Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

 

Изобретение относится к способу очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов для полной утилизации продуктов обработки сточных вод и упрощения способа обработки. Сущность изобретения: осаждение ионов тяжелых металлов, содержащихся в сточных водах, с помощью свежеприготовленной гидроокиси трехвалентного железа в качестве коллектора при pH среды 9-10, взятой из расчета по иону Fe⁺³ по отношению к сумме ионов тяжелых металлов 5:1. В качестве щелочного реагента берется раствор гидроксида калия. Осадок фильтруют и подвергают сушке. В зависимости от температуры сушки получают или железоокисные пигменты, служащие основой для приготовления красок, эмалей или ферритовый порошок, являющийся основой для изготовления ферритов. Фильтрат утилизируется в виде жидких калийных удобрений. Продукты обработки сточных вод утилизируются в виде ценных для народного хозяйства продуктов. Обеспечена защита окружающей среды, так как какие- либо сливы отсутствуют. Способ прост, не требует нагрева, легко реализуется на обычном технологическом оборудовании. 4 табл.

Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано в гальваническом производстве, химической и других отраслях.

В охране водных объектов окружающей среды от загрязнений известен способ обработки гидроксидных осадков, содержащих тяжелые металлы [1] Для повышения стойкости осадка к вымыванию кислыми природными водами и повышению степени ферритизации гидроксидов тяжелых металлов в гидроксидный осадок вводят железный купорос в массовом отношении к суммарному содержанию гидроксидов тяжелых металлов (14-15):1, подщелачивание ведут до рН 10-11 и вводят перманганат щелочного металла или его смесь с диоксидом марганца в количестве 0,001-0,002% от массы введенного железного купороса. Образующуюся при этом суспензию нагревают до 85-90^оС и выдерживают с одновременным барботированием воздухом до полного окончания процесса ферритизации, после чего суспензию охлаждают, кристаллический осадок отделяют от воды и направляют на захоронение. Способ позволяет производить очистку сточных вод от ионов тяжелых металлов, однако не обеспечивает утилизацию продуктов очистки.

Наиболее близким техническим решением является способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов [2] включающий введение двухвалентного железа, щелочного реагента, газа-окислителя, нагревание системы с последующим отделением осадка. Для сокращения времени и повышения степени очистки сточные воды после введения двухвалентного железа нагревают от 60-80^оС с одновременным непрерывным введением газа окислителя (кислорода воздуха) и смешивают с нагретым до 60-80^оС щелочным реагентом, содержащим ионы аммония и гидрокарбоната, смесь выдерживают при данной температуре и рН 7-9 в течение 6-12 мин при непрерывном введении газа-окислителя.

Введение двухвалентного железа и смешивание со щелочным реагентом проводят при следующих соотношениях, мг/л: ион тяжелого металла: железо 1:(2-2,75); ион железа: ион аммония: гидрокарбонат ион 1:(0,4-0,9):(0,7-1,5). Образующийся осадок представляет собой двойные, частично гидратированные окислы системы MeO ˙ Fe₂O₄ ˙ nH₂O. Выделенные двойные окислы могут быть использованы в качестве наполнителей в лакокрасочной промышленности, для получения магнитных пластмасс, для получения ферритов в электротехнической и электронной промышленности, в качестве катализаторов для химической промышленности.

Известный способ имеет следующие недостатки.

Необходимо нагревать сточные воды и щелочной реагент до 60-80^оС, что ведет к удорожанию способа очистки ввиду дополнительных энергетических затрат и дополнительных затрат на технологическое оборудование.

Необходимо в процессе введения двухвалентного железа и смешивания со щелочным реагентом поддерживать и контролировать соотношения пяти компонентов образующейся системы, мг/л: ион тяжелого металла: железо 1:(2-2,75); ион железа: ион аммония: гидрокарбонат ион 1:(0,4-0,9):(0,7-1,5), что усложняет и удорожает технологический процесс очистки.

