1. Химические методы удаления

ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

В предыдущих разделах уже затрагивались вопросы удаления наиболее токсичных ионов металлов, таких как ртуть и хром.

Реагентная очистка от ионов других тяжелых металлов (цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта) основана на нейтрализации стоков и осаждении металлов с образованием гидроксидов или окси-дов, которые затем отделяются в виде минерального шлама. При этом используют осадители: Ca(OH)₂, NaOH, Na₂CO₃. Однако растворимость полученных соединений не всегда позволяет снизить остаточное содержание металлов до ПДК. Более глубокая очистка достигается при осаждении в виде сульфидов (осадители Na₂S, FeS₂).

Для осаждения можно применять и щелочные отходы производ-ства, например, шлаки.

Особенности процессов осаждения при удалении ионов металлов:

1. совместное осаждение нескольких металлов протекает легче, благодаря процессам адсорбции и образования смешанных кристаллов;

2. для повышения степени удаления в виде Mt(OH)_n при рН = 8,5 вводят NaSiO₃ (в 5–30 раз более стехиометрической нормы) для улучшения свойств осадка;

3. Mt(OH)_n и MtS образуют устойчивые коллоидные системы, поэтому при осаждении не удается обойтись без применения коагулянтов и флокулянтов;

4. в ходе процесса необходим контроль (определенный диапа-зон) рН, особенно если удаляемый гидроксид амфотерен;

5. выбор осадителя производится в зависимости от ПР и «качества № осадка, который должен легко удаляться.

Однако, с учетом этих требований, не всегда удается подобрать рН, выделению осадков мешают присутствующие в растворах комплек-сообразователи. Известковые реагенты создают проблемы с утилиза-цией больших объемов токсичного осадка, по сути являющегося поли-металлической рудой, извлечение ценных компонентов из которой затруднительно.

Значения рН, соответствующие началу осаждения гидроксидов металлов и полному их осаждению, зависят от природы металлов, концентрации их в растворе, температуры, содержания других примесей (см. табл. 8).

Таблица 8

Данные начала и конца осаждения различных катионов

Вид катиона	Значения рН
	начало осаждения*	полное осаждение**
Железо Fe2+	7,5	9,7
Железо Fe3+	2,3	4,1
Цинк Zn2+	6,4	8,0
Хром Cr3+	4,9	6,8
Никель Ni2+	7,7	9,5
Алюминий Al3+	40	5,2
Кадмий Cd2+	8,2	9,7
* При исходной концентрации осаждаемого иона 0,01 моль/л. ** Значения рН соответствуют остаточной концентрации металла 105 моль/л.

Примеры обработки стоков, содержащих соли металлов:

Цинка  Zn²⁺ + 2OH^  Zn(OH)₂ , (171)

или при действии соды 

2ZnCl₂ + 2Na₂CO₃ + H₂O → 4NaCl + CO₂ + (ZnOH)₂CO₃ . (172)

Меди  Cu²⁺ + 2OH^  Cu(OH)₂ (173)

или

Cu²⁺ + 2OH^ + СO₃^2  (CuOH)₂CO₃ . (174)

Осаждение гидроксида меди происходит при рН = 5,3.

Никеля  Ni²⁺ + 2OH^  Ni(OH)₂ (175)

или

2Ni²⁺ + CO₃^2- + 2OH^  (NiOH)₂CO₃ , (176)

Ni²⁺ + CO₃^2 NiCO₃ . (177)

Свинца  Pb²⁺ + 2OH^  Pb(OH)₂ (178)

или

2Pb²⁺ + 2OH^ + CO₃^2  (PbOH)₂CO₃ (179)

или

Pb²⁺ + CO₃^2  PbCO₃ . (179)

Очистка стоков от соединений мышьяка проводится по методу химического осаждения его в виде труднорастворимых соединений (арсенаты, арсениты щелочноземельных и тяжелых металлов, сульфи-ды, триоксид мышьяка). Например, при использовании пиролюзита происходит окисление трехвалентного мышьяка:

H₃AsO₃ + MnO₂ + H₂SO₄  H₃AsO₄ + MnSO₄ + H₂O, (180)

а затем проводят осаждение мышьяка в виде арсенида марганца при нейтрализации гидроксидом кальция (известковое молоко).

Для обезжелезивания вод используют аэрацию, реагентные методы и др. При аэрации двухвалентное железо окисляется до трехва-лентного:

Fe²⁺ + O₂ + 2H₂O  Fe³⁺ + 4OH^, (181)

Fe³⁺ + 3 H₂O  Fe(OH)₃ + 3H⁺ (182)

или с хлором

2Fe(HCO₃)₂ + Cl₂ + Ca(HCO₃)₂  2Fe(OH)₃ + CaCl₂ + 6CO₂, (183)

или окисление перманганатом калия:

3Fe(HCO₃)₂ + KMnO₄ + 2H₂O 

3Fe(OH)₃ + MnO₂ + 5CO₂↑ + KHCO_3. (184)

Содержание ионов кобальта и кадмия в стоках обычно мало, и при обработке стоков известковым молоком (см. примеры осаждения металлов СО₃^2) они будут очищены и от растворимых солей кобальта и кадмия.

Удаление из воды марганца может быть осуществлено химическими методами:

1) с использованием перманганата калия (это наиболее простой и эффективный метод):

3Mn²⁺ + 2MnO₄^– + 2H₂O  5MnO₂ + 4H⁺ ; (185)

2) окислением озоном, хлором или диоксидом хлора, а также при помощи марганцевого катионита (раствор хлорида марганца и перманганата калия пропускают через катионит в натриевой форме):

Na [кат] + MnCl₂  Mn[кат] + Na⁺ + 2Cl^, (186)

Mn[кат] + Me⁺ + MnO₄  Me[кат] + 2MnO₂, (187)

где Me⁺ – катион Na⁺ или K⁺.

В этих процессах перманганат калия окисляет марганец с образованием оксидов марганца, которые оседают на поверхности зерен катионита. При регенерации катионита осадок восстанавливается раствором перманганата калия.

Контрольные вопросы

1. Рассмотрите возможные способы осуществления метода нейтрализации, их сравнительные достоинства и ограничения к применению.

2. Дайте сравнительную характеристику возможностей приме-нения в химической очистке сточных вод таких окислителей, как а) хлор и озон, б) пероксид водорода и кислород воздуха.

3. Приведите конкретные примеры реагентной очистки воды, которые включают сочетания: а) окислительных и восстановительных процессов; б) этапов восстановления и осаждения. Оцените достоинства и недостатки технологий.

4. Удаление из воды ионов марганца может быть достигнуто, например: 1) обработкой воды перманганатом калия; 2) аэрацией, совмещенной с известкованием. К какому типу процессов относятся приведенные случаи? Ответ подтвердите уравнениями химических реакций.

Лекция 9. Биохимические методы очистки сточных вод