Семенов Євгеній Олександрович. Технологія очищення промислових рідких відходів в алмазному виробництві

Краткое описание

Семенов Євгеній Олександрович. Технологія очищення промислових рідких відходів в алмазному виробництві : дис... канд. техн. наук: 05.17.01 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2005

Семенов Є.О. Технологія очищення промислових рідких відходів в алмазному виробництві. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.01 технологія неорганічних речовин. Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут, Харків, 2005.
Дисертація присвячена розробці технології очищення стічних вод алмазного виробництва від солей мангану та нікелю, що дозволяє одержувати продукти ліквідні на хімічному ринку.
У дисертації проведено термодинамічні дослідження з вивчення взаємодії компонентів відходів з різними відновниками та окислювачами: HCOOH, HCOH, H2, CH4, CO, KMnO4, (NH4)2S2O8, K2Cr2O7, NaClO, FeCl3, Cl2, O3, O2, H2O2. Проведено дослідження з вивчення впливу різних параметрів на процес осадження сполук нікелю та мангану з розчинів, які вміщують сполуку одного з металів, та з розчинів, в яких є сполуки двох металів: концентрації реагентів, температури та часу осадження.
Установлено механізми процесів осадження, як для осадження з розчинів, в яких є сполуки одного з металів, так і з розчинів в яких є як сполуки мангану, так і нікелю. На підставі отриманих даних й встановлених механізмів запропоновано математичні моделі процесів осадження сполук нікелю та мангану, які враховують вплив концентрації реагентів, температури та час осадження.
Запропонована принципова технологічна схема очищення стічних вод, вміщуючих сполуки мангану та нікелю з різними способами утилізації водно-сольового розчину. У результаті проведеного техніко-економічного розрахунку встановлено, що найбільш ефективним варіантом є напрямок водно-сольового розчину в водозворотню систему підприємства.

