автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Импульсная электрокоагуляционная очистка хром- и цинкосодержащих промышленных сточных вод, как метод защиты окружающей среды

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия

На правах рукописи

ПАРШИНА Елена Анатольевна

УДК 628.337+621.357

ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИОННАЯ ОЧИСТКА ХРОМ- И ЦИНКСОДЕРЖАЩИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД, КАК МЕТОД ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

05.14.16 - «Технические средства и методы защиты окружающей среды»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководители - д.т.н., профессор

ФОМИЧЕВ В.Т. - к.т.н., доцент ВУРДОВА Н.Г.

Волгоград 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................4

Глава1. Аналитический обзор........................................................11

1.1 Технологические воды гальванических производств. Электрохимическая очистка....................................................И

1.2 Использование электрокоагуляции для очистки природных и сточных вод........................................................................19

1.3 Теоретические основы электрокоагуляции..................................20

1.3.1 Основные электродные процессы, протекающие при

очистке сточных вод......................................................21

1.3.1.1 Катодные процессы................................................21

1.3.1.2 Анодные процессы................................................23

1.3.2 Современные аноды и перспективы развития......................24

1.1.3 Выбор режимов работы электрокоагулятора........................29

1.4 Электрокоагуляция промывных вод гальванических производств.... 32

1.5 Использование переменного тока для электрохимических процессов...........................................................................36

Выводы по главе 1...................................................................... 43

Экспериментальная часть

Глава 2. Материалы, методы и результаты исследований..................44

2.1 Задачи и объекты экспериментальных исследований.....................44

2.2 Реактивы и материалы........................................................... 45

2.3 Влияние частоты и скважности импульсного тока........................ 47

2.3.1 Влияние скважности в процессах с растворимым анодом........ 64

2.3.2 Процессы с нерастворимым анодом.................................... 69

2.3.2.1 Влияние частоты и скважности импульса на

изменение температуры раствора................................ 73

2.4 Влияние плотности переменного тока с обратным

импульсом с различной длительностью и амплитудой...................76

2.5 Статистическая обработка экспериментальных данных..................87

Выводы по главе 2........................................................................90

Глава 3. Влияние периодических токов на процесс электрокоагуляци-онной очистки растворов, содержащих хромат-ионы ...................... 92

3.1 Электродные процессы на импульсном токе...........................93

3.2 Использование импульсного тока промышленной частоты......... 96

Выводы по главе 3........................................................................99

Глава 4. Утилизация металлического цинка из ванн улавливания.......100

4.1 Выход по току дисперсного цинка............................................100

4.2 Технологическая оснастка для выделения ионов цинка из промывной ванны................................................................106

4.3 Область применения............................................................108

Выводы по главе 4......................................................................109

Глава 5. Эколого-экономическое обоснование электрокоагуляционной

очистки гальванических промывных сточных вод и

технологические рекомендации.....................................................110

5.1 Эколого-экономическое обоснование.......................................110

5.2 Рекомендации по изготовлению и эксплуатации опытно-промышленного электрокоагулятора.......................................114

5.2.1 Общая характеристика объекта........................................114

5.2.2 Расчет промышленного электрокоагулятора........................115

5.3 Экологическая значимость предлагаемого метода..................... 119

5.4 Аналитический контроль за работой установки.........................120

Выводы по главе 5...................................................................... 123

Заключение

Выводы по работе....................................................................... 124

Литература...............................................................................128

Приложения..............................................................................145

Введение

Радикальным решением проблемы сохранения природных ресурсов, в том числе и водной среды, от влияния промышленности является создание и внедрение безотходных и безводных технологических процессов. Исключение сброса в водные объекты загрязняющих веществ с промышленными стоками можно осуществить за счет разработки и поэтапного внедрения оборотных или полностью замкнутых систем водопользования отдельных производств.

В современном гальваническом производстве используется широкая номенклатура технологических процессов, связанных с использованием вода, потребление которой составляет 12% свежей воды от общего ее расхода промышленностью страны. Основная масса промышленных стоков не может быть сброшена в городскую систему канализации или в водоем без предварительной очистки на локальных очистных сооружениях [1, 2]. Расход

3 л

сточных вод в гальванических цехах достигает 500 м /сут с 1 тыс.м производственных площадей [3]. Сточные воды, как правило, разделяются на промывные воды и отработанные концентрированные растворы. Их характеристика приведена в [4-6]. Помимо прочего, эти производства выбрасывают много токсичных шламов, образующихся при частичном обезвреживании сточных вод, переработка которых представляет собой трудоемкий процесс.

