Производство катионита КУ-2-8

Метод электрокоагуляции может быть применен для обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты, некоторые полимеры, тяжелые металлы и др. Реакция среды при этом должна быть нейтральной или слабощелочной. Эффективность очистки от масел 54-68 %, от жиров 92-99 %. На рисунке 3 приведена технологическая схема установки очистки сточных вод электрокоагуляцией, когда часть скоагулированных примесей флотируется, другая осаждается; осветленная вода используется в оборотной системе водоснабжения.

Рис. 3 - Электрокоагуляционная установка для очистки сточных вод от нефтепродуктов: 1-фильтр; 2-гидроциклон; 3-электрокоагулятор-отстойник; 4-источник тока; 5-сборник; 6-фильтр

Электрохимическое окисление и восстановление

Анодное окисление и катодное восстановление составляют основу процесса электролиза, происходящего в электролизере. Электрохимическую обработку целесообразно применять при очистке концентрированных органических и неорганических загрязнений и небольших расходах сточных вод. При этом из воды могут быть удалены цианиды, роданида, амины, спирты, альдегиды, нитросоединения, сульфиды, меркаптаны, ионы тяжелых металлов РЬ2+, Sn2+, Нg2+, Cr2+, Сu2+, As2+ и др. В процессах электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточной воде, полностью распадаются с образованием CO2, NH3 и воды или образуют простые и нетоксичные вещества, которые можно удалить другими методами. При электрохимическом восстановлении на катоде могут быть рекуперированы металлы.[17]

В качестве анодов используют различные электролитически нерастворимые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносятся на титановую основу. В качестве катодов обычно применяют легированную сталь, сплавы вольфрама с железом или никелем, цинк, свинец. На аноде протекает реакция электрохимического окисления, на катоде идет реакция восстановления. Кроме основных процессов электроокисления и восстановления, одновременно могут протекать электрофлотация, электрофорез, электрокоагуляция.

Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов, которые могут образовывать взрывоопасные смеси (водорода и кислорода), применяют керамические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы, разделяющие катодное и анодное пространство.

Процесс анодного окисления осуществляется в электрлитических ваннах, разделенных на несколько отсеков, в которых обрабатываемые воды перемешиваются сжатым воздухом. При электролизе щелочных вод, содержащих цианиды, на аноде происходит окисление цианид-ионов с образованием цианат-ионов и дальнейшим их электрохимическим окислением до конечных продуктов:

СN- + 2OH- - 2е >CNO- + Н2О (8)

CNO- + 2Н2О > NH4+ + CO32- (9)

CNO- + 4ОН- - 6е >2 СО2+ N2 +2Н2О (10)

В целях повышения электропроводности сточных вод, снижения расхода электроэнергии и интенсификации процесса окисления в сточные воды добавляют минеральные соли.

При этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы. Реакция восстановления хрома протекает следующим образом:

Сr2О7 +14 Н+ + 12e > 2Сr + 7Н2О (11)

Частицы металла отрываются от катода под действием сил тяжести и оседают в нижнюю часть аппарата.

На процесс электролиза влияет анодная плотность тока, межэлектродное пространство (3 см для анодного окисления), скорость движения воды, рН, конструкция электродов. Различают плоские и объемные электроды. Последние имеют преимущество при проведении процессов извлечения металлов из сильно разбавленных по ионам металла растворов. Объемные электроды бывают пластинчатыми, объемно-пористыми и псевдоожиженными. В электродах первых двух типов раствор проходит через каналы электродов из блока пластин или камеры, заполненной электропроводным материалом. Электроды третьего типа представляют собой подвижные слои электропроводного дисперсного материала (графита, металла), контактирующие с расположенными в объеме слоя токосборниками.[18]

Эффект очистки рассмотренными методами составляет 80-100 %. Локальные установки по электрохимическому окислений и восстановлению применяются на предприятиях машиностроительной, приборостроительной, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.

2. Научно-исследовательская часть

Цель и задачи исследования.

Цель: исследование процесса очистки загрязненных сточных вод в производстве катионита КУ-2-8 методом электрокоагуляции.

Задача: определение количественных и качественных показателей в очистке оптимальных технологических параметров в процессе электрокоагуляции.

2.1 Методика определения примесей

2.1.1 Титрометрическое определение концентрации сульфатов в воде

Общие сведения. Метод основан на осаждении сульфат-ионов хлоридом бария с последующим титрованием избытка ионов бария раствором трилона Б.

Необходимые для проведения анализа приборы и материалы:

Приборы: Электрическая плитка с закрытой спиралью.

Посуда: колбы мерные, цилиндры мерные вместимостью 25 и 100 мл, пипетки измерительные на 1, 15 и 20 мл.

Реактивы: исследуемая вода.

Состав набора: барий хлористый ( с концентрацией точно 0,02 г/м3) 2 шт, Трилон Б, стандарт-титр для приготовления раствора с концентрацией точно 0,02 г/м3 3 шт, буферный раствор с рН 9,5-10 с добавлением натриевой соли этилендиаминтетраацетата магния-1000 мл, эриохром черный Т в виде сухой индекаторной смеси- навеска 20 г, кислота соляная, стандартный раствор с концентрацией точно 2,0 г/м3 500 мл, натрия гидроксид, стандартный раствор с концентрацией точно 1,0 г/м3 500 мл.

