Химики повысили эффективность очистки сточных вод от тяжелых и цветных металлов

Стоки многих производств содержат токсичную смесь различных цветных и тяжелых металлов, а также солей, затрудняющих процесс очистки воды. Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева показали, что с введением специальных добавок эффективность метода  электрофлотации возрастает настолько, что 99% ионов металлов можно удалить из воды примерно за 3-5 минут. А дополнительная ступень очистки позволяет получить чистую воду даже из отходов высшего класса опасности. Теперь ученые планируют доработать технологию, так чтобы выделенные металлы можно было использовать повторно.

Вопросы переработки и утилизации различных промышленных отходов становятся актуальнее с каждым днем. Одни из самых токсичных и одновременно перспективных для вторичного использования отходов получаются при изготовлении печатных плат и на гальванических производствах. И там и там остаются отработанные растворы, содержащие большое количество ионов цветных и тяжелых металлов, опасных для здоровья и экологии. Стоки этих производств необходимо тщательно очищать, но делать это особенно сложно.

«Такие сточные воды образуются в режиме нон-стоп, постоянным потоком. Поэтому мы в своей работе отрабатывали метод электрофлотации, который хорошо работает в проточном режиме, легко автоматизируется и при этом достаточно эффективен», — рассказал первый автор исследования, сотрудник кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ Владимир Бродский.

Суть метода такова: раствор с загрязнителями пропускает через аппарат, на дне которого установлены электроды. Через жидкость пропускается электрический ток, от которого на электродах появляются пузырьки водорода и кислорода. Они постепенно всплывают на поверхность, по пути захватывая частицы металлов, а образовавшуюся из них пену удаляют специальным скребком.

Этот метод уже активно используют для очистки сточных вод, но у него есть свои недостатки и ограничения. Например, электрофлотация плохо работает для растворов, содержащих смесь ионов различных металлов и солей. В этом случае в растворы нужно вводить специальные добавки, роль которых изучили ученые.

Исследователи отрабатывали методику электрофлотации на модельном растворе, имитирующем реальный сток. Он содержал ионы железа, никеля, меди, свинца и цинка, которые все вместе образовывали стабильную взвесь, а также большое количество солей в виде хлорида и сульфата натрия. Степень очистки этого раствора составляла всего 60%, то есть только 60% ионов металлов уходили в пену и могли быть удалены, а остальные токсиканты всё так же оставались в воде. Ученые показали, что роковую роль в этом сыграло как раз присутствие соли. Без нее ионы металлов слипались в воде в крупные частицы размером около 70 микрон, которые легко захватывались пузырьками газа, и в результате степень очистки раствора составляла 95-98%. А после добавления соли в системе появилось очень много маленьких частиц металлов размером около 1.5 микрона — они уже не подхватывались пузырьками и так и оставались в воде.

Чтобы исправить ситуацию ученые вводили в растворы небольшие добавки соединений двух типов:
во-первых, поверхностно-активных вещества, которые склонны налипать на взвешенные частицы. Так, ПАВ в составе моющих средств обволакивают частицы жира или других загрязнителей, чтобы потом их было легче удалить;
во-вторых, так называемые флокулянты — соединения, специально разработанные для водоочистки и представляющие собой длинные молекулы, несущие на концах электрические заряды. Они умеют связывать разрозненные частицы металлов в растворе вместе так, что потом этим металлы становится гораздо легче выделить из воды.

Ученые использовали по одному анионному (молекулы с отрицательным зарядом), катионному (с положительным зарядом), неионному (без заряда), а также амфотерному (заряд обоих типов) ПАВ и флокулянту. Эффективность добавок оценивали как по итоговой степени очистки, так и по тому, как они влияют на два важнейших параметра взвешенных частиц металлов : их размер и средний электрический заряд поверхности. Чем больше частицы и чем ближе их заряд к нейтральному, тем легче отделить их от воды.

Лучше всего себя показал анионный флокулянт. После его добавки мелкие частицы металлов с диаметром 1,5 микрона полностью пропали, а размер остальных значительно увеличился, а заряд частиц, который был отрицательным, стал почти нейтральным. В результате всего за 3—5 минут из раствора с помощью электрофлотации можно было удалить до 99% ионов металлов.

Неплохо себя показал и анионный ПАВ, однако с ним степень очистки в 99% достигалась уже за 7—10 минут. А вот катионный флоккулянт, молекулы которого несут положительный заряд, «перестарался»: с ним средний заряд частиц так и не стал нейтральным, а ушел в положительную сторону, и степень очистки снова получилась невысокая.

«Мы показали влияние природы этих добавок на эффективность формирования дисперсной, проще говоря, взвешенной фазы, а также на эффективность ее извлечения и получили очень хороший результат со степенью очистки в 99%, — рассказал Бродский. — Кстати, интересно, что соединения, которые мы использовали в качестве ПАВ и флокулянтов, и так могут быть в сточных водах производств, поскольку их часто используют для отмывки и очистки разных деталей. Так что наши результаты полезны не только с научной точки зрения, но еще и с технологической, так как позволяют выработать грамотный научный подход к выбору добавок, чтобы достичь максимальную степень очистки минимальной ценой».

Также ученые подчеркивают, что технологию электрофлотации необходимо сочетать с другими методами водоочистки. Например, с использованием мембранного метода степень очистки возрастает уже до 99.99%. При таком подходе задача электрофлотации — максимально эффективно очистить сточные воды от основной массы загрязняющих компонентов и снизить нагрузку на последующие, более дорогостоящие ступени очистки. В своей работе ученые уже испытали работоспособность такой схемы и дополнительно очистили раствор, полученный после электрофлотации, с помощью фильтров с диаметром 2 микрона. На выходе они получили воду, содержание тяжелых и цветных металлов в которой полностью соответствует нормам ГОСТа для воды хозяйственно-бытового значения. Следующий шаг исследователей — научиться не просто очищать сточные воды, но еще и извлекать из них ценные ресурсы.

«После очистки стоков методом электрофлотации мы получаем так называемый флотошлам — ту самую пену, по факту концентрированную фазу, содержащую соединения тяжелых и цветных металлов. В зависимости от типа производства, там могут быть редкие элементы, допустим марганец и поэтому мне просто с точки зрения экологии тяжело рассматривать это как отход, — говорит Владимир Бродский. — Более логично смотреть на всё это, как на вторичный ресурс для получения ценных компонентов. Поэтому следующая задача нашей группы — научиться перерабатывать этот флотошлам с получением продуктов с добавленной повышенной стоимостью, а именно индивидуальных соединений цветных металлов».

Исследование опубликовано в журнале Separation and Purification Technology.

• #Химия