Технология очистки сточных вод. Учебное пособие

являются практически нерастворимыми соединениями, обладающими способностью к электролитической диссоциации.

Иониты, содержащие активные кислотные группы, и способные к обмену подвижные катионы называют катионитами, а иониты, содержащие подвижные анионы и активные группы основного характера, - анионитами.

Обменная емкость (мг-экв на 1 г сухого ионита; мг-экв. на 1 л набухшего ионита) является важнейшей характеристикой ионитов. Для определения обменной емкости применяют статический ( СОЕ ) и динамический ( ДОЕ ) методы.

Сущность статического метода заключается в построении и сопоставлении двух кривых титрования раствора соли щелочью и кислотой в отсутствии и при наличии ионита. Если ионит (катионит) находится в Н+ форме, то при титровании до того же значения рН раствора во втором случае потребуется больше щелочи, так как часть ее пойдет на нейтрализацию ионов Н+, вытесненных из катионита.

Таким образом, кривая титрования в присутствии Н+- катионита будет сдвинута вправо, в сторону больших количеств щелочи (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вид кривой титрования: 1 – без катионита; 2 – с катионитом

Разность абсцисс точек, лежащих на двух кривых при одном значении рН, показывает количество перешедших в раствор ионов Н+, нейтрали-

21

зованных при данном значении рН. Следовательно, эта разность пропорциональна величине СОЕ ионита по катионам, поступившим из раствора на их место. Измеряя эти разности для различных значений рН, находят величину СОЕ для каждого заданного значения рН по формуле

где C – концентрация раствора щелочи, мг-экв/мл; n1 – число миллилитров раствора гидроксида натрия при титровании с катионитом; n0

– то же, без катионита; m – навеска катионита, г.

Определение зависимости СОЕ от рН позволяет оценить не только величину обменной емкости, но и относительный вклад в нее различных ионогенных групп.

При гальванической обработке металлов и в ряде других производств образуются сточные воды, содержащие ионы меди и других тяжелых металлов, сброс которых в водоемы жестко ограничивается. Извлечение таких ионов с целью возврата в производство в ряде случаев может быть осуществлено ионообменным методом.

Определение динамической обменной емкости в условиях, приближающихся к эксплуатационным, необходимо для технологического расчета производственных ионитовых установок.

Величину ДОЕ определяют по уравнению

фильтрации раствора через колонку, с; Сн - начальная концентрация раствора, мг-экв/л; Сф - конечная концентрация раствора, мг-экв/л.

Величину ПДОЕ можно определить и непосредственно по

площади фигуры ОАСДО. Для определения относительных значений указанных площадей можно воспользоваться методом взвешивания вырезанных из графика соответствующих фигур (рис. 3.2).

22

Ход работы

В шесть одинаковых колб емкостью 150 - 200 мл с плотно закрывающимися пробками помещают по 1,000 г катионита, по 50 мл 0,2 Н раствора NaCl и различные количества 0,1 Н раствора NaOH (0; 5; 10; 15; 30; 40 мл). Затем добавляют дистиллированную воду столько, чтобы общий объем жидкости составил 100 мл. Измеряют рН1. Все склянки закрывают пробками, встряхивают на ротационном аппарате в течение двух часов. После этого определяют рН2 растворов, находящихся в равновесии с катионитом.

Строят график как показано на рис. 3.1, по оси абсцисс откладывают n1 - число миллилитров NaOH, по оси ординат - полученные

значения рН2.

Для получения кривой в отсутствие ионита в другие семь склянок помещают по 50 мл 0,2 Н NaCl, добавляют различные количества 0,1 Н раствора NaOH (0; 1; 5; 15; 30 мл) и 0,1 Н НСl (5; 20 мл) и проделывают те же операции, что и с катионитом.

Наносят обе кривые на один график. По графику измеряют разности абсцисс точек, имеющих одинаковую ординату; ординаты берут при различных значениях рН1, например, через каждую едини-

цу. По разности абсцисс n1 n0 вычисляют СОЕ , мг-экв на 1 г воз-

душно-сухого катионита.

Аналогичная методика может быть применена для определения СОЕ анионитов в ОН-форме, в этом случае в склянки вместо 0,1Н раствора NaOH вводят различные количества 0,1Н HCl. Результаты заносят в табл. 3.1.