Способ применим лишь для очистки локальных стоков, ввиду того, что для каждого иона тяжелого металла требуются свои соотношения реагентов. Это обстоятельство ведет к удорожанию процесса, так как требуется дополнительное оборудование, устанавливаемое на каждом стоке.

Утилизируется только твердая фаза в виде двойных, частично гидратированных окислов системы MeO ˙ Fe₂O₄ ˙ nH₂O. Остается нерешенной проблема утилизации фильтрата, представляющего собой щелочной раствор с рН 7-9.

Техническим результатом изобретения является упрощение способа очистки и полная утилизация сточных вод (твердой и жидкой фазы).

Результат достигается тем, что в известном способе очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, включающем введение соединений железа и щелочного реагента с непрерывным перемешиванием и последующим отделением осадка, согласно изобретению в качестве соединений железа вводится свежеприготовленная гидроокись трехвалентного железа Fe(OH)₃, взятая из расчета по иону трехвалентного железа по отношению к сумме ионов тяжелых металлов не менее 5:1, а в качестве щелочного реагента применяют раствор гидроксида калия и перемешивание осуществляют при рН 9-10.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что в качестве соединений железа применяют свежеприготовленную гидроокись трехвалентного железа Fe(OH)₃ из расчета по иону трехвалентного железа по отношению к сумме ионов тяжелых металлов не менее 5:1 и в качестве щелочного реагента раствор гидроксида калия, а перемешивание проводят при рН 9-10.

В предлагаемом способе замена гидроокиси двухвалентного железа на гидроокись трехвалентного железа позволяет использовать его особые свойства, необходимые для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.

Во-первых, у гидроксида железа (III) один из наименьших показателей произведения растворимостей (ПР) среди гидроксидов тяжелых металлов ПР=3,7 ˙10^-38, что обеспечивает практически полное осаждение солей железа при взаимодействии со щелочью.

Во-вторых, гидроксид железа (III), являясь коллектором для ионов тяжелых металлов, обеспечивает полное соосаждение гидроокисей тяжелых металлов: Zn(OH)₂, Cu(OH)₂, Cr(OH)₃ при соотношении иона Fe³⁺ к сумме ионов тяжелых металлов 5:1.

Одновременно, процесс соосаждения происходит при более высоком уровне показателя рН среды, в данном случае рН 9-10, что позволяет сравнительно легко производить очистку как локальных, так и объединенных стоков, одновременно упрощается технология очистки, так как контролируется всего один показатель рН среды.

Предлагаемый способ обработки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, с применением щелочного реагента в виде раствора гидроксида калия не требует нагрева и существенно ускоряется, так как скорость реакции осаждения гидроокисей тяжелых металлов определяется при прочих равных условиях лишь скоростью приливания раствора гидроксида калия и скоростью перемешивания для достижения рН 9-10. В процессе осаждения ионов тяжелых металлов их анионы образуют с ионом калия ряд водорастворимых солей (KCl, KNO₃, K₂SO₄ и т.д.), которые являются исходным продуктом для получения жидких калиевых удобрений для сельскохозяйственных культур.

Отфильтровывая обработанные сточные воды, получают на фильтре гидроокиси металлов, в фильтрате раствор калиевых солей. Гидроокиси металлов подвергают сушке и в зависимости от температуры и условий получают исходное сырье или в виде металлоокисных пигментов или ферритов.

Металлоокисные пигменты являются исходным продуктом для приготовления красок и эмалей.

Фильтрат, представляющий собой водорастворимые соли калия и соответствующих кислот с рН 9-10, после добавки раствора ортофосфорной кислоты до рН 6-8,5 утилизируется в виде жидких (Р+К) удобрений для сельскохозяйственных культур. Таким образом, использование в способе очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов гидроксида трехвалентного железа как коллектора и гидроксида калия как щелочного реагента упрощает процесс очистки, снижает расход коллектора, позволяет полностью утилизировать сточные воды в виде ценных продуктов для народного хозяйства. Какие-либо сливы отсутствуют.

