Очистка сточных вод гальванического производства

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

1. КАФЕДРА «КОРРОЗИИ, ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ И ЭКОЛОГИИ»

1. КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ «ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД»

ТЕМА:

«ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПОСЛЕ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ СПЛАВА ОЛОВО-СВИНЕЦ ИЗ БЕЗЦИАНИДНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ».

ВЫПОЛНИЛ: РОСЦИУС О.В.

ГРУППА: МТК-97

ПРИНЯЛ: КУРЯКОВ Ю.Н.

ДАТА ЗАЩИТЫ:

МОСКВА 2002.

СОДЕРЖАНИЕ:

1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД.

Среди загрязнения различных видов окружающей среды, химическое загрязнение природных вод имеет особое значение. Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды.

Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды).

Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора, а также цианидные соединения. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространенных загрязнителей гидросферы представлен на рисунке 1:

Рисунок 1. Степень токсичности некоторых веществ

Степень токсичности:

0 - отсутствует;

1 - очень слабая;

2 - слабая;

3 - сильная;

4 - очень сильная.

Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным заразителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обуславливающие широкий диапазон рН промышленных стоков (1,0 - 11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0 или выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0 - 8,5.

Ежегодно в сточных водах гальванических цехов теряется более 0,46 тысяч тонн меди, 3,3 тысяч тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерь соединения меди и цинка, выносимые сточными водами из очистных сооружений гальванического производства, оказывают весьма вредное влияние на экосистему.

Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод.

Установлено, что соединения меди и цинка даже при малых концентрациях (0,001 г/л) тормозят развитие, а при больших (более 0,004 г/л) вызывают токсическое воздействие на водную фауну.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА В ЦЕХЕ

За основу для расчета и внедрения различных природоохранных мероприятий взят гальванический цех, в котором наносят гальванические покрытия на металлы с применением цианистых электролитов. В этом цехе прежде всего наносят следующие гальванические покрытия: медные и никелевые.

Никелевые покрытия широко применяются для защиты изделий из черных металлов от коррозии в различных климатических зонах и в атмосфере, загрязненной промышленными газами, для защиты от непосредственного влияния пресной воды и от коррозионного воздействия керосина, бензина и других нефтяных продуктов и масел.

Медные покрытия чаще всего применяют для экономии никеля как подслой при никелировании и хромировании. Вследствие промежуточного покрытия стали и чугуна медью достигается лучшее сцепление между основным металлом и металлом покрытия и уменьшается вредное влияние водорода. Медные покрытия широко применяются также для местной защиты при цементации и в гальванопластике. Медные покрытия хорошо полируются, что имеет значение при декоративно-защитных покрытиях. Хорошо оснащенные гальванические цехи имеются почти на всех машиностроительных и металлообрабатывающих заводах России.

Каждый технологический процесс гальванического нанесения металлических покрытий состоит из ряда отдельных операций, которые можно разделить на 3 группы:

1.Подготовительные работы. Их цель - подготовка металла (его поверхности) для нанесения покрытия гальваническим путем. На этой стадии технологического процесса проводится шлифование, обезжиривание и травление.

2.Основной процесс, цель которого заключается в образовании соответствующего металлического покрытия с помощью гальванического метода.

3.Отделочные операции. Они применяются для облагораживания и защиты гальванических покрытий. Наиболее часто для этих целей применяют пассивирование, окраску, лакирование и полирование.

В обычных условиях для меднения применяется электролит такого состава (в Г/л):

Хлорид меди 30-40

Соляная кислота 400-550

Уксусная кислота 5-10

При работе с повышенной плотностью тока применяется электролит такого состава (в Г/л):

Фторборат меди 400

Борфтористоводородная кислота 30

Борная кислота 15-20

Для никелирования же в стационарных и колокольных ваннах широко применяют электролит следующего состава (в Г/л):

Сульфат никеля 240-340

Хлорид никеля 80-85

Борная кислота 30-40

Состав электролита для блестящего никелирования (в Г/л):

Сульфат никеля 250-300

Хлорид натрия 10-15

Борная кислота 30-40

Формальдегид 0,01-0,05

Хлорамин Б 20-2,5

Моющее средство «Прогресс» 2-5

1. ИСТОЧНИКИ И ВИДЫ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ ДАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Для нужд технологии очистки сточных вод гальвано технологические операции чаще всего классифицируют, исходя из реакций и химического состава электролитов, служащих источником образования сточных вод. Гальванические операции делятся на 4 группы в соответствии с 4 видами сточных вод:

1.Операции, при которых образуются растворы или промывные воды, содержащие цианистые соединения: к ним относятся основные процессы электрохимического выделения металла из их цианистых, а также операции промывки после этих растворов.

2.Операции, при которых растворы или промывные воды содержат хромистые соединения: к ним относятся процессы хромирования, хромистой пассивации и операции промывки после этих растворов.

3.Операции, при которых растворы и промывные воды не содержат упомянутых соединений: к ним относятся некоторые вспомогательные работы (обезжиривание, травление), основные процессы и отделочные работы.