Реактивы, входящие в состав набора, проверяются на соответствие требованиям действующих стандартов и технических условий. Поправочные коэффициенты на нормальность стандартных растворов находятся в пределах 1±0,003.[19] 

Подготовка к проведению анализа. Для приготовления раствора бария хлористого необходимо количественно перенести содержимое ампулы в мерную колбу, растворить примерно в 800-900 мл дистиллированной воды, хорошо перемешать и довести объем раствора до метки дистиллированной водой. Время, затрачиваемое на проведение операции - около 20 минут. Поправочный коэффициент для растворов, приготовленных из стандарт-титров, равен единице. Готовый раствор перелить в емкости для хранения.

Для приготовления раствора трилона Б делаем туже самую операцию. Время, затрачиваемое на проведение операции - около 15 минут.

Проведение анализа. В коническую колбу вместимостью 100 мл помещают отмеренные пипеткой 20 мл анализируемой воды, добавляют 1 мл раствора соляной кислоты, отмеренные пипеткой точно 15 мл раствора хлорида бария, омывают стенки колбы из промывной склянки небольшим количеством воды и помещают на плитку. Раствор кипятят в течение 5-7 мин., охлаждают и нейтрализуют пробу раствором гидроксида натрия до рН около 4 по универсальной индикаторной бумаге.

К полученному раствору с осадком сульфата бария прибаляют 5 мл буферной смеси, около 0,1 г сухой индикаторной смеси и медленно, при постоянном перемешивании, титруют раствором трилона Б до перехода фиолетовой окраски раствора в чисто-синюю.

Содержание сульфатов в воде (мг/м3) вычисляют по формуле:

X=(V1+Жо-V2)*0,02*48*1000/V, (2)

где V1 - количество прибавленного раствора бария хлористого концентрации

точно 0,02 г/м3, мл;

Жо - жесткость анализируемой воды, мг/м3;

V2- количество раствора трилона Б концентрации 0,02 г/м3, пошедшего на титрование осажденной пробы, мл;

V- объем пробы, взятой для анализа, мл;

48- эквивалентная масса сульфат-иона.

2.1.2 Определение хлоридов

Общие сведения. Хлориды в воде источников водоснабжения могут быть косвенными показателями загрязнения воды органическими веществами животного происхождения. В данном случае имеет значение не только концентрация хлоридов, сколько ее изменения на протяжении водоисточника и во времени.[20]

Большие концентрации хлоридов могут наблюдаться в колодезной воде в местах солончаковой почвы. У такой воды солоноватый привкус. Содержание хлоридов в ней не должно превышать 350 мг/л.

Качественная реакция. 5 мл исследуемой воды наливают в пробирку и подкисляют 2-4 каплями азотной кислоты, которая исключает из реакции карбонаты и фосфаты. Затем прибавляют 3 капли 10% раствора нитрата серебра (азотнокислое серебро) и определяют степень помутнения воды. Если образуется слабая белая муть, то в исследуемой воде около 1-10 мг/л хлор-ионов, при сильной мути- 10-15 мг/л; если медленно осаждается хлопья, то в воде 50-100 мг/л хлор-ионов; при образовании белого творожистого осадка хлор-ионов более 100 мг/л.

Количественное определение. Принцип метода (по Мору) основан на осаждении хлора натратом серебра в присутствии хромовокислого калия в качестве индикатора.

При титровании хлора нитратом осадок выпадает вначале в хлористое серебро. После связывания всего хлора нитратом серебра вступает в реакцию с хромовокислым калием, в результате чего образуется хромовокислое серебро шоколадно-красного цвета, а окраска титруемой жидкости переходит из зеленоватой в оранжево-желтую.

Реакция проходит следующим образом:

NaCl + AgNO3AgCl + NaNO3 (осадок белого цвета), (12)

2AgNO3 + K2CrO4 AgCrO4 + 2KNO3 (красно-бурый осадок) (13)

Посуда и реактивы. 1. Титрованный раствор хлорида натрия (1 мл которого содержит 1 мг хлора) готовят, растворяя 1,649 г х.ч., высушенного при 105оС хлорида натрия в 1 л дистиллированной воды. 2. Титрованный раствор нитрата серебра (1 мл которого может осадить 1 мг хлора) готовят, растворяя 4,80 г нитрата серебра в 1 л дистиллированной воды, и хранят в склянке из темного стекла. 3. Нитрат серебра, 10% раствора. 4. Азотная кислота. 5. Раствор хромовокислого калия растворяют 50 г нейтрального калия хромата в небольшом количестве дистиллированной воды, прибавляют нитрат серебра до образования легкого красного осадка. Через 1-2 дня фильтруют и разбавляют фильтрат до 1 л дистиллированной водой. 6. Колба вместимостью 1 л. 7. Колба коническая вместимостью 250 мл.

Установка титра нитрата серебра. В коническую колбу вносят бюреткой или пипеткой 10 мл хлорида натрия и 90 мл дистиллированной воды, прибавляют 1 мл раствора хромовокислого калия и титруют по каплям раствором азотнокислого серебра до перехода зеленоватой окраски мутного раствора в оранжево-желтую, не исчезающую при перемешивании в течение 15-20 с.

