Электродиализная очистка промывных вод ванны сернокислого травления стали с регенерацией кислоты

Теоретическая часть

Источниками загрязнения окружающей среды в гальванотехнике являются промывные воды и отработанные концентрированные растворы. В современных условиях на передний план выдвигается экологичность технологических процессов с обеспечением регенерации ценных веществ.

Перед нанесением электролитического покрытия важной подготовительной операцией является операция травления стальных изделий. Одним из основных компонентов раствора данной операции является серная кислота. В результате травления с поверхности металла удаляются оксиды железа, растравливается сталь, что приводит к накоплению в травильном растворе сернокислого железа и эквивалентному уменьшению содержания серной кислоты. Это приводит к уменьшению скорости травления стали, а раствор травления подлежит замене. Залповый сброс таких растворов недопустим, так как нарушает режим работы очистных сооружений и приводит к безвозвратной потере ценных компонентов. Поэтому необходимо обезвредить промывные сточные воды и регенерировать раствор серной кислоты, которая может быть использована при приготовлении свежего раствора ванны травления.

Для обезвреживания и регенерации таких промывных вод могут быть использованы методы, отличающиеся своей эффективностью и экономичностью: химические, сорбционные, обратный осмос, электро-

27

диализ, прямой электролиз и др.

Все они имеют определенные достоинства и недостатки. Одним из перспективных методов обезвреживания и регенерации промышленных вод ванн кислотного травления стали является мембранный электролиз ( электродиализ ).

Цель работы:Произвести очистку промывных сточных вод от ионов железа (II) и регенерировать раствор серной кислоты. Выбрать оптимальные скорости протока промывных сточных вод через электролизер. Определить анодный и катодный выхода по току и удельный расход электроэнергии при электролизе.

Экспериментальная часть

Для выполнения работы собирается установка, представленная на рис. 7. Плотность тока при электролизе может изменяться от 0.3 до 1.2 А/дм², а скорость протока промывных сточных вод от 0.2 до 1 л/час ( задается преподавателем).

1 -промывная сточная вода;2 -источник постоянного тока ;3 -катодное пространство электролизера;4 -анодное пространство электролизера, заполненное разбавленным раствором серной кислоты;5 - воронка с бумажным фильтром;6 -колба для сбора очищенной воды;7 -анионитовая мембрана электролизера МА-40;8 - анод ;9 - катод.

28

Сточная вода, содержащая ионы железа (II), из емкости 1 поступает в катодное пространство электролизера. При работе электролизера на стальном катоде происходит электролиз воды с выделением водорода по реакции:

2 H₂O + 2e^{- --------}> H₂ + 2 OH^--

Вследствие подщелачивания прикатодного пространства (рН > 8 ) происходит очистка от ионов железа (II) по реакции:

Fe²⁺ + 2 OH^{-- ---------}> Fe(OH)₂

Образующиеся гидроксиды железа отделяются от воды на фильтре 5, а очищенная вода собирается в колбе 6.

На свинцовом аноде в разбавленном растворе серной кислоты протекает реакция

2 H₂O — 4 e^-- ----> 4 H⁺ + O_2,

что приводит к увеличению концентрации серной кислоты при миграции ионов SO₄^2--из католита через анионитовую мембрану 7. Очищенная от ионов железа вода из католита собирается в емкость 6 и анализируется на содержание ионов железа (II) по методике изложенной в Прил.3 к данной работе.

Выход по току для осаждения ионов железа в виде Fe(OH)₂определяется из выражения:

V_k  [ Fe²⁺]

Вт_,к = ------------------ 100 % , (23)

Q q_Fe2+

где, V_k- объем очищаемой воды, прошедший через катодное пространство электролизера, л;

 [Fe²⁺]- разность концентраций по ионам железа в очищенной воде на входе в электролизер и выходе из него , г/л;

Q - количество потекшего электричества через электролизер,А ч.

q_Fe2+- электрохимический эквивалент Fe²⁺— 1,042 г/А час.

Концентрация серной кислоты в анолите до и после электролиза определяется титрованием 0.1 н раствором NaOH с индикатором фенолфталеином по методике, приведенной в Прил.3 к данной работе.

Выход по току для процесса регенерации серной кислоты рассчитывается по формуле:

V_a [H₂SO₄]

Вт_,а = -------------------- 100 % (24)

Q q_H2SO4

29

где, V_a-объем серной кислоты в анодном пространстве, л;

[H₂SO₄] - разность концентраций серной кислоты до и после электролиза , г/л;

Q = I - количество электричества, прошедшее через электролизер, А час;

q_H2SO4- электрохимический эквивалент H₂SO₄- (1.83) , г/А час.

