Авторы: Е.С. Матлак, Л.Г. Голубева, О.В. Стародубцева

Донбасс представляет собой старопромышленный регион Украины. В последние годы здесь сложилась кризисная экологическая ситуация. Особую опасность приобретают загрязнения гидросферы, которые под действием водных течений мигрируют в другие регионы Украины, а также за ее пределы. Водопользование в Донбассе стало экологически опасным. Локальные природоохранные меры, предпринимаемые на отдельных предприятиях, не дают ощутимого эффекта и не в состоянии остановить резкий рост специфических заболеваний населения региона, других негативных последствий. Особенно важной проблемой для Донбасса в целом, является очистка огромных количеств (около 1 млрд. м3 /год) шахтных вод, сбрасываемых в гидрографическую сеть угольной промышленностью. Вместе с шахтными водами в водные объекты Донбасса ежегодно поступает более 2 млн.т. минеральных солей, что дестабилизирует экологическую обстановку в бассейне.
В то же время проблема деминерализации шахтных вод практически не решена. Применение известных методов (термических, реагентных, ионообменного фильтрования, обратного осмоса, электродиализа) либо не всегда дает необходимый эффект, либо не является экономически оправданным. Поэтому актуальным является совершенствование известных и разработка нетрадиционных методов деминерализации шахтных вод.
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 соосаждение ионорастворенных примесей. Недостатками метода являются повышенные расходы электроэнергии и листового металла.
Этих недостатков лишен способ образования гидроксидов при окислении активного металлического анода на принципе действия гальванического элемента (метод гальванокоагуляции). Гальванопара состоит из двух разноактивных материалов: отходов металлообработки (железная или алюминиевая стружка) и кокса (катод). В процессе работы гальванопары генерируется самопроизвольно электростатическое поле и окисляется анод (металл).
В настоящее время известно применение метода гальванокоагуляции в сочетании с известкованием и другими реагентами (вариант метода института "Казмеханобр") на заводах обработки цветных металлов, а также сточных вод гальванических производств.
Названный вариант метода обеспечивает извлечение из сточных вод примесей только катионного состава и применяется в составе комбинированной технологической схемы (с реагентами). Для деминерализации шахтных вод его использование неизвестно.
ДонГТУ предпринята оценка возможности использования метода гальванокоагуляции для кондиционирования минерализованных шахтных вод (как по катионному, так и анионному составу примесей) без введения других реагентов (за исключением изменяющих реакцию водного раствора).
С учетом современного уровня развития электрохимии в трудах Колотыркина Я.М., Флориановича Г.М., Лазаренко-Маневича Р.М. и других авторов изучены закономерности электродных процессов, включая электродные равновесия, а также протекание электродных реакций вдали от равновесия. Установлена качественная зависимость растворения металла анода не только от деполяризующей функции катода, но и его взаимодействия с анионами-стимуляторами (в том числе гидроксид-ионом). Наибольшее ускоряющее влияние оказывает хлор-ион (особенно в кислых и нейтральных водах). Так как в сточных водах глубоких шахт Донбасса содержится большое количество хлоридов, следует ожидать повышение эффективности гальванокоагуляции. В результате теоретического анализа механизма гальванокоагуляции показана неоднозначность процесса извлечения ионодисперсных примесей из раствора. Она характеризуется соосаждением примесей на осаждающихся гидроксидах металла и электроосаждением на катоде катионов. При этом механизм соосаждения также неоднозначен. Установлено, что он включает процессы изоморфного замещения вещества гидроксида частицами примесей раствора (или их внедрением в межузловое пространство), адсорбции частиц примесей на поверхности вещества гидроксида, механического захвата примесей кристаллами осаждающихся гидроксидов.
В результате первого процесса (изоморфного замещения или внедрения примесей) образуются твердые растворы. При железном аноде с течением времени из Fе (ОН)2 образуются две упорядоченные ромбические кристаллические формы осадителя: гетит и лепидокрокит. Если скорость дегидратации Fе (ОН)2 соизмерима со скоростью соосаждения (замещения или внедрения) ионов других металлов, то происходит процесс ферритизации (образования ферритов).
Таким образом, даже в кислой, а тем более нейтральной среде с помощью соосаждения в форме ферритизации можно извлекать из воды катионы тяжелых металлов.
Эффективность соосаждения адсорбцией зависит от знака поверхности вещества гидроксида, (знак определяет адсорбцию катионов или анионов примесей), скорости осаждения гидроксидов, размера осаждающихся кристаллов и присутствия в растворе других ионов.
В кислой и нейтральной средах знак заряда амфотерных гидроксидов положительный (благодаря их ионизации по основному принципу и действию первого правила Пескова-Фаянса). В таких средах на осадителе адсорбируются отрицательно заряженные анионы (сульфаты, хлориды и др.). В щелочной среде поверхность гидроксида ионизируется по кислотному принципу, заряжается отрицательно и адсорбирует положительно заряженные катионы.
Из рассмотрения сущности обоих процессов следует, что лишь в кислой среде возможно одновременное извлечение как катионов тяжелых металлов (путем ферритизации), так и анионов (путем адсорбции). Следовательно, гальванокоагуляцию необходимо осуществлять в кислой среде.
Для обеспечения ферритизации должна применяться гальванопара железо-кокс.
Целесообразность осуществления гальванокоагуляции в кислой среде подчеркивается также тем, что с уменьшением рН усиливается растворение металла анода.
Установлена зависимость эффективности метода гальванокоагуляции от следующих факторов: реакции среды рН (при рН 3 – эффективность увеличивается в 3-4 раза, нежели при рН 6,5-7); времени гальванокоагуляционной обработки воды; количественного состава гальванопары (наиболее эффективным и экономически выгодный является состав гальванопары железо-кокс с соотношением 4:1); температуры водного раствора (увеличение температуры воды от 15 до 400С повышает скорость эффективной очистки примерно в 1,8 раза).
Одновременно были выявлены технологические особенности гальванокоагуляционной очистки шахтных вод; рекомендуется, во-первых, проводить гальванокоагуляцию в две стадии (на первой стадии с составом гальванопары железо-кокс, а на второй (необходимой для доочистки воды от анионов кислот) – с составом алюминий-кокс); во-вторых, повторно, использовать перед входом в гальванокоагулятор первой стадии для усиления эффективности гальванокоагуляции осадки ферритов, наработанные на первой стадии.
Результаты исследований позволили предложить принципиальную аппаратурно-технологическую схему кондиционирования шахтных вод на основе гальванокоагуляции.
Она позволяет значительно упростить очистные сооружения и их эксплуатацию при минимальных энергозатратах. Опытная установка, работающая на основе метода гальванокоагуляции, испытана на шахте "Родинская" в Донбассе.