Для получения более точного результата к оттитрованному раствору прибавляют 1-2 капли раствора хлорида натрия до исчезновения красноватого оттенка и эту пробу используют как цветной стандарт при повторном определении. Новую порцию хлорида-натрия аналогично титруют нитратом серебра до получения незначительной разницы оттенков (оранжевого в титруемом растворе и зеленоватого в стандарте).

По результатам трех титрований рассчитывают поправочный коэффициент к титру нитрата серебра:

k = 30/ (n1 + n2 + n3) (3)

где n1, n2, n3- количество нитрата серебра, пошедшего на каждое из трех титрований.

Подготовка пробы. На результаты титрования могут оказывать влияние цветные воды, активная реакция (рН), присутствие большого количества органических веществ, сероводорода и др.

Если цветность воды превышает 30о, то ее следует прокипятить с перекисью водорода (на 100 мл воды 2 мл перекиси) в течение 10 мин или коагулировать добавлением сернокислого алюминия и затем профильтровать. Активная реакция исследуемой воды должна быть в пределах 6-10. Если вода резко кислая или резко щелочная, то ее следует нейтрализовать по фенолфталеину 0,1 N раствором серной кислоты при щелочной реакции или 0,1 N раствором едкого натра при кислой.

Нейтрализацию кислых вод ведут до появления слабо-розовой окраски, которую перед определением хлора устраняют продувкой воздуха или взбалтыванием воды.

Сероводород удаляют кипячением воды с перекисью водорода.

При окисляемости выше 15 мг на 1 л О2 органические вещества разрушаются кипячением 100 мл воды с кристалликом перманганата калия. При избытке перманганата калия раствор при кипячении не обесцвечивается и сохраняется розовая окраска. Избыток перманганата калия разрушается в результате прибавления нескольких капель этилового спирта. Затем воду отфильтровывают от образовавшихся хлопьев перекиси марганца, охлаждают и доводят дистиллированной водой до 100 мл.

Методика определения. В две конические колбы вместимостью 250 мл пипеткой вносят по 100 мл исследуемой воды (при большом содержании хлоридов берут по 10-50 мл и доводят до 100 мл дистиллированной водой). Прибавляют по 1 мл раствора хромата калия и одну пробу титруют из бюретки со стеклянным краном раствором нитрата серебра до появления не исчезающей в течении 15-20 с слабо-розовой окраски. Вторую пробу используют как цветной стандарт.

Содержание хлоридов Х (миллиграммы хлор-иона на 1 л воды) рассчитывают по формуле:

Х = а • k • 1000/V (4)

где а - количество раствора нитрата серебра, пошедшее на титрование, мл; k-поправочный коэффициент к титру нитрата серебра; V- объем воды, взятый для определения, мл.

2.1.3 Определение окисляемости

Общие сведения. Определение органических веществ в воде представляет большую трудность, поэтому разработан косвенный метод, при котором о содержании органических веществ судят по окисляемости. Она выражается показателем количества кислорода, в миллиграммах расходуемого на окисление органических веществ в 1л воды. Определение окисляемости перманганатным методом основано на способности перманганата калия при кипячении в присутствии серной кислоты, окислять органические вещества и переходить при этом в сульфат марганца:

2KMnO4 + H2SO4 K2SO4 + 3H2O + 5O + 2MnSO4 (14)

Избыток внесенного в воду перманганата калия восстанавливается щавелевой кислотой:

2KMnO4 + 5H2C2O4 + 3H2SO4 K2SO4 + 2MnSO4 + 10CO2 + 8H2O (15)

Избыток прибавляемой щавелевой кислоты оттитровывают раствором перманганата калия. Результаты выражают в миллиграммах на 1 л кислорода (мг/л О2).[21]

Реактивы. 1. 0,01 N раствор перманганата калия. Растворяют 0,316 г KMnO4 в 1 л дистиллированной воды. 1 мл такого раствора соответствует 0,08 мг кислорода.

Раствор надо хранить в темной склянке с притертой пробкой и проверять титр по щавелевой кислоте при каждой серии исследований.

2. 0,01 N раствор щавелевой кислоты. Раствор 0,63 г H2C2O4 в 1 л дистиллированной воды. 1 мл раствора требует для своего окисления 0,02 мг О2.

3. 25% H2SO4получают разбавлением 1 части (относительная плотность 1,84) в 3 частях дистиллированной воды (1:3).

Ход анализа. К 100 мл исследуемой воды прибавляют 5 мл разбавленной (1:3) серной кислоты. Для равномерного кипения желательно также прибавить несколько кусочков пемзы или стеклянных капилляров. Потом прибавляют 10 мл 0,01 N раствора перманганата калия и нагревают сначала на сильном огне до кипения и кипятят ровно 10 мин на слабом огне. Затем к раствору прибавляют 10 мл 0,01 N раствора щавелевой кислоты и титруют 0,01 N раствором перманганата калия до бледно-розового окрашивания. После этого прибавляют 10 мл 0,01 N раствора щавелевой кислоты и титруют 0,01 N раствором перманганата калия для определения поправки (к) последнего.

