Очистка сточных вод гальванического производства
Министерство образования и науки Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Теоретические основы защиты ОС»
«Очистка
сточных вод гальванического
производства»
Выполнил:
Проверил:
г. Чистополь, 2011
Содержание
Введение…………………………………………………………
- Характеристики сточных вод……………………………………………….5
- Общая характеристика гальванического производства…………………..6
- Методы отчистки сточных вод производства……………………………..9
- Описание технологической схемы очистки сточных вод……………….12
Заключение……………………………………………………
Список литературы…………………………………
Введение
Гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды – одними из самых токсичных и вредных. В связи с этим, перед гальваническим производством встает ряд важных проблем. Снижению количества сточных вод может способствовать применение новой технологии производства. Это потребует значительных материальных затрат, что нереально на данном уровне развития экономики страны. В результате остается другой путь сохранения окружающей среды – повышение эффективности очистки сточных вод.
Основным видом отходов в гальваническом производстве являются промывные воды смешанного состава, содержащие несколько видов тяжелых металлов: хром, никель, медь и других примесей. Очистка таких стоков затруднена. При этом не удается выделить металлы из шлама сложного состава, а если и удается, то возникают проблемы с дальнейшим использованием и переработкой отходов. Для решения проблемы снижения количества тяжелых металлов в сточных водах до ПДК необходимо использовать замкнутую систему водоснабжения с электрофлотационной очисткой, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке от примесей возвращать в технологический цикл, а извлеченные примеси – на захоронение или переработку.
Хромсодержащие стоки образуются в результате промывки деталей после хромирования, электрохимического полирования и удаления некачественных покрытий.
Основные вещества, подлежащие обезвреживанию – шестивалентные соединения хрома, цианиды (CN-), ионы тяжелых и цветных металлов: Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Sn2+, Pb2+.
Соединения хрома (III), а особенно, хрома (VI) токсичны для человека и животных. Смертельная доза K2Cr2О7 (дихромат калия) для человека составляет 0,2–0,3 гр. Очистка сточных вод гальванического производства от отходов соединений трех- и шестивалентного хрома является важной.
Таким образом, очистка сточных вод является
одной из самых актуальных проблем. В Западной
Европе оборот только промывных вод гальванических
производств составляет 97–98% от общего
числа стоков. В нашей стране уровень очистки
сточных вод и, в частности, регенерации
из них цветных металлов, составляет не
более 10%.
1. Характеристика сточных вод
Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие не органические примеси, в том числе и токсические, и содержащие яды.
К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.
Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества.
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.
2. Общая характеристика гальванического производства
Гальваника – электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т.д.
Гальваническое покрытие металла – это прекрасный способ избегания многих проблем и увеличить срок службы оборудования, агрегатов и прочих устройств. Нанесение гальванических покрытий методом хромирования или никелирования требует специального производственного процесса и квалифицированного персонала.
Нанесение гальванических покрытий представляет собой электрохимический процесс, при котором происходит осаждение слоя металла на поверхности изделия. В качестве электролита используется раствор солей наносимого металла. Само изделие является катодом, анод – металлическая пластина. При прохождении тока через электролит соли металла распадаются на ионы. Положительно заряженные ионы металла направляются к катоду, в результате чего происходит электроосаждение металла.
Хромирование
Хромовые покрытия в отношении их функционального применения являются одними из наиболее универсальных. С их помощью повышают твердость и износостойкость поверхности изделий, инструмента, восстанавливают изношенные детали. Широко применяется для защиты от коррозии и с целью декоративной отделки поверхности изделий. В зависимости от режима процесса можно получить различные по свойствам покрытия.
Цинкование
Покрытие цинком защищает от коррозионного разрушения черные металлы не только механически, но и электрохимически. Цинковые покрытия широко применяются для защиты от коррозии деталей машин, крепежных деталей, применяются для защиты от коррозии водопроводных труб, питательных резервуаров, соприкасающихся с пресной водой при температуре не выше 60–70 ºС, и для защиты изделий из черного металла от бензина и масла и др.