П р и м е р. Предлагаемый способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и полной утилизации продуктов очистки реализуют следующим образом. Свежеприготовленную гидроокись трехвалентного железа Fe(OH)₃ в количестве 2,625 л с концентрацией иона железа Fe⁺³ 261700 мг/л разделяют на 21 равных проб объемом по 125 мл. Четыре пробы используют для очистки смеси растворов, имитирующих объединенные промышленные гальваностоки, девять для очистки отдельных растворов, имитирующих отдельные промышленные стоки, оставшиеся восемь для определения оптимального значения рН среды. В качестве растворов, подвергающихся очистке от ионов тяжелых металлов, используют водные растворы солей ZnSO₄, CuSO₄, Ni(NO₃)₂ с концентрацией 50 г/л. К пробам приливают различные количества или смеси растворов солей или отдельные растворы солей, затем добавляют раствор КОН до рН 9-10 при непрерывном перемешивании в течение 5 мин. Полученную суспензию фильтруют. Осадок на фильтре, представляющий собой смесь гидроксидов тяжелых металлов, подвергают сушке. Фильтрат, представляющий собой водный раствор калиевых солей соответствующих кислот, проверяют на присутствие ионов тяжелых металлов аналитическими методами с чувствительностью 0,2 мкг.

В табл. 1 приведены результаты экспериментов, соответствующие очистке объединенных стоков, в табл. 2 результаты экспериментов, соответствующие очистке локальных стоков.

Из результатов табл. 1 и 2 следует, что ионы тяжелых металлов надежно осаждаются только при определенных соотношениях ион трехвалентного железа: ионы тяжелых металлов.

При соотношениях 5:1 и выше (I, II, III пробы табл. 1; I, II, IV, V, VII и VIII пробы табл. 2) полнота осаждения ионов тяжелых металлов высока и в фильтрате они не обнаруживаются аналитическими методами с чувствительностью 0,2 мкг.

При соотношениях ниже 5:1 (IV проба табл. 1 и пробы III, VI, IX табл. 2), ионы тяжелых металлов обнаруживаются в фильтрате, хотя их концентрация остается ниже ПДК по СНИП Г-6-67 (см. табл. 3).

Учитывая это обстоятельство, следует принять оптимальным соотношение ион железа Fe⁺³: ион тяжелого металла как 5:1.

Результаты табл. 1 и 2 свидетельствуют, что это соотношение является оптимальным как для объединенных (табл. 1), так и локальных стоков (табл. 2).

Результаты определения оптимального значения рН среды приведены в табл. 4.

Из результатов таблицы 4 следует, что при значениях рН меньше 9 (пробы I, IV, VII, X) в фильтрате обнаруживаются ионы тяжелых металлов, при значениях рН 10-11 (пробы III, VI, IX и XII) ионы тяжелых металлов не обнаруживаются, однако это приводит к неоправданному повышению расхода щелочного реагента. Учитывая это, следует считать значение рН 9-10 оптимальным.

Использование предлагаемого способа очистки промышленных стоков от ионов тяжелых металлов по сравнению с известными способами обеспечивает экологическую защиту окружающей среды от загрязнения ионами тяжелых металлов, находящихся в промышленных стоках; получаемые продукты очистки сточных вод полностью утилизируются в виде продуктов ценных для народного хозяйства (твердая фаза в виде железоокисных пигментов или ферритов; жидкая фаза в виде жидких калийных удобрений), позволяет производить очистку как локальных, так и объединенных стоков; существенно упрощает технологический процесс очистки, так как процесс происходит при нормальной температуре и необходимо контролировать один параметр процесса рН среды.

Формула изобретения

Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, включающий введение соединений железа и щелочного реагента с непрерывным перемешиванием и последующим отделением осадка, отличающийся тем, что в качестве соединений железа используют свежеприготовленную гидроокись трехвалентного железа при отношении количества Fe³⁺ к сумме ионов тяжелых металлов не менее 5 1, а в качестве щелочного реагента раствор гидроксида калия и перемешивание осуществляют при рН 9 10.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3