ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра промышленной экологии

Курсовой проект

Разработка системы очистки сточных вод от красильного цеха на ОАО "Зиновьевская мануфактура"

Выполнила: ст. гр. 5/15

Вахлакова О.А.

Руководитель: Кобелева Н А.

Иваново 2006

Введение

Гальванотехника - одно из производств, серьезно влияющих на загрязнение окружающей среды, в частности ионами тяжелых металлов, наиболее опасных для биосферы. Главным поставщиком токсикантов в гальванике (в то же время и основным потребителем воды и главным источником сточных вод) являются промывные воды. Объем сточных вод очень велик из-за несовершенного способа промывки деталей, который требует большого расхода воды (до 2 м³ и более на 1 м² поверхности деталей).

На очистных сооружениях наиболее распространенным методом обезвреживания гальваностоков является реагентный метод, в частности, осаждение металлов гидроксидом кальция, не обеспечивающий доведение содержания ионов тяжелых металлов в стоках до современных ПДК. Основным недостатком этого метода является большое количество шламов, содержащих токсичные соединения тяжелых металлов. Утилизация и переработка образующихся шламов - очень сложное и дорогостоящее производство, а в некоторых случаях шламы не поддаются переработке. В таких случаях возврат химреактивов и металлов в цикл производства практически исключен. Основным методом обезвреживания таких отходов является захоронение их на специальных площадках, если таковые предусматриваются. Однако чаще всего эти шламы либо складируются на территории предприятия, либо неконтролируемо сбрасываются в овраги, водоемы, леса, а в лучшем случае на городские свалки. Лишь часть гальваношламов находит применение в строительстве при производстве строительных материалов.

Аналогичная проблема присуща и производству завода ОАО "МК КРАНЭКС". В соответствии с тем, что меры по изменению технологии гальванопокрытий (сокращение цианистых загрязнений; внедрение катафореза, предусматривающего сокращение хромовых стоков на 70%) требуют больших капитальных вложений. Проблема очистки сточных вод остается актуальной для данного предприятия. В данной работе решаются вопросы очистки хромсодержащих сточных вод и извлечения ценных компонентов, так как операции хромирования предполагается осуществлять и при внедрении перспективных технологий.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ

1.1 Общие сведения о предприятии

Завод "МК КРАНЭКС" был создан в 1932 году и выпускал тогда всего три вида машин. Сейчас на предприятии выпускается. Предприятие расположено в северной части города Иваново.

Структуру завода "МК КРАНЭКС" образуют следующие подразделения: цеха основного производства, вспомогательные цеха, а также ряд отделов.

Цеха основного производства:

№1 - Литейный цех;

№2 - Раскройно-заготовительный цех - ЗАО "МК Кранэкс";

№3 - Кузнечно-штамповочный цех;

№4 - Цех металлоконструкций;

№5 - Цех строительных машин;

№6 - Механосборочный цех;

№10 - ООО "Ивтонар";

№14 - Цех транспортно-складских операций (ЦТСО).

Вспомогательные цеха:

№7 - Инструментальный цех;

№8 - Ремонтно-механический цех - ООО "Механика";

№9 - Группа строительных компаний "Прима";

№11 - Энергоцех (ООО "Промэнерго");

№12 - Электроцех (ООО "Электротехника");

№13 - Автотранспортный цех (ООО "АТП Кранэкс");

№15 - Две открытых площадки для испытания экскаваторов по различным характеристикам.

Основные отделы:

1 - Отдел главного технолога;

2 - Отдел главного металлурга;

3 - Отдел главного механика;

4 - Отдел главного энергетика;

5 - Отдел стандартизации;

6 - Отдел компьютерных технологий проектирования;

7 - Отдел снабжения;

8 - Отдел сбыта;

9 - Финансовый отдел;

10 - Отдел труда и зарплаты.

На заводе "МК КРАНЭКС" существует участок гальванопокрытий, относящийся к цеху №6. В гальваническом участке в процессе гальванопокрытия деталей и в подготовительных операциях выполняются: обезжиривание и травление в растворах щелочей и кислот, электрохимическое цинкование, меднение, никелирование, пассивирование в растворах хрома, электрополирование.

Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решить ряд задач, среди которых важное место занимает защита металлов от коррозии. Гальванические покрытия применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости, износостойкости, высокой отражательной способности, улучшенных антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности, облегчения паяемости и для улучшения внешнего вида деталей.

1.2 Технологический процесс

Технологический процесс на участке происходит следующим образом:

Рассмотрим на примере покрытия никель - медь - никель - хром.