Никелирование
Никелем покрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты их от коррозии, декоративной отделки поверхности, повышения сопротивления механическому износу и для специальных целей. Никелевые покрытия имеют высокую антикоррозионную стойкость в атмосфере, в растворах щелочей и в некоторых органических кислотах, что в значительной степени обусловлено сильно выраженной способностью никеля к пассивированию в этих средах.
Существуют множество и других методов защиты поверхности при помощи гальванировония.
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
3.
Операции, при которых растворы
и промывные воды не содержат
упомянутых соединений: к ним
относятся некоторые
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 ионы
тяжелых металлов. 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.
3. Методы очистки сточных вод производства
Очистка сточных вод гальванического производства и сокращение поступления гальванических отходов в окружающую среду является важной задачей промышленных предприятий, на которых в технологическом процессе производится обработка поверхности металлов и пластиков и нанесение гальванических покрытий.
Использование в гальваническом производстве и производстве печатных плат электролитов различного состава для нанесения гальванических покрытий, с целью придания изделиям требуемых технических характеристик, создает многообразие загрязнений промывных и сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Исходя из фазового состояния вещества в сточной воде, все загрязнения можно подразделить на четыре типа:
взвеси в виде тонкодисперсных эмульсий и суспензий;
высокомолекулярные соединения и коллоиды;
растворенные в воде органические вещества;
растворенные в воде соли (кислоты, щелочи).
Для каждого типа загрязнений существуют свои методы очистки сточных вод. Так, для очистки воды от взвешенных веществ наиболее эффективными являются методы, основанные на использовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для очистки воды от коллоидов и высокомолекулярных соединений эффективен метод коагуляции. Органические вещества наиболее эффективно извлекаются из воды в процессе очистки на сорбционных фильтрах и установках нанофильтрации. Растворимые неорганические загрязнения, представляющие собой электролиты, удаляют из сточных вод гальванического производства переводом ионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения, используя для этого реагентный метод или мембранные методы обессоливания (обратный осмос, электродиализ).
По
технологическим процессам и, соответственно,
применяемому оборудованию, методам
очистки сточных вод
механические / физические (отстаивание, фильтрация, выпаривание);
химические (реагентная обработка);
коагуляционно-
электрохимические (электрофлотация, электродиализ, электролиз);
сорбционные (сорбционные фильтры, ионообменные фильтры);
мембранные (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, электродиализ);
биологические.
Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.
Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ.
Электрофлотация - это процесс очистки сточных вод, в при котором электролитически полученные газовые пузырьки, всплывая в объеме жидкости, взаимодействуют с частицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слипание, обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырька газа на границе раздела фаз «жидкость-газ». Плотность образующегося в электрофлотаторе пенного продукта (флотошлама) ниже плотности воды, что обеспечивает его всплытие и накопление на поверхности очищаемой воды. Флотошлам периодически удаляется из электрофлотатора автоматическим устройством сбора шлама.
Сорбция - это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
В качестве сорбентов применяют различные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др.
Обратный осмос - мембранный процесс очистки воды, для осуществления которого применяются мембраны с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, благодаря чему из воды удаляются все растворенные ионы и молекулы.
Ультрафильтрация - это процесс мембранного разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, а также концентрирования и фракционирования высокомолекулярных соединений.
Нанофильтрация совмещает в себе черты как ультрафильтрации, так и обратного осмоса. В процессе нанофильтрации используются заряженные мембраны по размерам пор близкие к ультрафильтрационным, что вызывает разделение как по сферическому (ситовому) механизму, так и по Доннановскому и электростатическому механизмам.
Наиболее
универсален для очистки
4. Описание технологической схемы очистки сточных вод
На Рис. 1. представлена технологическая схема очистки сточных вод гальванического цеха машиностроительного предприятия с последующим сбросом очищенной воды в систему городской канализации, либо возвратом для использования на технические нужды предприятия. Данная система очистки сточных вод рекомендуется для использования при проектировании новых очистных сооружений, либо реконструкции и модернизации действующих станций водоочистки в целях повышения их экономической эффективности и экологической безопасности.