Окисляемость Х (мг/л О2) вычисляют по формуле:

Х = [(V1 + V2) • k - 10] • 0,08 • 1000/V (5)

где V1- количество KMnO4, прибавленное до начала кипения (10 мл); V2 - количество KMnO4, израсходованное на обратное титрование; k- поправочный коэффициент в титру 0,01 N KMnO4; 10- количество мл прибавленной щавелевой кислоты; 0,08- количество миллиграммов О2 выделяемое в реакции 1 мл 0,01 N раствором KMnO4; 1000- пересчет на 1л; V- количество воды, взятое на исследование (100мл).

Если k = 1, то формула будет иметь следующий вид:

Х = V2 • 0,08 •10 (6)

2.1.4 Определение дихлорэтана в воде

Реактивы: четыреххлористый углерод, соляная кислота, оксид алюминия марки «для хроматографии», гексан, стекловата.

Определение экстрагированных CCl4 веществ.

0,5 исследуемой воды помещают в широкогорлую посуду.

Подкисляем HCl (1,19) до рН меньше 5.

Добавляем 25 мл CCl4. Хорошо перемешиваем 2 минуты.

Затем переносим большую часть водного шара в другую посуду, осторожно декантировав.

Оставшийся водный CCl4 переносим в делительную воронку на 0,25 мл. Даем 15 минут постоять.

Сливаем нижний шар CCl4 в коническую колбу на 150 мл, стараясь при этом не захватить ни воду, ни шар эмульсии.

Экстракцию повторяем 2 раза, собирая экстракт в колбу.

Небольшое количество CCl4 (50мл) омываем колбу в которой находилась вода и переносим в делительную воронку- сливаем в коническую колбу (20мл CCl4 + 20мл+50мл).

Отгоняем CCl4: ставим на кипящую водяную баню.

Когда в колбе остается 10-20 мл смеси, нагревание прекращаем и даем колбе остыть.

Переносим порциями в предварительно взвешенный фарфоровый тигель. Смесь, которая осталась, испаряем при комнатной температуре при включенной вытяжке.

Колбу, где был экстракт омываем маленькими порциями CCl4 и переносим в тигель (3 раза по 5-7мл CCl4).

Когда в тигле остается меньше чем 0,5 мл CCl4 вытяжку выключают и продолжают испарение на воздухе до постоянной массы.

Взвешиваем тигель каждые 5 минут. Количество экстрагирующих веществ в мг/л находим по формуле:

А = (а-в) • 1000/V (7)

где а - масса тигля с остатком после удаления CCl4,мг; в - масса пустого тигля, мг; V- объем воды, взятой для анализа.

2.1.5 Определение мутности в воде

Общие сведения. Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных взвесей органического и неорганического происхождения. Мутность воды может быть вызвана самыми разнообразными причинами - присутствием карбонатов, гидроксидов алюминия, высокомолекулярных органических примесей гумусового происхождения, появлением фито- и изопланктона, а также окислением соединений железа и марганца кислородом воздуха. Высокая мутность является признаком наличия в воде неких примесей, возможно токсичных, кроме того, в мутной воде лучше развиваются различные микроорганизмы.[22]

Мутность определяют фотометрически (турбидиметрически - по ослаблению проходящего света или нефелометрически - по светорассеянию в отраженном свете), а также визуально - по степени мутности столба высотой 10-12 см в мутномерной пробирке. В последнем случае пробу описывают качественно следующим образом: прозрачная; слабо опалесцирующая; опалесцирующая; слабо мутная; мутная; очень мутная (ГОСТ 1030). Указанный метод мы и приводим далее в качестве наиболее простого в полевых условиях.

Метод качественного определения мутности

Оборудование: пробирка стеклянная высотой 10-12 см, лист темной бумаги (в качестве фона).

Выполнение анализа:

Таблица 1

	1. Заполните пробирку водой до высоты 10-12 см.
	2. Определите мутность воды, рассматривая пробирку сверху на темном фоне при достаточном боковом освещении (дневном, искусственном). Выберите подходящее из приведенных в табл.1. Таблица 1 Мутность воды Мутность не заметна (отсутствует) Слабо опалесцирующая Опалесцирующая Слабо мутная Мутная Очень мутная

Фотометрический метод определения мутности

Определение мутности производят не позднее, чем через 24 ч после отбора пробы. Мутность воды определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями.

Для проведения испытаний применяют фотоэлектроколориметр марок ФЭК-57, ФЭК-60 с зеленым светофильтром (X - 530 нм), кюветы с толщиной поглощающего свет слоя 5 - 10 см.

Стандартные суспензии изготавливают из каолина (глина). Для этого каолин просеивают через шелковое сито с диаметром отверстий 0,1 мм, хорошо взбалтывают с 3 - 4 л дистиллированной воды и оставляют стоять 24 ч. Через 24 ч сифоном, не взмучивая, осадка, отбирают среднюю неосветлившуюся часть жидкости. К оставшейся части вновь приливают воду, сильно взбалтывают, снова оставляют в покое на 24 ч и вновь отбирают среднюю неосветлившуюся часть. Так повторяют до тех пор, пока не накопится достаточное количество суспензии с неосаждающейся мутью в течение 3 суток. Затем удаляют жидкость над осадком, как содержащую слишком мелкие частицы.