1) Монтаж. Берем подвеску или медную проволоку. Зачищаем места контактов шкуркой. Подвешиваем деталь на крючок подвески или навязываем на проволоку, несколько связок с деталями или подвеску укрепляем на стеллаже;

2) Химическое обезжиривание. Готовим смесь реагентов: Na₂CO₃, Na₃PO₄, Na₂SiO₃, NaOH, вода. Берем со стеллажа подвеску, опускаем в ванну на 10-20 мин., вынимаем, даем стечь раствору;

3) Горячая промывка. Ванна, наполненная водой при 60⁰С. Подвеску с деталями опускаем в ванну с проточной водой на 1 мин., затем вынимаем и даем стечь раствору;

4) Электрохимическое обезжиривание. Готовим смесь реагентов: Na₂CO₃, Na₃PO₄, Na₂SiO₃, NaOH, вода. Подвеску с деталями подвешиваем на анодную штангу, включаем ток на 15 мин (на анодной штанге обрабатываются детали типа пружин, остальные на катодной). По окончании процесса выключаем ток, даем стечь электролиту;

5) Горячая промывка, см. пункт 3;

6) Промывка холодная. Ванна, наполненная водой при 20⁰С. Подвеску с деталями опускаем в ванну на 1 мин., затем вынимаем и даем стечь раствору;

7) Активация. Готовим смесь реагентов: H₂SO₄ и вода. Подвеску с деталями опускаем в раствор активации на 1 мин., вынимаем и даем стечь раствору;

8) Промывка. Ванна, наполненная водой при 20⁰С. Подвеску с деталями опускаем в ванну с холодной проточной водой на 1 мин., два - три раза опускаем в воду, вынимаем и даем стечь воде;

9) Никелирование. Готовим смесь реагентов: NiSO₄*10H₂O, Na₂SO₄*10 H₂O, H₃BO₃, NaCl, вода. Подносим подвеску с деталями к ванне никелирования, завешиваем их на штангу. При полной загрузке ванны включаем ток. По окончании процесса выключаем ток, вынимаем подвеску, даем стечь раствору;

10) Промывка, см. пункт 8;

11) Контрольная. Проверить качество покрытия согласно "Операционной карте технического контроля";

12) Меднение. Готовим смесь реагентов: CuSO₄, H₂SO₄, вода. Подносим подвеску с деталями к ванне меднения, подвешиваем их на штангу. Включаем ток. По окончании процесса выключаем ток, вынимаем подвеску, даем стечь электролиту;

13) Промывка, см. пункт 8;

14) Активация, см. пункт 7;

15) Промывка, см. пункт 8;

16) Никелирование, см. пункт 9;

17) Промывка, см. пункт 8;

18) Промывка. Ванна, наполненная водой при 60-70⁰С. Подвеску с деталями опускаем в ванну с горячей водой на 1 мин., два - три раза опускаем в воду, вынимаем и даем стечь воде;

19) Демонтаж и сушка. Подвески с деталями поднести к сушильному шкафу. Снять детали с подвесок, уложить их на решетку и просушивать 10 мин. Сухие детали уложить в тару;

20) Контроль, см. пункт 11;

21) Глянцевание. Используется станок шлифовально-полировальный. Глянцевать поверхность, периодически нанося слой пасты. По окончании протереть поверхность х/б ветошью с венской известью. Уложить отработанные детали в тару;

22) Монтаж, см. пункт 1;

23) Электрохимическое обезжиривание, см. пункт 4;

24) Промывка, см. пункт 18;

25) Промывка, см. пункт 8;

26) Активация, см. пункт 7;

27) Промывка, см. пункт 8;

28) Хромирование. Готовим смесь реагентов: CrO₃, H₂SO₄, вода. Подносим подвеску с деталями к ванне хромирования, и подвесить на катодную штангу. Выдерживаем детали в ванне в течение 30 секунд для прогрева. Включаем обратный ток на 30-40 секунд. Затем выключить ток. После прекращения выделения пузырьков газа включить прямой ток. Дать толчок тока до 45 А/дм² в течении 10 секунд. По окончании процесса хромирования выключить ток, вынуть подвески и дать стечь раствору;

29) Промывка, см. пункт 18;

30) Промывка, см. пункт 8;

31) Демонтаж и сушка, см. пункт 19;

32) Контроль, см. пункт 11;

33) Глянцевание, см. пункт 21;

34) Контроль, см. пункт 11.

