Изучение возможности извлечения ионов металлов из отходов гальванических производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра фендаментальной химии и химической технологии

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ПО ПРОГРАММЕ БАКАЛАВРИАТА

18.03.01 Химическая технология

Изучение возможности извлечения ионов металлов из отходов гальванических производств

Автор работы Е.А. Мезенцев

Группа _ХТ-51б_

Руководитель работы Г.В. Бурых

Нормоконтроль Г.В. Бурых

Курск 2019 г.

Кафедра фундаментальной химии и химической технологии

ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ ПО ПРОГРАММЕ БАКАЛАВРИАТА

Студент ___Мезенцев Е.А._____________ шифр 15-01-0005 группа _ХТ-51б_ (фамилия, инициалы)

1.Тема "Изучение возможности извлечения ионов металлов из отходов гальванических производств."______________________________________

утверждена приказом ректора ЮЗГУ от «____» _________ 2019 г. №

2. Срок представления работы к защите «____» __________ 2019 г.

3. Исходные данные: _научно-техническая литкратура, справочники, ГОСТы, патенты, интернет-ресурсы__________________________________________

4. Содержание работы (по разделам):

4.1. Обзор литературы____________________________________________

4.2.Экспериментальная часть_________________________________________

4.3. Результаты и их обсуждение

4.4. Основы безопасной работы при выполнении эксперимента

5. Перечень графического материала (если предусмотрено заданием):

не предусмотрен

Руководитель работы _____________________ ____Г.В.Бурых_______

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял к исполнению _________________ ___Е.А. Мезенцев_

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Выпускная квалификационная работа содержит 71 страницу, 13 рисунков, 3 таблицы, 50 источников литературы.

Ключевые слова: гальванический шлам, сточные воды, гальванические шламы, очистка, утилизация, регенерация.

Объектом исследования является гальванический ил с местного предприятия города Курск.

Гальваническое производство одно из важных отраслей промышленности. Но гальваническое производство является главным источником гальванического шлама. Гальванический шлам - это отходы, относящиеся к классу опасных, в которых содержится большое количество соединений тяжелых металлов. Эти отходы относятся к III классу опасности, поэтому вопрос об их утилизации и переработке стоит на первом месте.

Целью работы является изучение возможности извлечения ионов металлов из отходов гальванических производств, обобщение данных по способам очистки сточных вод и утилизации гальванических шламов.

В дипломной работе в сжатой форме рассмотрены способы очистки сточных вод гальванического производства, способы повторного использования гальванических шламов, методы утилизации гальванического ила, методы регенерации тяжелых металлов из него, методы получения наночастиц.

Abstraсt

The final qualifying paper сontains 71 pages, 13 figures, 3 tables, 50 sourсes of literature.

Key words: galvaniс sludge, wastewater, galvaniс sludge, сleaning, utilization, regeneration.

The objeсt of study is galvaniс sludge from a loсal enterprise in the сity of Kursk.

Eleсtroplating is one of the important industries. But eleсtroplating is the main sourсe of eleсtroplating sludge. Eleсtroplating sludge is a hazardous waste that сontains a large amount of heavy metal сompounds. This waste belongs to the III сlass of danger, so the question of their disposal and reсyсling is in the first plaсe.

The aim of the work is to study the possibility of extraсting metal ions from waste galvaniс produсtion, the synthesis of data on methods of wastewater treatment and disposal of eleсtroplating sludge.

In the thesis work in a сompressed form сonsidered methods of wastewater treatment of eleсtroplating, methods of reuse of eleсtroplating sludge, methods of utilization of eleсtroplating sludge, methods of regeneration of heavy metals from it, methods for produсing nanopartiсles.

Содержание

1. Обзор литературы

1.1 Сточные воды гальванических производств

1.2 Методы очистки сточных вод гальванических производств

1.2.1 Реагентная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов

1.2.2 Ферритизация

1.2.3 Электрофлотация

1.2.4 Электрокоагуляция

1.2.5 Ионообменная очистка

1.2.6 Мембранные установки

1.2.7 Выпарные установки

1.2.8 Адсорбционный метод

1.3 Гальванический шлам

1.4 Способы утилизации гальванического шлама

2. Экспериментальная часть

2.1 Методика проведение качественного анализа пробы

2.2 Методика проведения количественного анализа пробы

2.3 Методика работы на спектрометре

2.4 Методика получения наночастиц меди

3. Результаты и их обсуждение

4. Основы безопасной работы при выполнении эксперимента

4.1 Правила работы с агрессивными жидкостями

4.2 Правила работы с электроустановками

Заключение

Список используемых источников

В последние годы существенно обострились проблемы, связанные с загрязнениями воды. Сброс неочищенных или плохо очищенных сточных вод в различные водоемы может привести к исчезновению всякой жизни в воде. Кардинальное решение проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов и производств. Гальваническое производство является одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды, главным образом поверхностных и подземных водоемов, ввиду образования значительного объёма сточных вод, содержащих вредные примеси тяжелых металлов, высокотоксичных соединений, неорганических кислот, щелочей, поверхностно-активных веществ, а также большого количества твердых отходов, содержащих тяжелые металлы в малорастворимой форме.