4.Операции, при которых образуются растворы или промывные воды, содержащие ионы тяжелых металлов (в частности, ионы никеля и меди): к ним относятся основные процессы электрохимического выделения металла, а также операции промывки после этих растворов.

Исходя из приведенной классификации наши сточные воды, анализируя их состав, можно отнести к сточным водам, содержащим ИТМ. Чтобы определить источники загрязнения сточных вод разделим все сточные воды на концентрированные и разбавленные. Под концентрированными сточными водами будем понимать отработанные технологические растворы ванн или промывные воды отдельной технологической операции с высокой концентрацией загрязнителей. Эти воды образуются периодически, при смене отработанных технологических растворов на свежие. Под разбавленными сточными водами будем понимать воды, которые образуются при межоперационной промывке, проводимой с целью сохранения химического состава и чистоты электролитических растворов, применяемых в отдельных операциях.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ СИСТЕМ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ

Можно выделить 2 основных системы водообеспечения промышленных предприятий: прямоточная и последовательная система. При прямоточной системе (рис. 2) вся забираемая из водоема вода Qист после участия в технологическом процессе (в виде отработавшей – Qсбр) возвращается в водоем, за исключением того количества воды, которое безвозвратно расходуется в производстве (Qпот).

Q_пот

- вода чистая ненагретая

- cточная вода нагретая

- то же, ненагретая и загрязненная

- то же, очищенная

Рис. 2. Прямоточная система водообеспчения

Количество отводимых в водоем сточных вод составляет:

Qсбр = Qист - Qпот.

Следует отметить, что сточные воды в зависимости от вида загрязнений и других условий перед сбросом в водоем могут проходить через очистные сооружения. В этом случае количество сбрасываемых в водоем сточных вод уменьшается, поскольку часть воды отводится со шламом (Qшл). По схеме водообеспечения с последовательным использованием воды (рис. 3), которое может быть двух - трехкратным, количество сбрасываемых сточных вод уменьшается в соответствии с потерями на всех производствах и на очистных сооружениях:

Qсбр = Qист - ( Qпот1 + Qпот2 + Qпот3 ) .

Q_пот1 Q_пот2

ПП - 1 ПП - 2

ОС Qшл

Q_ист

Q_сбр

Рис. 3. Последовательная система водообеспечения

Повторное использование сточных вод после соответствующей их очистки получило в настоящее время широкое распространение. В ряде отраслей промышленности 90-95% сточных вод используется в системах оборотного водоснабжения и лишь 5-10 % - сбрасываются в водоем.

Рис. 4. Рис. 5. Рис. 6.

Q_пот Q_пот Q_пот

ПП ПП ПП

ОС Q_шл

Q_об Q_об Q_об

ОУ Q_ун ОС Q_шл ОУ

Q_ист Q_сбр Q_ист Q_сбр Q_ист Q_сбр

- сточная вода загрязненная

- оборотная вода

ОУ - охладительная установка

Q_{об - оборотная вода}

Q_{ун - вода, теряемая при испарении и уносе из охладит. установки}

Если в системе оборотного водоснабжения промышленного предприятия вода является теплоносителем и процессе использования лишь нагревается, то перед повторным применением ее предварительно охлаждают в пруду, брызгальном бассейне, градирне (рис. 4). Если вода служит средой, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси и в процессе производства загрязняется ими, то перед повторным применением вода проходит очистку на очистных сооружениях (рис. 5); при комплексном использовании сточной воды перед повторным применением сточные воды подвергаются очистке и охлаждению (рис. 6).

При таких системах оборотного водоснабжения для компенсации безвозвратных потерь воды в производстве, на охладительных установках (испарение с поверхности, унос ветром, разбрызгивание), на очистных сооружениях, а также потерь воды, сбрасываемой в канализацию, осуществляется подпитка из водоемов и других источников водоснабжения. Количество подпиточной воды определяется по формуле:

Qист = Qпот + Qун + Qшл + Qсбр .

Подпитка систем оборотного водоснабжения может осуществляться постоянно и периодически. Общее количество добавляемой воды составляет 5-10% общего количества воды, циркулирующей в системе.

1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ВЫБОР МЕТОДОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И СИСТЕМЫ ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ.ОПИСАНИЕ ВЫБРАННОГО КОМПЛЕКСА МЕРОПРИЯТИЙ

   1. . Химические методы очистки сточных вод

Химические методы очистки сточных вод гальванических отделений основаны на применении химических реакций, в результате которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, превращаются в соединения, безопасные для потребителя, или легко выделяются в виде осадков. Очистка сточных вод гальванического производства от ИТМ происходит в 2 стадии:

1. Образование труднорастворимых соединений.

2. Выделение этих соединений в осадок.

Нейтрализация ионов тяжелых металлов осуществляется при добавлении в сточные воды растворимых в воде щелочных реагентов. ИТМ при нейтрализации превращаются в труднорастворимые гидроксиды, которые выпадают в осадок.