Технологические процессы покрытий хромирования, цинкования и двухслойного никель - хром проходят по выше рассмотренной схеме.



1.3 Станция нейтрализации

Сточные воды участка без разделения (на промывные и концентрированные) отводятся на очистные сооружения по двум раздельным трубопроводам: хромсодержащие и кисло-щелочные.

Сточные воды, поступающие на станцию нейтрализации участка, содержат ионы тяжелых металлов. Такие как: цинк, никель, медь, хром (VI), а также щелочь, кислота. Очистка хромсодержащих сточных вод осуществляется методом реагентного обезвреживания, или реагентным методом, сущность которого заключается в переводе растворимых в воде ионов тяжелых металлов в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков. В начале эксплуатации очистные сооружения были переведены на работу в периодическом режиме с ручной регулировкой подачи реагентов в реакторы. Биологическая очистка отсутствует.

Проектом предусматривается:

1. Очистка хромсодержащего стока в две стадии:

а) восстановление шестивалентного хрома до хрома трехвалентного на установке периодического действия;

б) образование и обезвреживание гидрооксида хрома с выпадением в осадок совместно с кисло-щелочными стоками на установке периодического действия.

2. Обезвреживание кисло-щелочных и хромсодержащих стоков (2-я ступень) в камере смешения и реакции с последующим осветлением в отстойнике.

В штате станции нейтрализации участка работает 3 человека. Из них: 1 - лаборант, 1 - оператор, 1 - слесарь-сантехник. Работа осуществляется в одну смену.

1.3.1 Технологическая схема очистки хромсодержащих сточных вод

Технологическая схема очистки хромсодержащих сточных вод приведена на рис. 2.1. Очистка хромсодержащих стоков осуществляется в две ступени. Хромсодержащие сточные воды самотеком поступают в накопитель Н1, откуда насосами перекачиваются в реактор хромсодержащих стоков Р1. Первая ступень - восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного бисульфитом натрия (при добавлении серной кислоты) в кислой среде при рН= 2.5:

4CrO₃+ 6NaHSO₃ + 3H₂SO₄= 2Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ + 6H₂O

Процесс производится вручную (открытие и закрытие арматуры на емкостях с реагентами): при наполнении бака и подаче сжатого воздуха открывается вентиль и по самотечному трубопроводу подается серная кислота и бисульфит натрия при постоянном перемешивании воздухом. При концентрации хрома (VI) в баке равной 0.1 мг/л, вентиль закрывается, и происходит вторая ступень очистки.

Вторая ступень - перевод ионов трехвалентного хрома в гидроксид хрома с последующим его осаждением. В расчетном количестве подается известковое молоко 2%-ный раствор и 0.1%-ный раствор полиакриламида при непрерывном перемешивании воздухом в течение 10 минут (при рН стока не меньше 8.5):

Cr ₂(SO₄)₃ + 3Ca(OH)₂ = 2Cr(OH)₃+ 3CaSО₄

Кислотно-щелочные стоки, загрязненные кислотами, щелочами и ионами тяжелых металлов поступают в накопитель Н2. А по мере накопления в реактор кислотно-щелочных стоков Р2, где происходит связывание ионов металлов в гидроокиси с помощью добавки известкового молока (рН=9.5), а для ускорения осаждения вводят полиакриламид.

Обезвреженные сточные воды из реакторов Р1 и Р2 перекачиваются в отстойник О. Осветленная вода из отстойника самотеком сбрасывается в канализацию. Осадок из отстойника периодически 1 раз в неделю вывозится ассенизационной машиной в места, отведенные санэпидстанцией.

Рис. 2.1 Технологическая схема очистки гальванического участка

1.3.1.2. Очистка сточных вод в отстойнике

Оборудование: накопитель хромсодержащих стоков объемом 15 м³, камера обезвреживания хромсодержащих стоков объемом 8 м³, накопитель кислотно-щелочных стоков объемом 25 м³, камера обезвреживания кислотно-щелочных стоков объемом 12 м³, два насоса 2х-9Д, отстойник, реагентное хозяйство.

Химикаты: 2%-ный раствор известкового молока; полиакриламид ТУ 6-01-1049-81, 0.1%-ный раствор; серная кислота техническая ГОСТ 2184-59; бисульфит натрия технический ГОСТ 902-41.

Работа в ручном режиме: камеры обезвреживания предназначены для перевода хрома (VI) до хрома (III) валентного и его осаждения в виде гидроокиси и очистки сточных вод от солей тяжелых металлов, нейтрализации воды до рН=8 - 9.5. Обезвреженные хромовые и кислотно-щелочные стоки с помощью насоса поступают в отстойник.