На основании полученных результатов делают вывод о проделанной работе.

24

Лабораторная работа 3.2

Определение динамической обменной емкости катионита

Цель работы: определение динамической обменной емкости катионита в Н+ форме по поглощению Сu2+ из сточной воды.

Необходимое оборудование и реактивы:

установка с опытным фильтром-колонкой; мерные цилиндры емкостью 200 мл - 2 шт.; колбы емкостью 250 мл - 10 шт; мерный цилиндр емкостью 50 мл; набухший катионит в Н+ форме 15-20 г; сточная вода 1 л;

раствор CuSO4, 0,01 Н;

раствор медно–аммиачного комплекса Cu(NH3)4SO4 0,01 H; раствор NaOH, 0,0 1Н;

раствор NH4OH 5 %-ный; сточная вода 1 л.

Ход работы

Для количественного определения содержания меди в пробах фильтрата предварительно строят калибровочную кривую. Для этого измеряют оптическую плотность шести растворов, содержащих мед- но-аммиачный комплекс, на фотоэлектроколориметре ФЭК-М с красным светофильтром.

Растворы готовят путем разбавления исходного 0,01 Н медноаммиачного раствора дистиллированной водой, применяя разбавление

в2,5; 5; 10; 20 и 50 раз.

Вколонку (рис. 3.3) загружают 30 мл набухшего катионита в Н+ форме. Готовят 0,01 Н раствор CuSO4, заливают в склянку с тубусом и пропускают через колонку с расходом 30 мл за минуту. Последовательно отбираемые пробы фильтрата по 200 мл собирают в серию колб.

Впробах фильтрата определяют рН, кислотность, а для установления «проскока» меди вводят водный аммиак (из расчета 5 мл на 100 мл фильтрата), образующий ярко окрашенное комплексное соединение по реакции

CuSO4 + 4NH4OH Cu(NH3)4SO4 + 4H2O.

25

Для количественного определения содержания ионов меди Сu+2 в пробах фильтрата, содержащих медно-аммиачный комплекс, на фотоэлектроколориметре ФЭК-М с красным светофильтром измеряют оптическую плотность растворов и по соответствующей калибровочной кривой находят результат. Раствор CuSO4 пропускают через колонку до тех пор, пока величина «проскока» ионов меди в фильтрат не приблизится к концентрации исходного раствора.

По результатам опыта строят «выходную кривую» в координатах: объем пропущенного раствора - по оси абсцисс,

концентрация анализируемых ионов - по оси ординат. Исходя из экспериментальных данных определяют величину ДОЕ по уравнению (3.2). По графику (рис. 3.2) определяют полную динамическую обменную емкость ( ПДОЕ). Результаты заносят в табл. 3.2.

Таблица 3.2

На основании полученных результатов делают вывод о проделанной работе.

26

4. Очистка сточных вод флотационным способом

Флотация – метод отделения диспергированных и коллоидных примесей от воды, основанный на способности частиц прилипать к воздушным (газовым) пузырькам и переходить вместе с ними в пенный слой. Сущность процесса заключается в специфическом действии молекулярных сил, вызывающих слипание частиц примесей с пузырьками высокодиспергированного в воде газа (воздуха) и образование на поверхности пенного слоя, содержащего извлеченные вещества.

Различают четыре вида флотации:

Пенная флотация. Минеральные частицы прилипают к пузырькам воздуха, поднимающимся в водной суспензии данного минерала (пульпе). Прилипшие частицы уносятся в поверхностный слой пульпы, где образующаяся пена с частицами минерала снимается и разрушается; частицы другого состава не прилипают к пузырькам и остаются в пульпе.

Пленочная флотация. Минеральные частицы тонким слоем наносятся на движущуюся поверхность воды. Частицы, хорошо смачиваемые водой, тонут, хуже смачиваемые остаются на поверхности воды и собираются.

Масляная флотация. Частицы минерала, смачиваемые маслом, прилипают к капелькам масла и выносятся наверх, тогда как частицы, смачиваемые водой, остаются в пульпе.

Флотация на носителях. В пульпу вводится твердая поверхность, обработанная специальными реагентами, и к ней избирательно прилипают частицы определенного минерального состава, тогда как другие частицы остаются в пульпе.