Удельный расход электроэнергии при работе электролизера определяется из выражения , ( Вт ч/л )

Q U_ср

W = --------- , (25)

V

где, U_ср- среднее напряжение на электролизере, В;

Q - количество протекшего электричества, А час;

V - объем промывных сточных вод, прошедших через катодное пространство , л.

Экспериментальные данные, полученные при выполнении работы представляются в виде таблиц:

Токовая нагрузка на электролизер .............А.

Таблица 1

, мин
U, В

Концентрация Fe²⁺на входе .......... ,г/л

Таблица 2

[ Fe2+] на выходе ,г/л	Cкорость протока Vкат, л/час	Q ,А час	Втkt %	W ,Вт ч/л
	V1
	V2
	-
	-
	Vn

Таблица 3

Vанолит, л	[H2SO4]нач г/л	[H2SO4]кон г/л	[H2SO4] г/л	Q, А час	Втаn %

По опытным данным и расчетным значениям величин строят графики зависимостей [Fe²⁺] = f (V_{католита}); Bт_к= f (V_{католита}) и

30

W = f(V_{анолита}). Обосновывается оптимальная скорость протока очищаемой воды через катодное пространство при заданной плотности тока. Приводится обсуждение полученных результатов и делаются выводы по работе.

Приложение 3 Методика анализа на ионы Fe²⁺

Содержание ионов железа (II) в очищаемой воде определяется по результатам титрования раствором перманганата калия (KMnO₄).

Окислительно-восстановительный процесс, протекающий при титровании описывается следующими реакциями:

Fe²⁺ — e^-- ----> Fe³⁺

MnO₄^-- + 8 H⁺ + 5 e^-- ---> Mn²⁺ + 4 H₂O

___________________________________________________

 5 Fe ²⁺ + MnO₄^-- + 8 H⁺ ---> Mn²⁺ + 5 Fe³⁺ + 4 H₂O

или в молекулярном виде:

10 FeSO₄ + 2 KMnO₄ + 8 H₂SO₄ ---> 2 MnSO₄ + 5 Fe₂(SO₄)₃ +

+ 8 H₂O + K₂SO₄

В чистую коническую колбу отбирается пипеткой 10 мл очищаемой воды, добавляется 8 — 10 капель концентрированной серной кислоты (1:8) и 50 мл дистиллированной воды. Титрование производится 0,01 н раствором KMnO_4.

Содержание ионов железа (II) определяется по формуле, (г/л):

N_KMnO4 V_KMnO4

[Fe²⁺] = ------------------------ Э _Fe2+ ,

V _Fe2+

где, N_KMnO4 - нормальность раствора KMnO₄, (0/01 н);

_VКMnO4- объем раствора KMnO₄, пошедшего на титрование , мл;

V _Fe2+- Объем очищаемой воды, взятой на титрование, (10мл);

Э _Fe2+- г-эквивалент Fe²⁺— 55?85 г/г-экв.

Методика определения концентрации H₂SO₄

В чистую коническую колбу отбирают 10 мл отработанного и идущего на очистку раствора серной кислоты, добавляют 50 мл дистиллированной воды , 2--3 капли фенолфталеина и полученный раствор титруют 0.1 н раствором NaOH до перехода окраски.

Концентрация раствора серной кислоты определяется из выражения , (г/л):

N _NaOH V_NaOH

[H₂SO₄] =------------------ Э_H2SO4 ,

V_H2SO4 31

где, N_NaOH- нормальность раствора NaOH на титрование ( 0.1 н );

V_NaOH- объем раствора NaOH, пошедшего на титрование, мл;

V_H2SO4 - объем раствора H₂SO₄, взятой на анализ, (10 мл);

Э_H2SO4- эквивалент H₂SO₄- 49 г/г-экв.

Литература.

1. Гибкие автоматизированные гальванические линии./ Cправочник под ред. В.Л.Зубченко, М.: Машиностроение, 1989. 467 с.

2. Технология очистки сточных вод гальванического производства автомобильной промышленности / РТМ 37.002.0340--80. ЭКТИавтопром, Львов. 1980. 128 с.

Вопросы для самопроверки.

1. Электродные процессы, протекающие в электролизере ?

2. Материалы электродов электролизера ?

3. Взаимосвязь скорости протока и плотности тока при электролизе ?

4. Влияет ли концентрация кислоты в анолите на селективность мембран ?

5. Куда должен подаваться раствор, подлежащий обезвреживанию, при установке катионитовой или анионитовой мембраны ?

6. Как зависит выход по току от объемной плотности тока ?

7. Как будут распределяться потоки в многокамерном электродиализаторе при чередовании анионитовых и катионитовых мембран ?

Лабораторная работа № 6