1.3.1.3 Контроль за работой сооружений

1. Восстановленные и обезвреженные хромсодержащие стоки из камеры обезвреживания допускается перекачивать в отстойник только при полном отсутствии хром (VI) и рН=8-8.5 (устанавливается химическим анализом), кроме того, рН стоков контролируется рН-метром, датчик которого установлен в камере обезвреживания.

2. Процесс обезвреживания кислотно-щелочных стоков контролируется с помощью датчика рН-метра, установленного в камере обезвреживания кислотно-щелочных стоков и их перекачка в отстойник допускается только после доведения рН=9-9.5.

3. Периодически (2 раза в неделю) производится анализ совместной пробы на определение остаточных концентраций тяжелых металлов.

Все данные химических анализов заносятся в журнал.

1.4 Утилизация отходов гальванического участка завода "МК КРАНЭКС"

Очистка сточных вод участка осуществляется на локальных очистных сооружениях за счет химического осаждения вредных веществ с последующим отстоем, в результате чего образуются осветленная вода, которая сбрасывается в производственно-бытовую канализацию, и шлам. Периодически гальванические шламы выгружаются в закрытый металлическим листом кирпичный приямок, расположенный на улице, где происходит их естественная сушка. По мере высыхания шлам используется в качестве добавки в бетонный раствор при изготовлении контргрузов экскаваторов.

1.5 Оценка эффективности работы станции нейтрализации

Из недостатков станции нейтрализации следует отметить:

1) Реагентный метод очистки приводит к образованию большого количества обводненных осадков, содержащих токсичные тяжелые металлы. Из-за отсутствия специального полигона основная масса осадков складируется на собственной территории предприятия, что создает реальную угрозу вторичного загрязнения окружающей среды;

2) Избыточное накопление осадка в отстойниках, приводящее к их износу и снижению эффективности очистки, в том числе и по тяжелым металлам;

3) Отсутствие хромметров в реакторе, что приводит к перерасходу реагента.

2. СОСТАВ И МОЩНОСТЬ ВЫБРОСОВ

№ п/п	Определяемые ингредиенты	Единицы измерения	Выпуски	Нормы к сбросу
1	рН		5,42
2	Хром6+	мг/л	0,11
3	Никель	мг/л	0,074
4	Цинк	мг/л	2,3
5	Медь	мг/л	0,4
6	Железо	мг/л	5,5
7	Кадмий	мг/л	0,1

Выводы

Существующая система очистки не очищает воду до требований сброса в гор. коллектор, а также метод дорогостоящий. Поэтому данная курсовая работа направлена на поиск альтернативного метода очистки.

3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНОПРОИЗВОДСТВА

Известно большое количество методов извлечения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводств. Наиболее используемые методы подразделяются на:

-реагентные;

-электрохимические;

-мембранные;

-сорбционные.

3.1 Реагентный метод

Наиболее распространенный метод. Он заключается в том, что растворимые веществ переводятся в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков [2].

В качестве реагентов используют гидроксиды кальция и натрия, сульфиды натрия, феррохромовый шлак, сульфат железа(II), пирит. Наиболее широко для осаждения металлов используется гидроксид кальция, который осаждает ионы металла в виде гидроксидов:

Me ⁿ⁺ + nOH ^- = Me(OH)_n

Наиболее эффективным для извлечения цветных металлов является сульфид натрия, т.к. растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно ниже растворимости других труднорастворимых соединений - гидроксидов и карбонатов. Процесс извлечения металлов сульфидом натрия выглядит так:

Me ²⁺ + S ^2- = MeS ;

Me ³⁺ + S ^2- = Me₂S_{3 .}

Сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы, и поэтому для ускорения процесса их осаждения вводят коагулянты и флокулянты [1]. Так как коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, то в качестве коагулянтов используют электролиты с многозарядными катионами - обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа, также их смеси. Соли железа имеют ряд преимуществ перед солями алюминия:

а) лучшее действие при низких температурах;

б) более широкая область оптимальных значений рН среды;

в) большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев;

г) возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава.

При использовании смесей Al₂(SO₄)₃ и FeCI₃ в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном применении реагентов. Кроме вышеназванных коагулянтов, могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси и шлаки, содержащие диоксид кремния.

Для ускорения процесса коагуляции используют флокулянты, в основном полиакриламид. Добавка его в количестве 0.01% от массы сухого вещества увеличивает скорость выпадения осадков гидроксидов металлов в 2 - 3 раза.