Из полученного осадка готовят стандартную суспензию так, чтобы в 1 л ее содержалось 100 мг взвеси каолина.

Для проверки концентрации отбирают 250 мл суспензии, фильтруют через промытый беззольный фильтр, осадок промывают, высушивают и прокаливают до постоянной массы. Затем готовят эталонную шкалу, для чего приготовленную рабочую стандартную суспензию мутности взбалтывают и точно отмеренное ее количество разбавляют дистиллированной водой с нулевой мутностью.

Готовят следующие рабочие стандартные суспензии: 0; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 5,0 мг/дм3. Для приготовления стандартных суспензий можно использовать порошок трепела (SiO2), не содержащий железа.

2.1.6 Определение прозрачности

Общие сведения. Прозрачность воды является важным признаком ее доброкачественности. Прозрачность зависит от содержания в воде механических взвешенных веществ (мути), химических примесей, солей железа. Цветение водоемов ведет также к понижению прозрачности воды. Питьевая вода должна быть прозрачной. Мутная, непрозрачная вода неэстетична и всегда подозрительна в эпидемическом отношении, так как в мутной воде создаются оптимальные условия для размножения микроорганизмов.[22]

Ход определения. Определение прозрачности производят на месте отбора проб воды. Исследуемую воду после взбалтывания наливают в цилиндр Снеллена, отградуированный по высоте в сантиметрах, с прозрачным плоским дном и имеющий у своего основания тубус для выпуска воды, на который надета резиновая трубка с зажимом. Цилиндр ставят на расстоянии 4 см от дна до печатного шрифта Снеллена № 1, смотрят сверху вниз через столб воды, выпускают через нижнюю трубку воду, пока не будет отчетливо виден шрифт. Высота этого столба воды в сантиметрах определяет степень прозрачности воды. Минимально допустимая прозрачность питьевой воды - не менее 30 см по шрифту Снеллена. Вода с прозрачностью от 20 до 30 см - слабо мутная, от 10 до 20 см - мутная, до 10 см - очень мутная.

2.1.7 Спектрофотометрическое определение цветности воды

Принцип метода. Метод основан на измерении оптической плотности исследуемой пробы воды при двух длинах волн: л = 340 нм, и л = 400 нм. Цветность в градусах находят по калибровочной кривой, построенной в координатах: ось ординат - разность значений оптической плотности при л = 340 нм и Я = 400 нм, ось абсцисс - цветность, найденная методом колориметрического титрования в нескольких (10-12) пробах различно окрашенных природных вод.[23]

Мешающие влияния. Определению цветности мешает мутность, которую устраняют фильтрованием или центрифугированием.

Ход определения. Пробу исследуемой воды в зависимости от цветности помещают в кювету с толщиной слоя 2, 3 и 5 см и измеряют оптическую плотность раствора на спектрофотометре при двух длинах волн: л = 340 нм и л = 400 нм. Если, величина оптической плотности превышает 0,8, следует пользоваться кюветами с меньшей толщиной слоя. Определяют разность оптических плотностей и по соответствующей калибровочной кривой находят величину цветности.

Построение калибровочной кривой. Для построения калибровочной кривой используют 12-15 проб различно окрашенных природных вод, измеряют оптическую плотность каждой из этих проб на спектрофотометре при л = 340 нм и л = 400 нм в кюветах с толщиной слоя 2, 3 или 5 см (в зависимости от цветности воды) и вычисляют их разность. Затем производят определение цветности в этих пробах методом колориметрического титрования (за результат принимают среднее из трех параллельных определений). Строят три калибровочные кривые (для кювет с толщиной слоя 2, 3 и 5 см), откладывая по оси ординат разность оптических плотностей при л = 340 нм и л = 400 нм, а по оси абсцисс - величину цветности, найденную методом колориметрического титрования. Если определение исследуемой пробы производится в кюветах с толщиной слоя 2 см (или 3, или 5 см), цветность находят по калибровочной кривой, построенной по растворам, помещенным в кюветы с соответствующей толщиной слоя.

вода очистка электрокоагуляционный катионит

2.1.8 Измерение рН воды

Общие сведения. Измерения рН относятся к наиболее распространенным измерениям в химии. Правильные названия для рН - водородный показатель, показатель кислотности, «пэ-аш».

В настоящее время основным методом измерения рН является использование специального прибора - рН-метра. Принцип действия такого прибора потенциометрический, то есть измеряемой величиной является напряжение между двумя электродами, опущенными в раствор. Обычно напряжение между такими электродами изменяется на десятки и сотни милливольт. Таким образом, рН - метр представляет собою милливольтметр. Особенностью такого милливольтметра является очень маленький входной ток, так что он может измерять напряжение с самых разных электродов, в том числе стеклянных, через который большой ток не проходит. Кроме того, у рН-метра имеется система пересчета напряжения в рН (а в более совершенных моделях и в некоторые другие величины, например в градусы Тернера для кислотности молока).[24]

Прибор для измерения рН состоит из двух основных элементов - измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами.

