение промышленных гетерогенных ионообменных мембран МК-40 и МА-40 в растворах, содержащих катионы тяжелых металлов и аммония, а также поверхностно-активные вещества, применяемые в практике нанесения гальванопокрытий.
Предложен механизм взаимодействия катионов никеля и цинка с мембранами, в котором определяющую роль играет комплексообразование как с неорганическими лигандами, так и с функциональными группами ионитов.
Показано, что взаимодействие анионообменной мембраны МА-40 с некоторыми органическими противоионами приводит к возникновению в фазе мембраны границ с биполярными свойствами.
Практическая значимость. Разработана схема использования электродиализа, позволяющая снизить потери солей тяжелых металлов при эксплуатации гальванических линий на 95-98 %. Установлена высокая эффективность электродиализной переработки сточных вод гальванических линий в аппарате с промышленными гетерогенными мембранами МК-40 и МА-40. Разработана методика расчета габаритов аппарата и выбора оптимальных параметров его эксплуатации.
Основные положения, выносимые на защиту:
узел "ванна улавливания - электродиализатор" в схеме промывки после ванны нанесения покрытия и алгоритм его опытно-конструкторской проработки для конкретной гальванической линии;
физико-химические представления о механизме взаимодействия промышленных гетерогенных ионообменных мембран с ионами тяжелых металлов;
механизм взаимодействия ионов аммония с анионообменной мембраной МА-40;
эффект изменения поверхностной активности органических веществ по отношению к ионообменным мембранам в зависимости от природы катионов в равновесном растворе;
механизм модификации анионообменной мембраны МА-40 анионами ди-сульфонафталиновой и бензойной кислот и 1,4-бутиндиолом.
Достоверность полученных результатов подтверждается статистическим анализом данных, совпадением численных значений экспериментальных данных с результатами других авторов; обеспечивается использованием физически обоснованных математических моделей и аппарата математической статистики для обработки экспериментальных данных и определения погрешности опыта.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IX и X Всероссийских совещаниях "Совершенствование технологии гальванических покрытий" (г.Киров, 1994, 1997 гг.), международных конференциях по мембранной электрохимии "Ионообменные мембраны от синтеза к применению" (г.Анапа, 1994, г.Туапсе, 1995), Международном Конгрессе по мембранам и мембранным технологиям "1СОМ'96" (г.Иокогама, Япония, 1996), на научных семинарах кафедры технологии электрохимических производств химического факультета ВятГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Материал диссертации изложен на 144 страницах, содержит 44 рисунка и 15 таблиц. Список цитируемой литературы включает 137 наименований.