Метод реализован на большинстве предприятий в виде станций нейтрализации.

Достоинства метода.

1) Широкий интервал начальных концентраций.

2) Универсальность.

3) Простота эксплуатации.

4) Отсутствует необходимость в разделении промывных вод и концентратов.

Недостатки метода.

1) Не обеспечивается ПДК для рыбохозяйственных водоемов.

2) Громоздкость оборудования.

3) Значительный расход реагентов.

4) Дополнительное загрязнение сточных вод.

5) Невозможность возврата в оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного солесодержания.

6) Затрудненность извлечения из шлама тяжелых металлов для утилизации.

7) Потребность в значительных площадях для шламоотвалов.

3.2 Электрохимические методы

В настоящее время электрохимические методы выделения тяжелых цветных металлов из сточных вод гальванопроизводств находят все более широкое применение. К ним относятся процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа [1]. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через раствор постоянного электрического тока.

3.2.1 Метод электрокоагуляции

Метод наиболее пригоден для выделения хрома. Сущность метода заключается в восстановлении Cr(VI) до Cr(III) в процессе электролиза с использованием растворимых стальных электродов. При прохождении растворов через межэлектродное пространство происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

Суть протекающих при этом процессов заключается в следующем: при протекании постоянного электрического тока через хромсодержащие растворы гальваношламов, анод подвергается электролитическому растворению с образованием ионов Fe, которые, с одной стороны, являются эффективными восстановителями для ионов хрома (VI), с другой - коагулянтами:

Cr ₂O₇ ^2- + 6Fe ²⁺ 6Fe ²⁺ + 2Cr³⁺

На катоде выделяется газообразный водород, что ведет к выщелачиванию раствора и созданию, таким образом, условий для выделения гидроксидов примесных металлов, также происходит процесс электрохимического восстановления по реакциям:

2H ⁺ + 2e H₂

Cr₂O₇ ^2- + 14H ⁺ 2Cr ³⁺ + 7H₂O

Находящиеся в растворе ионы Fe ⁺³, Fe ²⁺ ,Cr⁺³ гидратируют с образованием гидроксидов Fe(OH)₃, Fe(OH)₂, Cr(OH)₃. Образующиеся гидроксиды железа являются хорошими коллекторами для осаждения гидроксидов примесных металлов и адсорбентами для других металлов.

Достоинства метода.

1) Очистка до требований ПДК от соединений Cr(VI).

2) Высокая производительность.

3) Простота эксплуатации.

4) Малые занимаемые площади.

5) Малая чувствительность к изменениям параметров процесса.

6) Получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами.

Недостатки метода.

1) Значительный расход электроэнергии.

2) Значительный расход металлически растворимых анодов.

3) Пассивация анодов.

4) Невозможность извлечения из шлама тяжелых металлов из-за высокого содержания железа.

7) Потребность в значительных площадях для шламоотвалов.

3.2.2 Метод электрофлотации

В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц происходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды и использовании растворимых электродов [1]. На аноде возникают пузырьки кислорода, на катоде - водород. Поднимаясь в сточной воде, пузырьки флотируют взвешенные частицы.

Метод обеспечивает очистку сточных вод гальванопроизводств от ионов тяжелых металлов до ПДК, также очищает от жиров и масел.

Достоинства метода.

1) Очистка до требований ПДК.

2) Незначительный расход реагентов.

3) Простота эксплуатации.

4) Малые площади, занимаемые оборудованием.

5) Возможность очистки от жиров, масел и взвешенных частиц.

6) Высокая сочетаемость с другими методами.

7) Отсутствие вторичного загрязнения.

Недостатки метода.

1) Незначительное (до 30%) снижение общего солесодержания очищаемых стоков.

2) Аноды из дефицитного материала.

3) Необходимость разбавления концентрированных вод.

4) Большой расход электроэнергии, ее дороговизна.

3.2.3 Метод электролиза

В процессах электрохимическое окисление протекает на положительном электроде - аноде, которому ионы отдают электроны. Вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием более простых и нетоксичных веществ, которые можно удалять другими методами. В качестве анодов используют различные электрически нерастворимые вещества: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу. Катоды изготавливают из молибдена, сплава железа с вольфрамом, сплава вольфрама с никелем, из графита, нержавеющей стали и других металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами [1].

Достоинства метода.

1) Отсутствие шлама.

2) Незначительный расход реагентов.

3) Простота эксплуатации.

4) Малые площади, занимаемые оборудованием.