Принцип работы. Прибор включают в сеть и прогревают не менее 30 мин. Перед проведением испытаний осуществляют проверку прибора по стандартным буферным растворам с рН 3,57; 4,00; 5,00; 6,88; 9,22 при температуре 20°С по прилагаемым к приборам инструкциям. После проверки электроды тщательно промывают дистиллированной водой.

Затем концы электродов погружают в предварительно подготовленный испытуемый раствор, и после того, как показания прибора примут установившееся значение, отсчитывают величину рН по шкале прибора. После каждого измерения электроды тщательно промывают дистиллированной водой. Прибор измерения рН указан на рисунке 4.

Рис. 4 - рН- метр-миливолтметр рН - 121: 1 - чувствительный элемент; 2 - измерительный электрод; 3 - внутренний контактный электрод; 4 - вспомогательный электрод; 5 - хлорсеребряный электрод; 6 - электролитический ключ; 7 - рН-метр-миливолтметр

2.2 Экспериментальная часть

Очистка сточных вод методом электрокоагуляции, обеспечивает высокий эффект удаления из воды разных видов загрязнений.

При проведении очистки сточных вод, основным оборудованием был выбран электролизер рис. 5.



Рис. 5 - Безнапорный пластинчатый электролизер горизонтального типа

Представляющий собой пластинчатый безнапорный электролизер горизонтального типа. Пластины метала, расположены вертикально на расстоянии 3-20 мм одна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электрический ток подводится к каждой пластине. Для очистки сточных вод был выбран железный анод вместо алюминиевого, который в большинстве случаев применяются для подготовки питьевой воды.

Эксперимент проводили на установке, изображенной на рис. 6, которая состоит из насоса для перекачки воды, электролизера, снабженным двумя активными электродами и одним пассивным, который расположен в межкатодном пространстве. За счет возникновения потенциала, который возникает между активными электродами, пассивный электрод также растворяется с выделением гидроокиси, что в свою очередь приводит к более полной очистке загрязненной воды. С электролизера вода с осажденными примесями электрокоагулянта поступает на фильтр, который представляет собой резервуар, заполненный фильтрующим элементом, минеральной ватой. Очищенная таким образом вода использовалась для дальнейших исследований на качество воды. Скорость движения воды в электрокоагуляторе регулировалась скоростью вращения насоса с помощью латера.

Исследования показали, что очищенная таким способом вода, имеет достаточно глубокую очистку, при этом удельный расход электроэнергии составляет 0,08-0,5 кВт•час/м3.

Расход электроэнергии на обработку единицы объема воды при постоянной плотности тока и повышении температуры воды от 2 до 80оС значительно уменьшается. Например, при плотности тока 2 ма/см2 и температуре воды 2оС расход электроэнергии составляет 4 вт-ч/ м3, а при 80оС уменьшается в 3 раза.

Зависимость расхода электроэнергии от температуры воды приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Зависимость расхода электроэнергии от температуры воды

Наименование показателей	Единица измерения	Температура воды, оС
		2	10	20	30	40	50	60	70	80
Напряжение	в	4,5	4,3	4,0	2,9	2,65	2,5	2,1	1,8	1,5
Расход электроэнергии	вт-ч/м3	4,0	3,8	3,6	2,6	2,4	2,3	1,9	1,6	1,3

Нами проведены исследования по изменению выхода Fe по току в зависимости от температуры воды и плотности тока при длительной работе электролизера показали, что при плотности тока 1-4 ма/см2 происходит активное растворение железного анода. При длительности электролиза около 200ч выход железа по току остается почти постоянным, поверхность анода растворяется равномерно с образованием множества мелких питтингов. Начиная с плотности тока 5 ма/см2 выход железа по току при повышении температуры через некоторое время резко уменьшается.[25]

При проведении эксперимента были выбраны основные технологические параметры. В таблице 3 приведены данные по удельному расходу железа и затратам энергии, для предварительной (50% удаления) и глубокой очистки воды от загрязнений.

Таблица 3 - Удельные расходы железа и электроэнергии на удаление загрязнений воды

Загрязнения	Измеритель	Предварительная очистка	Глубокая очистка
		Fe+2, мг	Электроэнергия, вт-ч/м3	Fe+2, мг	Электроэнергия, вт-ч/м3
Мутность	1 мг	0,04-0,06	5-10	0,15-0,2	20-40
Цветность	1 град	0,04-0,1	10-40	0,1-0,2	40-80
Кислород	1 мг О2	0,5-1	40-200	2-5	80-800

Исследования по влиянию рН на процесс электрохимического растворения железного анода с целью получения коагулянта - гидроксида железа проводилось в пределах рН=6ч12. При этом были определены границы рН, в которых образуется твердая дисперсная фаза гидроокиси железа. Также рассмотрели качественные показатели загрязненной и очищенной воды с использованием метода электрокоагуляции. Основными загрязнителями в исследуемой воде являются хлориды, сульфаты и органические загрязнители, такие как дихлорэтан (ДХЭ). Результаты исследования приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Качественные показатели загрязненной и очищенной воды

Наименование показателей	Единица измерения	До очистки	После очистки
Мутность	мг/л	5,5	1,2
Цветность	град	60	18
Величина рН		8,2	7,1
Хлориды	мг/л	14	9
Сульфаты	мг/л	22,5	15,2
ДХЭ	мг/л	8,6	-
Окисляемость воды	мг/лО2	1,3	0,28