Актуальность работы. При строительстве машиностроительных предприятий, в состав которых входят гальванические цеха и участки, уже на стадии проектирования учитываются приемы, методы обработки деталей и, на этой основе, проектируется технологическая линия очистки промышленных стоков. Учитывая современную тенденцию контроля экологического воздействия промстоков на окружающую среду, становится необходимым исследовать технологические методы очистки загрязненой

воды, позволяющие свести к минимуму их вредное воздействие, либо замыкать поток воды в технологическом цикле.

Гальванические производства, развиваясь быстрыми темпами по сравнению с другими отраслями, имеют специфические особенности в использовании воды, свои источники ее загрязнения, а, следовательно, требуют разработки и внедрения конкретных технологических решений проблемы очистки воды с целью рационального комплексного использования.

Определенным и существенным резервом в осуществлении этих мероприятий является применение электрического тока [7] в технологии очистки сточных вод, при которой происходит прямое превращение электрической энергии в энергию химических реакций, протекающих в растворе с большой скоростью [9].

В настоящее время методы электрообработки получили развитие как наиболее эффективные и прогрессивные в технологии очистки воды. Установки по осуществлению этих методов компактны, высокопроизводительны, процессы управления, эксплуатации сравнительно просто автоматизируются.

Следует отметить, что электрообработка, при правильном сочетании ее с другими способами, позволяет успешно очищать сточные воды от примесей различного состава и дисперсности. Положительным является и то, что при электрообработке не увеличивается солесодержание очищаемой жидкости и нередко исключается образование осадков или значительно уменьшается их количество. Все это обеспечивает в ряде случаев существенные преимущества электрохимических методов перед традиционными методам обработки воды.

Увеличение количества и мощности источников электроэнергии, значительные успехи в области конструктивных разработок электролизеров [9], появление новых электротехнических материалов, в том числе

малоизнашивающихся, стойких к анодной поляризации электродов, позволяет надеяться, что установки, действующие на основе принципов воздействия электрофизических и электрохимических факторов, найдут широкое применение в технологии водоподготовки и локальной очистки промышленных сточных вод.

Среди наиболее перспективных методов использования электрического тока в целях очистки воды, можно считать, электрокоагуляционный метод [10, 11]. Метод получил широкое распространение как при очистке природных вод с широким интервалом мутности, цветности, так и при очистке сточных вод машиностроения. Так, например, для хромсодеражащих сточных вод с часовым расходом до 100

•5

м /ч и концентрацией хрома до 200 мг/л.

Метод электрокоагуляции позволяет исключить расход реагентов, использовать воду после очистки далее в обороте, электрокоагуляционные установки занимают незначительные площади.

Несмотря на очевидные преимущества [10,12] этот метод нуждается в интенсификации: необходим поиск эффективных мер по снижению пассивации анодов, зашламления электродов, а также поддержанию в межэлектродном объеме условий, предотвращающих образование мало- или нерастворимых соединений [13]. Перспективным направлением в разработке электрокоагуляторов является использование для питания электрокоагуляторов импульсного тока.

Импульсный электролиз относится к эффективным методам электрообработки водных сред [14-17]. Варьируя форму, амплитуду и частоту тока (либо потенциал) можно управлять электрохимическим процессом электрокоагуляции. Качественные ограничения процесса электролиза при импульсном режиме наступают при более высокой плотности тока, чем для стационарного - проявляется положительное влияние таких факторов, как улучшение условий протекания целевого

процесса, возможности более гибкого регулирования реакции депассивации электродов, повышение скорости реакции и производительности электролизеров [182-185].

На основе проведенного анализа литературных данных можно сделать вывод о том, что импульсный ток эффективен для создания локальных очистных сооружениях на промышленных предприятиях, в частности, в гальваническом производстве, при очистке промывных, технологических вод и вод ванн улавливания [186], т.е. неконцентрированных вод. Наиболее перспективным методом является электрокоагуляционный; при использовании постоянного тока достигается быстрое повышение рН, но не достигается эффективного осаждения продуктов электролиза: применение переменного тока позволяет увеличить производительность электрокоагуляторов, затратив при этом меньшее количество электроэнергии.

Цель и задачи работы. Разработка и создание технических средств и технологических решений для снижения экологической нагрузки на окружающую среду на основе процесса электрокоагуляционной очистки промышленных сточных вод, содержащих Ре (III), Бе (II) , Сг(У1), 7л\ (II) с использованием импульсного тока различной частоты в проектировании и строительстве металлообрабатывающих производств.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи:

-теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных режимов работы электрокоагулятора на импульсном токе по очистке хром- и цинксодержащих сточных во;

-разработка технологии электрокоагуляционной очистки сточных вод на импульсном токе;

-эколого-экономический анализ электрокоагуляционной очистки хром-и цинксодержащих сточных вод.