5) Возможность извлечения металлов из концентрированных стоков.

Недостатки метода.

1) Не обеспечивает достижение ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.

2) Аноды из дефицитного материала.

3) Неэкономичность очистки разбавленных стоков.

3.2.4 Метод гальванокоагуляции

Этот метод основан на использовании эффекта короткозамкнутого гальванического элемента, помещаемого в обрабатываемый раствор.

Достоинства метода:

1) Очистка до требований ПДК от соединений Cr(VI).

2) Малая энергоемкость.

3) Низкие затраты на реагенты.

4) Простота утилизации отходов.

5) Широкий диапазон значений рН обрабатываемого стока.

6) Высокая скорость процесса.

7) Отсутствие сопутствующих выбросов вредных веществ.

Недостатки метода:

1) Высокая трудоемкость при смене загрузки.

2) Большое количество осадка.

3) Большие площади занимаемые оборудованием.

3.3 Мембранные методы

Методы мембранного разделения, используемые в технологии выделения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводств, условно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффективности и технологичности выделения цветных металлов достигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа.

3.3.1 Метод обратного осмоса

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе выделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше [1].

От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6 - 10 МПа) значительно больше, чем для проведения процесса ультрафильтрации (0.1 - 0.5 МПа).

Известно, что при обратном осмосе степень извлечения хрома равна 94 - 95%. Отмечено, что с ростом рН скорость фильтрования уменьшается в 3 - 4 раза, а при более низких рН срок службы мембран уменьшается.

Достоинства метода.

1) Возможность очистки до требований ПДК.

2) Возврат очищенной воды до 60% в оборотный цикл.

3) Возможность утилизации тяжелых металлов.

4) Простота конструкций аппаратуры.

5) Отсутствие фазовых переходов при отделении смесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии.

Недостатки метода.

1) Необходимость предварительной очистки сточных вод от масел, ПАВ, растворителей, органики, взвешенных веществ.

2) Дефицитность и дороговизна мембран.

3) Сложность эксплуатации, высокие требования к герметичности установок.

4) Большие площади, высокие капитальные затраты.

5) Отсутствие селективности.

6) Чувствительность мембран к изменению параметров очищаемых стоков.

3.3.2 Метод электродиализа

Электродиализ - это метод, основанный на избирательном переносе ионов через перегородки, изготовленные из ионитов (мембраны) под действием электрического тока. Обычно используют пакеты из чередующихся анионо- и катионообменных мембран. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Несмотря на очевидные теоретические преимущества, эти методы пока не получили широкого распространения в отечественной гальванотехнике. Основной причиной этого является высокая капиталоемкость, а также то, что выпускаемые серийно электродиализаторы имеют большое межмембранное расстояние (1-2 мм), что ведет к увеличению их размеров, росту потерь, а также снижению удельной производительности аппаратов [1-2].

Достоинства метода.

1) Возможность очистки до требований ПДК.

2) Возврат очищенной воды до 60% в оборотный цикл.

3) Возможность утилизации ценных компонентов.

4) Отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии.

5) Возможность проведения при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов.

6) Простота конструкций аппаратуры.

Недостатки метода.

1) Необходимость предварительной очистки стоков от масел, ПАВ, органики, растворителей, солей жесткости, взвешенных веществ.

2) Значительный расход электроэнергии.

3) Дефицитность и дороговизна мембран.

4) Сложность эксплуатации.

5) Отсутствие селективности.

6) Чувствительность к изменению параметров очищаемых вод.

3.4 Сорбционные методы

Сорбционные методы являются наиболее распространенными для выделения хрома из сточных вод гальванопроизводств. Их можно условно поделить на три разновидности:

1) сорбция на активированном угле (адсорбционный обмен);

2) сорбция на ионитах (ионный обмен);

3.4.1 Адсорбционный метод

Адсорбционный метод является одним из эффективных методов извлечения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводств. В качестве сорбентов используются активированные угли, синтетические сорбенты, отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.).

Основные типы промышленных адсорбентов - глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции хрома из сточных вод используются мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика - иногда превышает энергию адсорбции.

Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли, однако они должны обладать определенными свойствами:

- слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами;

- быть относительно крупнопористыми;

- иметь высокую адсорбционную емкость;

- обладать малой удерживающей способностью при регенерации;

- иметь высокую прочность;

- обладать высокой смачиваемостью;

- иметь малую каталитическую активность;

- иметь низкую стоимость.