Таким образом, исходя из приведенных выше данных, активное растворение железного анода происходит при температуре воды от 2 до 60оС и плотности тока от 1 до 4 ма/см2, при этом расход электроэнергии не большой, удаление загрязнений из воды наиболее эффективно протекает в пределах температур 20-50оС, при температуре свыше 60оС процесс является не целесообразным. При более высоких плотностях тока с повышением температуры воды выход железа по току снижается и возрастает напряжение на электродах. Наиболее интенсивное образование хлопьев гидроокиси железа происходит при рН от 4 до 8. Электрохимическая очистка сточных вод дает возможность не только снизить затраты на электроэнергию, но и утилизировать продукты очистки в промышленности. Тем самым достигается экологический и социальный эффект.

3. Технологическая часть

Технологическая схема производство катионита марки КУ-2-8 методом прямого сульфирования.

Сополимер стирола с дивинилбензолом с узла сушки отделения сополимера по трубопроводу с помощью вакуумного пневмотранспорта подается в реакторы-сульфураторы. Дихлорэтан из отделения сырья по трубопроводу поступает в мерник дозатор, из которого отмеренная доза дихлорэтана сливается в реактор.

Серная кислота с массовой долей моногидрата 95-97% из хранилища 1 насосом по трубопроводу подается в мерник - дозатор, оборудован переливным трубопроводом, по которому избыток серной кислоты поступает в хранилище. Отмеренная доза серной кислоты из мерника - дозатора сливается в реактор. В реакторе - сульфураторе протекают стадии: набухания сополимера в дихлорэтане, сульфирование набухшего сополимера и отгонки дихлорэтана острым паром. Реактор - сульфуратор снабжен мешалкой. Пары дихлорэтана из реактора по трубопроводу поступают в холодильник конденсатора, в котором за счет холодной воды, которая поступает в межтрубное пространство холодильника, где происходит стадия разделения и очистки дихлорэтана (ДХЭ). Возвратный ДХЭ подается в мерник, где смешивается с чистым ДХЭ и вновь поступает на производство.

После окончания стадии отгонки дихлорэтана, реакционная смесь в реакторе охлаждается до температуры 600С, за счет подачи холодной воды в рубашку реактора. Охлажденная суспензия катионита из реактора по трубопроводу выгружается в гидрататор. В гидрататоре протекает стадия ступенчатой гидратации серной кислоты обессоленной водой.

Объемный расход загрузки обессоленной воды на растворение -1000 м3. Обессоленная вода на первое растворения загружается в два приема:

- 4000 м3 в нижнюю часть реактора;

- 6000 м3 в верхнюю часть реактора.

В дальнейшем обессоленная вода будет, загружаться в верхнюю часть реактора-гидрататора. Перемешивание суспензии "катионит - раствор кислоты" проводится сжатым воздухом давлением не более 0,069 МПа (0,69 кгс/см2), подаваемой в нижней части реактора-гидрататора. Раствор кислоты выводится из реактора с помощью давления сжатым воздухом давлением не более 0,069 МПа (0,69 кгс/см2) в верхнюю часть реактора в коллектор отработанных кислот через и далее поступает в отделение накопления кислых стоков для усреднения и транспортировки в цех химводоочистки.

Воздух из реактора-гидрататора сбрасывается через ловушку до атмосферы. Для поглощения кислых паров, отводимых с технологическим воздухом с гидротатора, в ловушке поддерживается постоянный уровень воды. При значении массовой доли серной кислоты 5% суспензия "катионит-кислота" перегружается в промывочную колонну, для последующего отмывания катионита от кислоты обессоленной водой. Промывка катионита от кислоты проводится обессоленной водой в промывной колонне. После выгрузки суспензии катионита в промывочную колонну через нижние фильтрующие устройства подается обессоленная вода. Промывные воды отводятся из промывной колонны через штуцер в верхней части в сборник для сточных вод. Дальше поступает в электролизер, где проходит глубокая очистка сточной воды. После этого вода поступает в дальнейшее производство. В декантаторе происходит процесс дополнительной промывки катионита и фильтрации суспензии.

Для дополнительной промывки катионита предусматривается подача обессоленной воды в декантатор. Избыток воды с декантатора сливается в сборник, после чего проходит очистку через электролизер. Отфильтрованный катионит ссыпается в бункеры, после чего фасуется в полиэтиленовые мешки объемом 20 кг.

4. Экологическая часть

К характерным особенностям времени, в котором мы живем, можно отнести интенсификацию и глобализацию воздействия человека на окружающую среду, что может сопровождаться небывалыми раньше негативными последствиями. И если раньше единственными проблемами для человека были региональные и локальные экологические кризисы, которые не могли привести к гибели человечества в результате и не препятствовали человеческому прогрессу, то теперь ситуация с экологией может привести к глобальным экологическим изменениям.[26]

И прежде чем искать пути решения экологических проблем, необходимо выявить эти основные проблемы. Известно, что проблемы с загрязнением природной среды становятся с каждым днем все более актуальным. И, скорее всего, причина кроется в стабильном росте объемов сельскохозяйственного и промышленного производства, а также в качественном изменении производства всех сфер под прямым влиянием научно-технического прогресса. Все экологические проблемы можно условно разделить на несколько групп: загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и уменьшение биологического разнообразия. Как показывает современная экология Украины, если существуют экологические проблемы и их решения, то значит необходимо разрабатывать пути и способы добиться результатов.