Следует отметить, что в настоящее время наибольшее распространение получила пенная флотация.

Флотация, как и большинство других методов разделения веществ (кристаллизация, перегонка), основанных на различии в физических свойствах, не дает возможности при практическом осуществлении полного (100%) извлечения минерала. Поэтому обычно применяется фракционная флотация, при которой концентраты, получаемые при флотации, подвергаются дополнительной флотации, дающей концентрат более высокого качества.

Для осуществления процесса пенной флотации необходимо, чтобы воздух частично вытеснял воду с поверхности минерала; для

27

процесса масляной флотации необходимо, чтобы масло вытесняло воду; пленочная флотация возможна в том случае, если вода не может полностью вытеснить воздух с минеральной поверхности.

В случае вытеснения воды с поверхности твердого тела воздухом имеет место пенная флотация (рис.4.1).

Работу адгезии WТ Г или прилипания пузырька воздуха к твердой поверхности определяют по формуле

жидкость; Ж Г - сила, действующая на границе раздела жидкость- газ; Т Г - сила, действующая на границе раздела твердое тело-газ. Решая это уравнение совместно с уравнением Лапласа

где - краевой угол, характеризующий флотируемость минерала, получаем

пания достигает максимума, равного 2 Т Г . Следовательно, минерал может обладать флотируемостью при

28

любом угле смачивания, отличном от 0°, однако чем больше величина , тем ярче выражена флотируемость минерала. Отсюда следует, что все факторы, способствующие увеличению краевого угла смачивания минералов, будут положительно сказываться на их флотации.

Минералы, подвергнутые измельчению, могут обладать естественной флотируемостью, либо она может быть вызвана искусственной гидрофобизацией поверхности.

На практике процесс флотации производят в присутствии флотореагентов, которые по своему воздействию могут быть разделены на следующие группы:

-вспениватели - вещества, способствующие образованию устойчивых пузырьков и пены в пульпе;

-собиратели - вещества, которые гидрофобизуют поверхность

итем самым повышают краевой угол смачивания;

-активаторы - вещества, способствующие закреплению собирателя на поверхности минерала;

-депрессоры - вещества, которые в противоположность активаторам препятствуют закреплению собирателя на поверхности минерала и тем самым ухудшают флотируемость данного минерала.

Следует отметить, что часто вещество, являющееся активатором в одном конкретном случае, может быть депрессором в другом случае. Поэтому две последние группы объединяются в одну под общим названием регуляторы (модификаторы).

Для флотации большое значение имеет степень гидратированности минеральных частиц. Чем больше гидратирована частица и чем более устойчива гидратная оболочка, тем менее флотируется частица.

Собирателями являются поверхностно-активные вещества, молекулы которых содержат полярную и неполярную группы. Аналогичное строение имеют и молекулы пенообразователя. Благодаря своему дифильному характеру, молекулы собирателя располагаются так, что их полярные части направлены к поверхности минерала, а неполярные - в сторону жидкости. Этим и достигается гидрофобизация поверхности. Молекулы пенообразователя, адсорбируясь на поверхности пузырьков, гидрофобизируют поверхность последних и тем самым повышают их устойчивость и степень дисперсности. В качестве регуляторов процесса флотации применяют соли тяжелых металлов, цианиды, сульфид натрия, соду, известь, жидкое стекло. В одних случаях они действуют как активаторы, в других являются депрессорами.

29

Лабораторная работа 4

Исследование процесса флотации

Цель работы: исследование процесса флотации минералов в сточных водах. Определение количества минеральных наполнителей, перешедших при флотации в концентрат.

Необходимое оборудование и реактивы:

аппарат Халлимонда; фильтр Шотта №2; магнитная мешалка; минерал (каолин).

Ход работы

При исследовании процесса флотации минералов в лабораторных условиях обычно используют флотационные аппараты малых размеров, моделирующие процесс флотации, происходящий в промышленных условиях. Одним из таких аппаратов, требующих для проведения опыта 0,2-1,0 г минерала, является аппарат Халлимонда (рис.4.2).

Рис. 4.2. Флотационная установка: 1 – напорная емкость; 2 – вытеснительная склянка; 3 – поглотительная склянка; 4 – манометр; 5 – керамический фильтр; 6 – магнитная мешалка; 7 – трубка Халлимонда

30