Процесс адсорбционного извлечения шестивалентного хрома из сточных вод ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с раствором, при фильтровании раствора через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с раствором используют активированный уголь в виде частиц диаметром 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней [1-2].

Достоинства метода.

1) Очистка до ПДК.

2) Возможность совместного удаления различных по природе примесей.

3) Отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод.

4) Возможность рекуперации сорбированных веществ.

5) Возможность возврата очищенной воды после корректировки рН.

Недостатки метода.

1) Дороговизна и дефицитность сорбентов.

2) Природные сорбенты применимы для ограниченного круга примесей и их концентраций.

3) Громоздкость оборудования.

4) Большой расход реагентов для регенерации сорбентов.

5) Образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки.

3.4.2 Метод ионного обмена

Ионообменное извлечение металлов из сточных вод позволяет рекуперировать ценные вещества с высокой степенью извлечения. Ионный обмен - это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Метод ионного обмена основан на применении катионитов и анионитов, сорбирующих из обрабатываемых сточных вод катионы и анионы растворенных солей. В процессе фильтрования обменные катионы и анионы заменяются катионами и анионами, извлекаемыми из сточных вод. Это приводит к истощению обменной способности материалов и необходимости их регенерации.

Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод приобрели синтетические ионообменные смолы - высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы - противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми анкерными [1].

Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

- при контакте с катионитом:

RSO₃H + NaCL = RSO₃Na + HCL,

где R - матрица, Н - противоион, SO₃ - анкерный ион;

- при контакте с анионитом:

ROH + NaCL = RCL + NaOH,

Достоинства метода.

1) Возможность очистки до требований ПДК.

2) Возврат очищенной воды до 95% в оборот.

3) Возможность утилизации тяжелых металлов.

Недостатки метода.

1) Необходимость предварительной очистки сточных вод от масел, ПАВ, растворителей, органики, взвешенных веществ.

2) Большой расход реагентов для регенерации ионитов и обработки смол.

3)Необходимость предварительного разделения промывных вод от концентратов.

4) Образование вторичных отходов - элюатов, требующих дополнительной переработки.

4. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Целесообразность внедрения методов электрообработки в технологию очистки сточных вод базируется на высокой экономической эффективности затрат по сравнению с традиционными способами их обработки.

Главным критерием эффективности различных вариантов технических решений служит минимум приведенных затрат, то есть сумма годовых эксплутационных расходов С, включающих в себя стоимость израсходованных при очистке реагентов, материалов, топлива и электроэнергии, амортизационные отчисления, транспортные расходы, заработную плату обслуживающего персонала, и капитальных вложений К с учетом нормативного коэффициента их эффективности.

Ниже приведены сравнительные затраты (тыс. руб) на очистку сточных вод (Q=5 м³/ч) при реконструкции сооружений гальванического цеха.

Показатели затрат	Реагентная коагуляция	Электрокоагуляция
Реагенты и транспорт	950	-
Электроэнергия	4500	3000
Содержание персонала	3160	505
Здания и сооружения	18722	4631
Сети	242	115,5
Оборудование	7727,5	209
Текущий ремонт зданий и сооружений, сетей, оборудования	710	135
Амортизационные отчисления	1964,5	306
Сумма эксплутационных затрат	10675	4130
Капиталовложения	21685	4955

Таким образом, годовая экономическая эффективность от внедрения электрокоагуляции при Е_н=0,15 составляет:

?С=(С₁+Е_н•К₁)-(С₂+Е_н•К₂)=(10675+0,15•21685)-(4130+0,15•4955)=

=9054,5 тыс. руб.

5. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО МЕТОДА

Таким образом, в настоящее время имеется достаточно широкий ассортимент методов, позволяющих перерабатывать сточные воды гальванопроизводств с получением пригодного для дальнейшего использования продукта и оборотной воды. Однако ни один метод нельзя считать универсальным. Поэтому в данной курсовой работе будет применен метод электрокоагуляции, так как он обеспечивает 100%-ное восстановление Cr⁶⁺ до Cr³⁺, одновременно осаждаются ионы тяжелых металлов, а также появляется возможность компоновки необходимой аппаратуры с другой очистной аппаратурой и при расчете эколого-экономической эффективности получается что электрокоагуляция наиболее дешевый метод чем реагентный.