Сточные воды гальванических производств в основном формируются из промывных вод, которые в больших количествах используются в производстве. Из ионов тяжелых металлов, находящихся в сточных водах, наиболее распространенными являются хром, никель и медь.

Очистка таких стоков затруднена, так как не удается выделить металлы из шлама сложного состава. Для снижения количества тяжелых металлов в сточных водах до предельно допустимых концентраций (ПДК) необходимо использовать замкнутую систему водоснабжения, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке от примесей, возвращать в технологический процесс, а извлеченные примеси - на захоронение или переработку.

Таким образом, очистка сточных вод и утилизация шлама является одной из самых актуальных проблем.

Целью данной дипломной работы является изучение возможности извлечения ионов металлов из отходов гальванических производств.

Для выполнения цели работы были поставлены следующие задачи:

1. анализ источников литературы по тематике данной работы;

2. качественное определение состава гальванического ила;

3. количественное определение состава гальванического ила;

4. исследование возможности получения наночастиц металлов из гальванического ила.

1. Обзор литературы

1.1 Сточные воды гальванических производств

Гальваническое производство основано на гальванических процессах. Гальваника - это электрохимический метод нанесения металлических и химических покрытий на электропроводящий и неэлектропроводящий материал для придания ему определенных свойств: защитных антикоррозийных, защитно-декоративных, декоративных, специальных: антифрикционных, для придания твердости, износостойкости и прочих полезных свойств[1].

Гальваническое производство является одним из крупных потребителей цветных металлов и достаточно дорогих химикатов. При химических покрытиях и подготовительных операциях потери химикатов с промывными водами иногда в десятки раз превышает их расход на обработку поверхности. Расход воды на промывку после подготовительных операций в 3-7 раз превышает расход воды на промывку после гальванических покрытий. Таким образом, гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды - одними из самых токсичных и вредных[2]. Следовательно для любого гальванического производства обязательно надо предусмотреть хорошую систему очистки сточных вод.

Сточные воды -- любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека[3].

Среди загрязнения различных видов окружающей среды, химическое загрязнение природных вод имеет особое значение. Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды.

Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды).

Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора, а также цианидные соединения. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.

Ежегодно в сточных водах гальванических цехов теряется более 0,46 тысяч тонн меди, 3,3 тысяч тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерь соединения меди и цинка, выносимые сточными водами из очистных сооружений гальванического производства, оказывают весьма вредное влияние на экосистему.

Основным видом отходов в гальваническом производстве являются промывные воды смешанного состава, содержащие несколько видов тяжелых металлов, которые далее объединяют с кислотно-щелочными стоками.

Основным компонентом сточных вод гальванических производств являются промывные воды, которые в больших количествах используются в производстве. Из ионов тяжелых металлов, находящихся в сточных водах, наиболее распространенными являются хром, никель и медь.

Соединения металлов, выносимые сточными водами гальванического производства, оказывают вредное воздействие на экосистему. Например, соединения меди и кадмия даже в малых концентрациях оказывают резко выраженное токсическое действие на рыб и другие водные организмы.

Операции обработки поверхности и нанесения покрытий разделяются друг от друга операциями промывки, вследствие чего гальваническое производство неразрывно связано со сбросом отработанных промывных вод. Объем, количественный и качественный состав стоков зависит от расхода воды на промывку и применяемой схемы промывки, а также от составов технологических растворов и степени сложности профиля деталей. Таким образом, рационализация водопотребления через выбор применяемого оборудования и схем промывки, определяют объем, количественный и качественный состав промывных и сточных вод и состав очистного оборудования, эффективность его работы[4].

Разнообразный ассортимент применяемых гальванических покрытий обуславливает многообразие загрязнений, находящихся в сточных водах. Исходя из фазового состояния вещества в растворе, все загрязнения можно подразделить на четыре группы:

· взвеси в виде тонкодисперсных суспензий и эмульсий;

· коллоиды и высокомолекулярные соединения;

· органические вещества, растворенные в воде;

· соли, кислоты, основания, растворенные в воде.

Для каждой из групп загрязнений существуют свои методы очистки. Так, для очистки воды от веществ первой группы загрязнений наиболее эффективны методы, основанные на использовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для второй группы - коагуляционный метод. Загрязнения третьей группы наиболее эффективно извлекаются из воды в процессе адсорбционной очистки, а загрязнения четвертой группы, представляющие собой электролиты, удаляют из воды переводом ионов в малорастворимые соединения, используя для этого реагентный метод или методы обессоливания.

При проектировании систем водоснабжения современных гальванических производств чаще всего возникает необходимость резкого сокращения промышленных сточных вод, поступающих в водные объекты. В зависимости от состава исходных сточных вод, региональных нормативов приема промышленных сточных вод в городские канализационные сети, решаются вопросы применения комплексных методов очистки воды.