На підставі аналізу літературних даних та результатів виконаних досліджень вирішено науково-практичну задачу розробки технології очищення стічних вод алмазного виробництва від сполук мангану та нікелю, яка дозволяє поліпшувати екологічне становище в промисловому регіоні і одержувати важливу хімічну продукцію.
1. Встановлено, що основним джерелом забруднення навколишнього середовища у виробництві синтетичних алмазів є стічні води, які містять сполуки мангану та нікелю. Одним з найбільш ефективних методів утилізації цього виду відходів може бути хімічне осадження їх у вигляді оксидів та гідроксидів, при цьому встановлено, що найбільш повно вони осаджуються в наявності окиснювача.
2. Проведено термодинамічний аналіз з вивчення взаємодії компонентів відходів з такими відновниками й окиснювачами, як: HCOOH, HCOH, H2, CH4, CO, KMnО4, (NH4)2S2O8, K2Cr2O7, NaClО, FeCl3, Cl2, O3, O2і H2O2. Встановлено, що найбільш ефективним окиснювачем для осадження сполук мангану та нікелю з розчинів, вміщуючих MnCl2, NiCl2та HCl, є H2O2. При цьому найбільш імовірне утворення Nі(OH)2, Mn(OH)2, Mn3O4, Mn2O3, NaCl та можливе утворення Nі3O4і Nі2O3.
3. Вивчено та встановлено вплив на процеси осадження у випадку наявності одного з металів у розчині, і при їхній одночасній наявності, що містять 1-60 і 0,76-40 г/л мангану та нікелю відповідно, технологічних параметрів: концентрації реагентів, температури, терміну осадження.
4. Показано, що при осадженні сполук нікелю при рН=10,0 збільшення концентрації H2O2з 2,385 до 11,735 г/л не впливає на механізм процесу осадження. Збільшення концентрації H2O2в розчині до 1,5 г/л сприяє зменшенню концентрації нікелю в розчині до 1 мг/л. У результаті проведеного РФА та ІЧ-спектроскопії встановлено, що в продуктах осадження, отриманих при використанні Н2О2, нікель присутній у двох- та трьохвалентному стані. При осадженні спостерігається зменшення залишкової концентрації нікелю при рН=7,2-11,2 в порівнянні з осадженням без H2O2. Під час осадження сполук нікелю з розчинів, вміщуючих 0,5-37 г/л нікелю, при рН=9-9,05 у відсутності H2O2, початкова концентрація нікелю майже не впливає на процес осадження. При осадженні разом з Н2О2спостерігається зменшення кінцевого вмісту нікелю при зменшенні його початкової концентрації в розчині. З’ясовано, що при осадженні з H2O2слід підтримувати співвідношення CH2O2:CNi2+=1-2,49. Показано, що можливе протікання хімічної взаємодії між Ni(OH)2та Н2О2в співвідношенні CH2O2:CNi2+=1 моль/моль. Установлено, що при осадженні сполук нікелю з розчинів, як з H2O2, так і при його відсутності, в інтервалі 300-340 К у розчині міститься мінімальна кількість нікелю. Збільшення температури осадження до температури кипіння розчину приводить до збільшення вмісту нікелю. З’ясовано, що при осадженні сполук нікелю з H2O2при збільшенні часу осадження з 100 до 160 хвилин значного зменшення концентрації нікелю в розчині не відбувається.
5. Установлено, що при осадженні сполук мангану при рН9,5 збільшення концентрації H2O2з 1,1946 г/л до 11,7353 г/л майже не впливає на величину ОВП в розчині. Під час осадження з розчинів з початковою концентрацією мангану 2 г/л, при рН=10,35 збільшення концентрації H2O2в розчині до 2,9776 г/л сприяє зменшенню концентрації мангану до 4,4 мг/л. Збільшення концентрації H2O2в розчині більше 2,9776 г/л майже не сприяє зменшенню концентрації мангану. При осадженні як з Н2О2так й за його відсутністю основними продуктами осадження є Mn3O4та b-MnOOH. При осадженні з використанням H2O2утворюється осад з більшим розміром кристалів на відміну від осадження без H2O2. Показано, що при осадженні без H2O2рівень ГДС не досягається навіть при рН=11,0. При осадженні сполук мангану з розчинів у наявності 2,9776 г/л H2O2при рН=10,35 досягається концентрація мангану 4,395 мг/л. Установлено, що при осадженні сполук мангану з розчинів з концентрацією 0,5-60 г/л без гідроген пероксиду і в наявності 5,9257 г/л H2O2, при рН=9,0 слід підтримувати співвідношення CH2O2:CMn2+=0,7-3,4. При осадженні сполук мангану з розчинів збільшення температури осадження тільки до 325 К сприяє зменшенню концентрації мангану в розчині до 122-175 мг/л. Подальше збільшення температури не призводить до зменшення залишкової концентрації мангану. У випадку осадження у відсутності H2O2при підвищенні температури до 370 К спостерігається збільшення концентрації мангану до 1,2 г/л. Установлено, що при осадженні сполук мангану в наявності H2O2, найбільш доцільно витримувати час осадження не менше 40 хвилин.
6. Показано, що при осадженні сполук мангану та нікелю з розчинів при їхній одночасній наявності, при значенні рН7,2, збільшення концентрації H2O2не впливає на процес осадження. Установлено, що при рН=9,0 збільшення концентрації H2O2в розчині більш ніж 0,5979 г/л не сприяє зменшенню концентрації нікелю в розчині. Результати РФА осадів, отриманих при рН=9,0, показали, що до їх складу належить a-3Ni(OH)22H2O. Вивчення складу осадів методом ІЧ-спектроскопії свідчить про окиснення Mn(ll) до Mn(lll) та Mn(lV) й утворення сполуки приблизно складу NiMn2O4. Показано, що при осадженні в наявності H2O2при рН=9,0 концентрація мангану в розчині зменшується в 100 разів, а нікелю в 60-70 разів, а ступінь їхнього осадження дорівнює 99 %. З'ясовано, що для підвищення ступеня осадження сполук мангану та нікелю з розчинів необхідно підтримувати мольне співвідношення CH2O2:CMn2+=0,55-1. При відсутності Н2О2при рН=9 в інтервалі 313-343 К спостерігається мінімальна концентрація мангану в розчині. Доведено, що при осадженні в наявності Н2О2температура практично не впливає на концентрацію мангану в розчині. Для нікелю спостерігається мінімальна концентрація в розчині при 313-343 К. Збільшення температури осадження до температури кипіння розчину сприяє збільшенню концентрації нікелю в розчині. Встановлено, що з Н2О2протягом 1,5-2,0 години спостерігається мінімальна концентрація мангану та нікелю в розчині.
7. Установлено механізми процесів осадження сполук мангану та нікелю з розчинів.
8. Запропоновано математичні моделі процесів осадження сполук мангану та нікелю, як для випадку наявності в розчині сполук одного з металів, так і для випадку наявності сполук двох металів, які враховують вплив концентрації реагентів, температуру й час осадження та особливості кожного з них. Отримані математичні моделі можуть бути використані для розрахунку концентрації цих металів у розчинах у процесі осадження.
9. Проведено дослідно-промислові випробування очищення рідких відходів від сполук мангану та нікелю і підтверджено доцільність використання Н2О2при їхньому осадженні.
Запропоновано принципову технологічну схему очищення стічних вод, вміщуючих сполуки мангану та нікелю. Очікуваний економічний ефект запропонованої технологічної схеми при використанні її у виробництві синтетичних алмазів становить 447922 грн. на рік.