Авторы: Д.С. Ткач, Е.А. Трошина
Источник: материалы XXIV
Всеукраинской научной конференции аспирантов и студентов «Охрана окружающей
среды и рациональное использование природных ресурсов». — Донецк: ДонНТУ, 2014.
Гальваностегия — это электрохимический процесс покрытия одного металла другим. К наиболее распространенным областям гальваностегии относятся никелирование, хромирование, цинкование, меднение. Покрытие металлами осуществляется в гальванических ваннах. Перед нанесением гальванического покрытия заготовки изделий проходят стадии декапирования раствором серной кислоты и обезжиривания раствором щелочи (NaOH, KOH). В процессе периодического опорожнения ванн гальванической линии образуются сточные воды. Основными загрязнителями в таких сточных водах являются непосредственно ионы металлов, которые используются при нанесении покрытия, а также ряд других тяжелых металлов, негативно влияющих на параметры процесса электрохимического осаждения. К ним относят: ионы хрома (VI), никеля (II), цинка (II), меди (II), свинца(II), кадмия (II), железа (III) и других металлов. Высокая кислотность сточных вод обусловлена использованием сернокислотных растворов для декапирования поверхности изделий. Это требует предварительной нейтрализации кислоты перед очисткой.
В отечественной гальваностегии для очистки воды применяют реагентную очистку сточных вод [1]. Загрязняющие вещества удаляются из воды с помощью известкового молока в виде малорастворимых соединений. Очистка от взвешенных веществ осуществляется в пресс-фильтре, тонкослойных отстойниках, осветлителях.
Взвешенные вещества, удаленные из очищенной воды, представляют собой гальванический шлам. В большинстве случаев он не находит широкого применения не в производстве, не в других сферах промышленности, поэтому ликвидируется в шламохранилищах, подлежит захоронению на специально отведенных территориях.
Переработка такого вида промышленных отходов является актуальной задачей на сегодняшний день. В настоящее время на предприятиях Донецкой области ЧАО «ДОНЕЦКСТАЛЬ» — Металлургический завод», ПАО «Новокраматорский машиностроительный завод», Снежнянский машиностроительный завод ПАО «Мотор Сич», ПАО «Донецкий завод Продмаш» в производстве для защиты поверхности изделий активно используется гальваностегия. Во время производственного процесса очистки сточных вод на предприятиях образуется значительное количество гальванического шлама, который либо хранится в шламохранилищах, либо подлежит захоронению. Использование же методов переработки позволит освободить площади, используемые под шламохранилища, снизить негативное воздействие отходов на окружающую среду, а также повысить уровень ресурсосбережения на предприятии вследствие использования вторичных ресурсов.
Объектом исследовательской работы являлся гальванический шлам цеха санитарно-технической арматуры ПАО «АЗОЦМ», который образуется при очистке сточных вод, поступающих от ванн нанесения никелевого, хромового покрытия, а также из ванн для обезжиривания, декапирования и промывки поверхности изделий. Целью работы являлось определение возможности переработки шлама для разделения смеси гидроксидов металлов и выделения очищенных оксидов этих металлов с возможностью их дальнейшего использования в гальваностегии в качестве сырья.
Задачами исследования являлись:
Для определения содержания влаги навеску шлама высушили в сушильном шкафу при температуре 100 — 110 °С в течение 2 часов. Далее навеску высушенного шлама массой 15,2г растворили в серной кислоте с концентрацией 15 %масс. Часть шлама не растворилась в кислоте, поэтому раствор профильтровали через фильтровальную бумагу для отделения нерастворимых веществ. В полученном фильтрате объемом 1 дм3 определили концентрацию таких веществ, как хром, никель, медь, железо. Определение концентрации хрома, никеля и железа проводили фотометрическим способом с помощью фотоколориметра КФК–2МП. Определение содержания меди проводили йодометрическим способом [2]. Анализ содержания веществ в пересчете на исходный шлам показал следующие результаты:
Методом инфракрасной спектроскопии установлено наличие сульфат-ионов в шламе. Характерные пики поглощения для ионов SO42– составляют: 1105, 983, 611, 450 см–1. На рисунке 1 представлен спектр шлама неотмытого, прокаленного 1 час при температуре 6000С.
Рисунок 1 — Спектр шлама неотмытого, прокаленного при 600 °С 1 час
Наличие ионов SO42– возможно обусловлено содержанием малорастворимого соединения CaSO4, образующегося при осаждении тяжелых металлов.
При отмывании шлама водой снижается содержание сульфат-ионов, однако в шламе имеются нерастворимые в воде сульфаты.
Одним из способов разделения металлов, содержащихся в шламе в виде гидроксидов и карбонатов, является их разделение путем растворения при различных рН раствора. Для этого сначала шлам переводят в растворимую форму с помощью раствора серной кислоты. При этом основной состав гальванического шлама — гидроксиды металлов переходят в сульфаты.
Из очищенного от нерастворимых соединений (глина, песок) раствора сульфатов металлов проводится осаждение гидроксидов путем обработки щелочью и доведения pH до определенного для каждого металла значения. Последовательный ряд осаждения гидроксидов металлов с исходно кислого раствора приведены в таблице 1.
| Катион | Значение рН | |
| начало осаждения | полное осаждение | |
| Железо Fe3+ | 7,5 | 9,7 |
| Железо Fe2+ | 2,3 | 4,1 |
| Цинк Zn2+ | 6,4 | 8,0 |
| Хром Cr3+ | 4,9 | 6,8 |
| Никель Ni2+ | 7,7 | 9,5 |
| Алюминий Al3+ | 4,0 | 5,2 |
| Кадмий Cd2+ | 8,2 | 9,7 |
Как следует из табл. 1, теоретически возможно раздельное осаждение гидроксидов железа, никеля, цинка, хрома, поскольку значение рН начала их осаждения и полного осаждения не накладываются друг на друга.
Для определения возможности разделения гидроксидов металлов указанным способом изменяли рН среды с помощью 1 Н раствора КОН. Исследовали возможность разделения при следующих значениях: рН = 3, рН = 4,5, рН = 8,5. Установлено, что при значениях рН = 3 и рН = 4,5 выделение ионов никеля (II) и хрома(III) в осадок составляет 5% и 10% для каждого из этих металлов. При рН = 8,5 в осадок выделяется 85% хрома (III) и 100% никеля (II).
Из полученных данных сделан вывод о том, что селективное выделение металлов из растворов в виде гидроксидов при указанных значениях рН среды невозможно, поскольку одновременно происходит осаждение практически всех металлов.