Для реализации вышеуказанных задач, целью которых является значительное снижение или полное исключение сброса в водные объекты загрязняющих веществ с промышленными сточными водами, внедряются автоматизированные очистные сооружения на базе новых технологий очистки воды производственных предприятий. Наиболее прогрессивным представляется сегодня создание производств с замкнутым циклом водоснабжения, внедрение мембранных, ионообменных и электрофлотационных технологий очистки сточных вод, регенерация отработанных растворов электролитов, в том числе кислот, щелочей, сырья.

1.2 Методы очистки сточных вод гальванических производств

Очистка сточных вод гальванического производства и сокращение поступления гальванических отходов в окружающую среду является важной задачей промышленных предприятий.

Использование в гальваническом производстве и производстве печатных плат электролитов различного состава для нанесения гальванических покрытий, с целью придания изделиям требуемых технических характеристик, создает многообразие загрязнений промывных и сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Исходя из фазового состояния вещества в сточной воде, все загрязнения можно подразделить на четыре типа:

· взвеси в виде тонкодисперсных эмульсий и суспензий;

· высокомолекулярные соединения и коллоиды;

· растворенные в воде органические вещества;

· растворенные в воде соли (кислоты, щелочи).

Для каждого типа загрязнений существуют свои методы очистки сточных вод. Так, для очистки воды от взвешенных веществ наиболее эффективными являются методы, основанные на использовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для очистки воды от коллоидов и ВМС эффективен метод коагуляции. Органические вещества наиболее эффективно извлекаются из воды в процессе очистки на сорбционных фильтрах и установках нанофильтрации. Растворимые неорганические загрязнения, представляющие собой электролиты, удаляют из сточных вод гальванического производства переводом ионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения, используя для этого реагентный метод или мембранные методы обессоливания (обратный осмос, электродиализ)[5].

Способы очистки сточных вод весьма разнообразны. Их механизм работы основывается на химических, физических либо физико- химических процессах.

Существует несколько методов очистки сточных вод:

· механические;

· химические;

· коагуляционно-флотационные;

· электрохимические;

· сорбционные;

· мембранные;

· биологические.

Однако ни один из указанных методов самостоятельно не обеспечивает в полной мере выполнение современных требований:

· очистка до норм ПДК, особенно по ионам тяжелых металлов;

· возврат 90-95% воды в оборотный цикл; невысокая себестоимость очистки;

· малогабаритность установок, утилизация ценных компонентов (кислот, щелочей, металлов).

При больших объемах производства на локальных установках очистки целесообразно использовать электрохимические и мембранные методы (электролиз, электродиализ, электрофлотация), а централизованные очистные сооружения основывать на сочетании нескольких методов: реагентный, электрофлотация и ионообмен[6].

При небольшом объеме производства предпочтение следует отдать электрохимическим и мембранным методам. Электрохимические методы очистки имеют ряд преимуществ перед химическими способами: упрощенная технологическая схема и автоматизация при эксплуатации производственных установок; меньшие производственные площади, необходимые для размещения очистных сооружений; возможность обработки сточных вод без их предварительного разбавления; уменьшение количества осадков после обработки сточных вод[7].

Ниже представлена краткая характеристика процессов очистки сточных и промывных вод, отработанных растворов и электролитов, в основе которых представлены методы очистки как широко применяемые в процессах водоочистки (реагентный, ионообмен и др.), так и наиболее прогрессивные и эффективные (мембранные и электрохимические).

1.2.1 Реагентная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов

Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов осуществляется путем перевода ионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения (гидроксиды или основные карбонаты) при нейтрализации сточных вод с помощью различных щелочных реагентов (гидроксидов кальция, натрия, магния, оксидов кальция, карбонатов натрия, кальция, магния). При нейтрализации кислых сточных вод известковым молоком, содержащим значительное количество известняка, а также растворами соды некоторые ионы тяжелых металлов (цинк, медь и др.) осаждаются в виде соответствующих основных карбонатов, которые менее растворимы в воде, чем соответствующие гидроксиды. При образовании основных карбонатов происходит более полный переход ионов тяжелых металлов в малорастворимую форму. Кроме того, основные карбонаты большинства металлов начинают осаждаться при более низких значениях рН, чем соответствующие гидроксиды[8].

Как правило, сточные воды гальванического производства имеют кислую реакцию. В этом случае в них добавляют щелочной реагент. Наиболее дешевым и доступным реагентом является строительная известь. По содержанию оксида магния её подразделяют на кальциевую (содержание MgO до 5 %), магнезиальную (содержание MgO до 20 %) и доломитовую (содержание MgO до 40 %) известь. При обработке гальванических стоков предпочтительнее использовать кальциевую известь.

Известь рекомендуется вводить в обрабатываемый сток в виде известкового молока. Концентрацию известкового молока в расходных баках следует доводить не более 5 % по оксиду кальция. Рабочие растворы известкового молока могут приготавливаться:

- из известкового теста, содержащего 40-60 % гидроксидов кальция и магния и получаемого при гашении негашеной извести водой в соотношении (по массе) 1: (1ч1,4); - известкового шлама (концентрированного известкового молока), содержащего 20-35 % твёрдого вещества и получаемого при гашении негашеной извести водой в соотношении (по массе) 1:2;