Научная новизна работы. Обосновано применение импульсного асимметричного тока для питания электрокоагуляционных установок по очистке промышленных сточных вод. Установлены оптимальные технологические параметры режимов работы электрокоагуляторов, при которых происходит наиболее эффективная очистка обрабатываемых вод.

Выявлены и определены количественные характеристики частоты, скважности, амплитуды и длительности импульсов асимметричного тока на скорость процесса очистки и скорость растворения анодов, кислотности среды промывных вод гальванических цехов.

Разработана методика расчета электрокоагулятора и даны рекомендации по эксплуатации установок для электрокоагуляционной очистки хром- и цинксодержащих сточных вод нестационарным электролизом.

Дан комплексный эколого-экономический анализ применения разработанного метода для очистки хром- и цинксодержащих сточных вод в проектировании и строительстве локальных систем очистки с целью защиты окружающей среды.

Практическая значимость работы. Предложено использовать импульсный ток для питания электрокоагуляционных установок по очистке и регенерации хром- и цинксодержащих сточных вод, позволяющий интенсифицировать процесс очистки, организовать водооборот, использовать продукты электролиза в промышленности.

Обосновано рациональное расположение электрокоагуляторов в гальванической линии хромирования и цинкования и приведены режимы их эксплуатации.

Определены оптимальные параметры работы электрокоагуляторов на импульсном токе в промышленных условиях, обеспечивающие защиту окружающей среды.

Диссертационная работа является результатом самостоятельной работы автора. Материалом послужили личные лабораторные и полупроизводственные исследования автора в лаборатории кафедры общей химии Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии, на очистных сооружениях завода ОАО ВЗТДиН.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка используемой литературы, приложений.

Во введении содержится общая характеристика диссертационной работы, а также обоснование актуальности темы исследований.

В первой главе приведены краткая характеристика методов электрохимической очистки, теоретические основы и практическое применение метода электрокоагуляции, отмечены его преимущества и недостатки, обсуждены пути интенсификации метода.

Во второй главе рассмотрено влияние различных параметров импульсного на процесс элктрокоагуляции, проведено сравнение характеристик с постоянным и переменным асимметричным током, а также содержится описание методов, материалов и результатов исследований по очистке промывных сточных вод гальванического производства.

Третья глава подтверждает целесообразность процесса электрокоагуляции с использованием импульсного разнополярного тока.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования сточной промывной воды участка цинкования.

Глава пятая включает в себя расчет электрокоагулятора в промышленных условиях, эколого-экономический анализ

электрокоагуляционной установки очистки промывной сточной воды от метизного цеха ОАО ВЗТДиН.

В конце диссертации приведены основные выводы по результатам исследований.

Приложения содержат электрические и принципиальные схемы генераторов импульсов, акты внедрения, решение патентной экспертизы на выдачу патента РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:

- Международной н.-т.конф. «Высшая школа в решении экологических проблем Нижне-Волжского региона», сентябрь 1994 г. Волгоград.

- Научно-практической конференции студентов и молодых ученых Волг, обл., 5-9 дек. 1994 г., Волгоград 1994.

- Научно-практической конференции Ростовской-на-Дону академии строительства, г.Ростов-на-Дону, апрель 1995.

- Научно-практической конференции студентов и молодых ученых Волгоградской обл ноябрь, Волгоград 1995.

- Международном научном Симпозиуме «Экология и безопасность жизнедеятельности», Волгоград 1996 г.

- Международной научно-практической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов», Волгоград,1998 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы освещено в 14 публикациях. Получено положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям за консультации и помощь в планировании экспериментов и обсуждении результатов исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОДЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА

Массовая практическая очистка сточных вод гальванического производства началась в 50-х годах нашего столетия, и к настоящему времени достигнуты значительные положительные результаты. Развитие основного производства сопровождается совершенствованием технологии. Одновременно растут потребности на основное сырье - соединения тяжелых металлов, щелочи, кислоты и на чистую воду [18]. Рациональным решением этой проблемы является создание малоотходных и безотходных технологий [19-22].

Основными источниками сточных вод предприятий машиностроения и металлообработки являются гальванические и другие производства [23], связанные с химической электрохимической обработкой металлов, литейное и окрасочное производства, холодная обработка металлов резанием, а также мойка металлоизделий, в частности, после их расконсервации.

Вода в цехах гальванопокрытий расходуется на приготовление электролитов, обезжиривающих и травильных растворов, на промывку деталей, охлаждение ванны и выпрямителей тока.

Основной водопотребляющей операцией является промывка изделий, от эффективности которой, зависит качество и надежность гальванопокрытий [24-26]. Образующие при этом промывные сточные воды, а также отработанные концент