3.1. Теоретические основы реагентного метода

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). Известно, что вещества условно можно разделить на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Растворимость первых составляет примерно 1 г вещества в 100 мл растворителя (вода) или приблизительно 0,1 М по катиону, а последних – менее 0,1 г вещества в 100 мл растворителя или примерно 0,01 М по катиону. Вещества, занимающие промежуточное положение между ними, называют малорастворимыми. По Л. Полингу к основным классам нерастворимых веществ в первую очередь относятся все гидроксиды, за исключением гидроксидов щелочных металлов, аммония и бария. Все средние карбонаты и фосфаты нерастворимы, за исключением соответствующих соединений щелочных металлов и аммония. Все сульфиды, за исключением сульфидов щелочных и щелочноземельных металлов, нерастворимы.

При нейтрализации кислых сточных вод известковым молоком, содержащим значительное количество известняка, а также растворами соды некоторые ионы тяжелых металлов (например, цинк, медь и др.) осаждаются в виде соответствующих основных карбонатов. Последние менее растворимы в воде, чем соответствующие гидроксиды. Поэтому 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 pH, чем соответствующие гидроксиды. В табл. 3.1 представлены значения pH осаждения гидроксидов металлов и остаточные концентрации ионов металлов в сточной воде.

Таблица 3.1. Значения величины pH осаждения гидроксидов металлов и остаточная концентрация ионов металлов

Формула гидроксида	Величина pH начала осаждения при исходной концентрации осаждаемого иона 0,01 М	Величина pH полного осаждения (остаточная концентрация менее 10‘5 М)	Величина pH начала растворения	Остаточная концентрация иона металла, наблюдаемая на практике при pH 8,5-9,0, мг/л
Fe(OH)2	7,5	9,7	13,5	0,3-1,0
Fe(OH)3	2,3	4,1	14,0	0,3-0,5
Zn(OH)2	6,4	8,0	10,5	0,1-0,05
Сг(ОН)з	4,9	6,8	12,0	0,1-0,05
Ni(OH)2	7,7	9,5-10,0	-	0,25-0,75
А1(ОН)3	4,0	5,2	7,8	0,1-0,5
Cd(OH)2	8,2	9,7-10,5	-	2,5
Cu(OH)2	5,5	8,0-10,0	-	0,1-0,15

Практикой очистки сточных вод установлено также, что при совместном осаждении гидроксидов двух или нескольких металлов при одной и той же величине pH достигаются лучшие результаты, чем при раздельном осаждении каждого из металлов. В многокомпонентных сточных водах значения рН, соответствующие началу и окончанию осаждения гидроксидов, существенно сдвинуты в сторону больших величин. При локальном обезвреживании кадмий-, никель-, цинксодержащих потоков в качестве щелочного реагента рекомендуется использовать известь (лучше третьего сорта, содержащую СаСОз). При этом расход извести составляет на 1 весовую часть(в.ч.) кадмия - 0,5 в.ч. СаО, никеля - 0,8 в.ч. СаО, цинка - 1,2 в.ч. СаО.

Для очистки производственных сточных вод от соединений тяжелых цветных металлов их осаждают в виде соответствующих гидроксидов, сульфидов либо карбонатов. Растворимость соединений меди может быть охарактеризована произведением растворимости.

Таблица 3.2. Произведения растворимости соединений меди (II)

Соль	Произведение растворимости (ПР)
CuCO3	1,0 ∙ 10-9
Cu (OH)2	6,0 ∙ 10-20
Cu S	1,0 ∙ 10-40

Ионы тяжелых цветных металлов могут осаждаться не только в виде гидроксидов, но и гидроксид – карбонатов (в случае использования для осаждения реагентов, содержащих в своем составе карбонатные ионы ).

2Cu⁺² + 2OH^- + CO₃^-2→ Cu (OH)₂CO₃↓

Кроме того, возможно образование и труднорастворимых карбонатов тяжелых цветных металлов:

Cu⁺² + CO₃^-2→ Cu CO₃↓

Гидроксиды меди растворяются в избытке едкой щелочи с образованием комплексных анионов.

При обработке щелочными реагентами сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, достигается снижение их концентрации до величин, позволяющих осуществлять сброс очищенной воды в городскую канализацию или водоемы санитарно – бытового пользования.

В этом случае когда требуется более глубокая степень очистки, тяжелые металлы рекомендуется выделять в виде сульфидов. Сульфиды тяжелых металлов настолько малорастворимы в воде, что гидролиз не может происходить. В виде сульфидов выделяют и медь. Для двухвалентного катиона металла реакция образования сульфида может быть записана в следующем виде:

Ме²⁺ + S^2- → MeS↓

Cu⁺² + S^2- → Cu S↓

В качестве осадителя обычно используют Na₂S. Растворимость сульфидов зависит от рН раствора.

Гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы, поэтому для интенсификации процесс их осаждения в сточные воды добавляют коагулянты и флокулянты. В качестве коагулянтов используют сальфаты алюминия ( Al₂(SO₄)₃ *18H₂O ) или трехвалентного железа ( Fe₂(SO₄)₃ * 9H₂O ). Расширению оптимальных режимов коагуляции способствуют флокулянты. Они также в несколько раз увеличивают скорость выпадения осадков тяжелых металлов. Чаще всего в качестве флокулянта применяют полиакриламид, который обычно вводят в количестве 0,1 - 10 г/м³ очищаемой воды [11].