6. РАСЧЕТ БАЗОВОГО АППАРАТА

Исходные параметры для расчета установки:

Производительность установки Q=0,0014 м³/с

Расход тока Д_т=540000 Кл/м³

Плотность тока на электродах i_э=50 А/м³

Расчет:

1. Сила тока, необходимая для выделения в раствор хрома:

I_р=Д_т•Q

I_р=540 000•0,0014=750 А

2. Активная поверхность электродов:

S_э= Д_т•Q/(3,6• i_э)

S_э=750/(3,6•50)=4,17 м²

3. Расчет конструктивных размеров электрореактора:

а) Площадь поперечного сечения аппарата:

F_п^к=Q/э_ж^м=В_к•L_к

э_ж^м=30 м/ч - скорость движения воды в межэлектродном пространстве электрореактора.

F_п^к=5/30=0,17 м²

б) Приняв соотношение В_к: L_к=1:1, находим размеры реактора в плане:

В_к= L_к=v F_п^к

В_к= L_к=0,4 м

в) Число пластин, размещаемых в камере на ширине L_к:

n_э=( L_к-l_э)/(Р_э+ l_э)

l_э=10 мм - межэлектродное расстояние;

Р_э =8 мм - толщина электродов.

n_э=(400-10)/(8+10)=22

г) Размер одной пластины реактора:

f_э=S_э/( n_э-1)

f_э=4,17/(22-1)=0,20 м²

высота одной пластины реактора:

h_э= f_э/b_э

b_э=0,4 м - ширина одной пластины.

h_э= 0,2/0,4=0,5 м

д) Рабочий объём камеры электролиза:

V_э= b_э• h_э • l_э •(n_э-1)+ b_э • Р_э • n_э

V_э= 0,4• 0,5 • 0,01 •(22-1)+ 0,4 • 0,008 • 22=0,123 м³

ж) Строительный объем аппарата:

V_п^к=В_п•L_п•Н_п+(1/3)•В_п•L_п•Н_ос+В_п•L_п•Н_н

В_п= В_к+2•б_э=0,4+0,02=0,42 м

L_п= L_к+2•б_э=0,4+0,02=0,42 м

Н_п=1,2• h_э=1,2•0,5=0,6 м

Н_ос=0,3 м

Н_н=0,3• h_э=0,3•0,5=0,15 м

V_п^к=0,42•0,42•0,6+(1/3)•0,42•0,42•0,3+0,42•0,42•0,15=0,154 м

4. Масса электродной системы электрореактора:

М_э=г_ме•f_э•Р_э•n_э

г_ме=7,86 т/м³ - плотность материала электродов

М_э=7,86•0,20•0,008•22=0,27 т

5. Масс металла электродной системы с растворимыми электродами, которая может быть использована при электролизе:

М_р=з_р•М_э

з_р=0,8 - коэффициент использования материала электродов.

М_р=0,8•0,27=0,216 т

6. Продолжительность работы электродной системы с растворимыми электродами:

ф_э=180 сут.

7. ВЫВОДЫ

1. Была проанализирована существующая система очистки сточной воды и сделаны выводы.

2. Был проведен литературный обзор альтернативных методов.

В результате анализа научно-технической и патентной литературы становится очевидно, что не существует универсального, т.е. эффективного и дешевого метода очистки промышленных сточных вод.

Наиболее широко применяемый реагентный метод, достаточно прост и не дешев, не решает проблему утилизации ценных компонентов, которые безвозвратно теряются с осадками. В результате чего почвы загрязняются токсичными шламами. Кроме того, метод не обеспечивает необходимого качества очистки сточных вод, предполагая направлять стоки на доочистку в городской коллектор, причиняя немалый ущерб окружающей среде и подрывая бюджет предприятия.

3. Рассчитана эколого-экономическая эффективность.

4. Выбран и обоснован альтернативный метод очистки.

5. Рассчитаны базовые размеры аппарата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Бухтер А.И. Переработка отработанных минеральных масел. - М.: ЦНИИТ Энефтехим, 1975.

Кульский Л.А., Строкач П.П., Слипченко В.А. Очистка воды электрокоагуляцией. - Киев, 1978.

Макаров В.М. Рациональное использование и очистка воды на машиностроительных предприятиях. М.: Машиностроение, 1988.

Охрана окружающей среды от отходов гальванического производства. Материалы семинара. М.: "Знание", 1990.

Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности: Справочник / Под общ. Ред. И.В.Рябова. - М.: Химия, 1970.

Селицкий Г.А. Электрокоагуляционный метод очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов. - М.: ЦНИИТЭИ ЦВЕТМЕТ, 1978.

Смирнов Д.И., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. - М.: Металлургия, 1980.

Яковлев С.В. Технология электрохимической очистки сточных вод. - М.: Стройиздат, 1987.

Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1986.