Процесс идет в соответствии с реакцией:

Cu²⁺ + 2OH^- = Cu(OH)₂; (a)

Ni²⁺ + 2OH^- = Ni(OH)₂. (б)

Для лучшей и более полной и быстрой коагуляции гидроксидов используют флокулянт (полиакриламид).

Сточные воды

вода

1. Нейтрализатор

2. Флокулянт

3. Отстойник

4. Шламонакопитель

5. Обезвоживание

Сточные воды подпадают в нейтрализатор 1, для образования нерастворимых гидроксидов. После нейтрализации стоки направляются в отстойник 3, куда подается флокулянт. Из отстойника шлам попадает в шламонакопитель 4, откуда подается на обезвоживание 5. Обезвоживание проводится в вакуум-фильтрах, фильтр-прессах и центрифугах.

Вышеописанный метод (реагентный) в настоящее время получил наибольшее распространение в отечественной практике обезвреживания сточных вод гальванических цехов. Основное его достоинство - крайне низкая чувствительность к исходному содержанию загрязнений, а основной недостаток - высокое остаточное солесодержание очищенной воды. Это вызывает необходимость в доочистке.

1. . Ионообменный метод

Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция - это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы - ионита. Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (для нашего случая это медь и никель), очищать воду до ПДК с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

Принципиальная схема установки для очистки сточных вод гальванического производства показана на рис. 7.

2 3 4 5 6

1

8

7 7 7

1 – емкость усреднения состава

2 – гравийный фильтр

3 – аппарат с активированным углем

4 - катионообменник

5,6 - анионообменники

7 - сборник чистой воды для промывки колонн

8 - усреднитель

Рис. 7 Схема ионообменной установки для очистки цианистых сточных вод

Стоки из емкости 1 для усреднения состава и частичного отделения механических примесей направляются в усреднитель 8.

Из аппарата 8 стоки насосом подаются в песчано - гравийный фильтр 2 для очистки от механических примесей. Скорость движения жидкости, отнесенная к поперечному сечению фильтра, 5-7 м/ч. Следующая ступень - очистка активированным углем в аппарате 3 от маслопродуктов, ПАВ, биологических примесей и т.д.

Отфильтрованная вода направляется в катионообменник 4, заполненный смолой КУ-1. Линейная скорость движения жидкости в этом аппарате достигает 10-20 м/ч. По достижении на выходе концентрации сорбируемых ионов 0,02-0,03 мг.экв/л катионит подвергается регенерации.

Освобожденная от катионов вода поступает в анионообменники 5 и 6, заполненные смолами АВ-17-8, АН-221 и др. При содержании сорбируемых анионов на выходе из аппарата 0,05-0,1 мг/л анионит регенерируют.

Сточные воды направляются на производство (в систему оборотного водоснабжения), а промывные - в сборники концентратов для химического обезвреживания и, в нашем случаи, для извлечения меди и никеля.

Главный недостаток технологии ионного обмена состоит в том, что для выделения из воды элементов или солей необходимы регенерирующие кислоты или щелочи, которые впоследствии в виде солей поступают в окружающую среду, вызывая вторичное загрязнение последней.

1. . Другие методы очистки

К числу таких методов можно отнести следующие 2 метода – сорбционный метод и мембранная технология.

Сорбционный метод используется как для обезвреживания сточных вод, так и для очистки электролитов в гальванических ваннах от органических веществ.

При фильтрации сточных вод через сорбент (активированный уголь, циолит) на его поверхности сорбируются ИТМ. Сорбент после определенного времени использования необходимо регенерировать. Очистка сточных вод производится на гранулированных адсорберах с полотым, взрыхленном и псевдосжиженным слоем. Также применяются аппараты на пылевидных сорбентах либо с перемешиванием воздуха, либо намывные фильтры.

Преимуществом данного метода является отсутствие вторичных загрязнений, возможность рекуперации собранных веществ и высокая, до 95%, степень очистки, а недостатком – значительная стоимость сорбентов и необходимость узла регенерации.

Мембранная же технология основана на применении мембран, которые способны задерживать практически все многовалентные катионы. Для удаления ионов никеля и меди может применяться гиперфильтрация (обратный осмос). Процесс гиперфильтрации состоит в отделении воды от ИТМ через полупроницаемую мембрану. Диаметр пор такой мембраны составляет 0,001 мкм. Вода подается под давлением 60 – 100 атм. Гиперфильтр задерживает 50-70 % примесей. Поэтому применение мембран для очистки промывных сточных вод и регенерации электролитов представляется наиболее перспективным.

1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волоцков Ф.П. Очистка и использование сточных вод гальванических производств. М.: Химия,1983.

2. Бучило Э. Очистка сточных вод травильных и гальванических отделений. М.: Энергия, 1977.

3. Костюк В.Н. Очистка сточных вод машиностроительных предприятий. Л.: Химия, 1990.

4. Алферова Л.А. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.: Стройиздат,1984.

5. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод. М.: Стройиздат, 1979.

6. Когановский А.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983.

7. Очистка промышленных сточных вод. Под ред. Кравеца В.И. Киев: Технiка, 1974.

8. Зеркалинкова И.М. КНИИРС. М.: 2002.