Рис. 1 Технологическая схема очистки сточных вод
Технологическая схема очистки сточных вод: Е1, Е2, Е3 – накопительная ёмкость; Н1, Н2 – насос; Д1, Д2, – ёмкость приготовления раствора реагента; НД1, НД2, НД3 – дозирующий насос; Р1 – реактор смешения; ЭФ – Электрофлотационный модуль; ИПТ – источник питания электрофлотационного модуля; ФП – фильтр пресс; КФ – кварцевый фильтр; ИФ – ионообменный фильтр.
Система работает следующим образом: промывные и сточные воды гальванического производства подаются в накопительную емкость Е1. Из емкости Е1 стоки насосом Н1 подается в реактор Р1. В реактор Р1 для предварительной обработки сточных вод дозаторами НД2 и НД3 дозируются реагенты: раствор щелочи и флокулянта (коагулянта). Из реактора Р1 стоки поступают на электрофлотатор ЭФ, в котором по представленному ниже механизму осуществляется извлечение гидроксидов тяжелых металлов, нефтепродуктов и соединений поверхностно активных веществ. Из накопительной емкости Е2 в емкость Е1 дозатором НД1 дозируются отработанные технологические растворы. Из электрофлотатора очищенная вода поступает в сборную емкость Е3. Осветленная вода из сборной емкости Е3 подается насосом Н2 на механический фильтр КФ, и далее на ионообменные фильтры ИФ, в которых методом ионного обмена происходит извлечение следовых концентраций ионов тяжелых металлов до региональных требований предельно допустимых концентраций (ПДК) по сбросам. После очистки вода сбрасывается в канализацию, либо может быть частично возвращена в технологический цикл на повторное использование для технических нужд предприятия (в соответствии с ГОСТ 9.314–90 вода 2-й категории).
Шлам подается для обезвоживания на фильтр-пресс ФП. Обезвоженный шлам влажностью не более 70% утилизируется, либо может быть использован в качестве вторсырья в строительном производстве.
Основным техническим узлом системы очистки является электрофлотатор, включающий в себя впускную камеру (1), блок нерастворимых электродов (2), систему сбора шлама (3,4), источник постоянного тока и вытяжной зонт. Работа аппарата основана на электрохимических процессах выделения водорода и кислорода за счет электролиза воды и флотационного эффекта. Установка работает, как в непрерывном, так и в периодическом режимах и обеспечивает извлечение взвешенных веществ, нефтепродуктов, поверхностно активных веществ, ионов тяжелых металлов Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Cr3+, Al3+, Pb2+, Fe2+, Fe3+ Ca2+, Mg2+ и др. в виде гидроксидов и фосфатов.
Рис. 2 Горизонтальный электрофлотатор
Заключение
Существование человечества без пресной воды невозможно. Поэтому в последние годы вопрос о чистоте воды и воздуха ставится на многих всемирных форумах. Эта проблема возникла в связи с огромными масштабами промышленного, сельскохозяйственного и коммунального использования вод. В настоящее время во многих районах земного шара ощущается острый водный голод. Использование пресной воды в таких огромных масштабах приводит к изменению физико-химического состава воды. Для уменьшения вредного влияния промышленного и сельскохозяйственного использования воды на экологию земного шара необходима более глубокая очистка сточных вод.
Невозможность достижения требований ПДК усугубляется сложным финансовым положением промышленных предприятий РФ. Основным путем решения данной проблемы является внедрение новых технологий очистки воды и оптимизация водопотребления гальванического производства.
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) Классен В.И., Мокроусов В.А. Введение в теорию флотации. М.: Металлургиздат, 1959. 580 с.
8) Глембоцкий В.А., Классен В.И. Флотация. М.: Недра, 1973. 384 с.
9) Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.
10) Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Водоотводящие системы промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1990. 511 с.
11) Пушкарев В.В., Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих вод. М.: Металлургия, 1980. 200 с.
12) Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л.: Химия, 1977. 464 с.
13) Справочник по обогащению руд. Основные процессы. М.: Недра, 1983