Загрязнение воды отходами и стоками, это одна из основных проблем экологии. Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Одним из прогрессивных направлений решения этой проблемы является электрообработка вод путем наложения внешнего электростатического поля (метод электрокоагуляции). При его использовании имеет место растворение железного или алюминиевого анода, образование и осаждение труднорастворимых гидроксидов, а вместе с ними и осаждение ионорастворенных примесей.

Существуют различные методы очистки сточных вод. Но наиболее эффективным является метод электрокоагуляции.

Очистка сточных вод электрокоагуляцией основана на их электролизе с использованием стальных или алюминиевых анодов, подвергающихся электролитическому растворению. Наряду с этим, прохождение электрического тока большой плотности через обрабатываемую воду, обусловливает высокую бактерицидную эффективность процесса. Высвободившийся кислород (в дополнение к кислороду, образующемуся на аноде) не только насыщает воду ионами кислорода, но и является одной из

мощных составляющих по обеззараживанию воды. Практически полное обеззараживание происходит уже в первые несколько секунд работы. Дополнительно эффект обеззараживания достигается интенсивным поступлением в среду атомарного кислорода, бурно выделяющегося в результате электролиза воды.

Достоинства электрокоагуляции в сравнении с другими методами заключаются в:

- компактности установок и простое управление;

- отсутствие потребности в реагентах;

- малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН среды, присутствие токсичных веществ);

- низкое потребление электроэнергии;

- дешёвое эксплуатационное обслуживание;

- высокая степень очистки обеззараживания;

- получение шлама с хорошим структурно-механическими свойствами;

- относительно невысокая стоимость установки;

- возможность получения сырья для производства кормовых материалов животным;

- сохранение необходимых питательных веществ, для дальнейшего производства кормов, во время переработки.

Этот метод считается наиболее эффективным при очистке сточных вод.

Создание даже самых совершенных очистных сооружений не может решить проблему охраны среды. Истинная борьба за чистоту окружающей среды - это не борьба за очистные сооружения, это борьба против необходимости таких сооружений. Совершенно очевидно, что экстенсивными методами проблему не решить. Интенсивный же путь решения глобальной экологической проблемы - это снижение ресурсоемкого производства и переход к малоотходным технологиям. Возможность стабилизации и улучшения качества окружающей среды за счет более рационального использования всего комплекса природных ресурсов в условиях ускорения социально-экономического развития связана с созданием и развитием безотходного производства.

Заключение

В дипломной работе разработана технологическая схема получения катионита, методом прямого сульфирования концентрированной серной кислотой, которая проводится периодическим процессом. Преимущество процесса: характеризуются большой гибкостью (в одном и том же реакторе можно получать разные продукты); реактор периодического действия предусматривает меньшие капиталовложения, чем реактор, работающий в непрерывном режиме, что является экономически выгодным в производстве.

Предложена принципиальная схема по очистке промышленных сточных вод от органических загрязнителей, в частности дихлорэтан и соли серной кислоты.

Исследованы количественно-качественные показатели, качество очищенной воды при производстве катионита КУ-2-8, которые получены с использованием экспериментальной лабораторной установки.

Систематизированы результаты исследования по вольтамперным характеристикам, по полному циклу очистки воды согласно санитарно-эпидемиологическим нормам или частичной очистке воды, которая пригодна для использования в замкнутом цикле производства катионита.

Недостатком метода является залипание межкатодного пространства смесью коагулянта и загрязнителей.

В дальнейшем исследования могут быть направлены на механическую очистку межкатодного пространства от примесей изложенных в пункте № 2.

Список используемой литературы

1. Капкин В.Д., Савинецкая Г.А., Чапурин В.И., Технология органического синтеза. - М.: Химия, 1987. 400 с.

2. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для студентов, вузов М.: Стройиздат, 1979. 320 с.

3. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М., «Металлургия», 1972.

4. Чантурия В.А., Назарова Г.Н. Электрохимическая технология в обогатительно-гидрометаллургических процессах. - М.: Наука, 1977. - 160 с.

5. Электролитическая очистка сточных вод обогатительных фабрик. // Цветная металлургия, 1972, №20. - С.57-88.

6. Герасимов И.В. Очистка сточных вод общего стока нефтеперерабатывающих заводов постоянным электрическим током с применением флотации. Труды Уфимского нефтяного института, вып. 3, 1960.

7. Кастальский А.А., Пальгунов П.П. Применение электрокоагуляции при очистке сточных вод от радиоактивных загрязнений. Очистка промышленных сточных вод. М., ГОСИНТИ, 1963.

8. Авдиевич Н.М., Кудряшов Г.П., Захаров М.А. Электрохимический способ очистки воды.-1958г

9. Белов П.С, Голубева И.А., Низова С.А., Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа.- М.: Химия, 1991, - 256 с.

Размещено на Allbest.ru