Экология / 4. Промышленная экология и медицина труда

Д.т.н., проф. Свергузова С.В., аспирант Ипанов Д. Ю.,

аспирант Суханов Е.В.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

Исследование электрокинетических свойств пыли электросталеплавильного производства в процессах очистки никельсодержащих сточных вод

Исследование электрокинетических свойств дисперсных веществ в процессах очистки сточных вод имеют большое значение, поскольку сточные воды в большинстве своем представляют коллоидно-дисперсные системы, устойчивость которых зависит от электроповерхностных свойств применяемых адсорбционно-коагуляционных материалов. Нами в качестве сорбента-реагента-коагулянта для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов на примере Ni²⁺ предложено использовать пыль электродуговых сталеплавильных печей (ЭДСП) Оскольского электрометаллургического комбината Белгородской области (Россия), которая представляет собой тонкодисперсную пылевую систему многокомпонентного состава.

Для исследования электроповерхностных свойств частиц пыли использовали фракцию пыли с размером частиц < 5 мкм. ζ-потенциал частиц системы при изменении концентрации ионов Ni²⁺, Cu²⁺ и рН среды определяли путем измерения потенциала течения в капиллярных системах, возникающего при протекании раствора под действием внешнего давления.

Это явление наблюдается вследствие наличия двойного электрического слоя (ДЭС) на границе между фазами. Поток жидкости, протекая через систему капилляров, увлекает за собой ионы диффузной части ДЭС. Это движение ионов, являясь поверхностным током, приводит к возникновению разности потенциалов между объемами растворов, разделенными капиллярной системой.

Для измерения ζ-потенциала исследуемый материал измельчали и помещали в камеру, где формировалась порошковая диафрагма. Так как движение жидкости в капиллярах вызывает смещение практически только диффузной части ДЭС, то по измеренному значению потенциала протекания Е можно рассчитать величину ζ-потенциала (мВ) по формуле:

где η - вязкость дисперсной среды, Па·с; Е - потенциал протекания, мВ; æ - удельная электропроводность, Ом^-1·см^-1; Р - давление, Па; ε -относительная диэлектрическая проницаемость воды; ε₀ = 8,85 · 10^-12м.

Для определения изменения величины ζ-потенциала поверхности частиц пыли при проведении процесса очистки модельных растворов были приготовлены водные суспензии с различными исходными концентрациями ионов металлов и одинаковым содержанием пыли (1,5 г/л) фракции менее 0,1 мм (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость величины ζ-потенциала на поверхности пыли ЭДСП от концентрации ионов Cu²⁺ и Ni²⁺ в растворе

При увеличении концентрации ионов [Cu²⁺] в растворе до 8 мг/л и [Ni²⁺] до 11 мг/л, ζ-потенциал = 0, т.е. происходит полная нейтрализация отрицательно заряженной частицы пыли. Увеличение концентрации ионов металлов в растворе способствует достижению максимального значения ζ-потенциала, коллоидная система при этом неустойчива и происходит осаждение частиц пыли. Дальнейшее увеличение концентрации ионов в растворе приводит к уменьшению ζ-потенциала. Это можно объяснить изменением концентрации содержащихся в растворе ионов меди и никеля (противоионов).

При увеличении концентрации противоионов большая часть их вытесняется из диффузной в адсорбционную часть двойного электрического слоя. Толщина диффузной части двойного электрического слоя, а вместе с ней и всего двойного электрического слоя, уменьшается, что приводит к понижению величины ζ-потенциала.

Для уточнения механизма процесса проведено исследование зависимости ζ-потенциала от рН среды, поскольку расход пыли и рН раствора - величины взаимосвязанные (рис. 2).

Полученные данные свидетельствуют о том, что максимальное значение ζ-потенциала наблюдается при рН = 8,8, что соответствует расходу пыли 0,9 г/л и максимальной эффективности процесса очистки (97 % для ионов меди, 98,9 % для ионов никеля). Характер изменения ζ-потенциала подтверждает нашу гипотезу о механизме процесса очистки.

Рис. 2. Зависимость ζ-потенциала на поверхности частиц пыли от рН раствора

При увеличении рН раствора до значения 8,5 ζ-потенциала = 0, что сопровождается нейтрализацией отрицательного заряда частиц шлака и ростом положительного заряда. Увеличение рН раствора до значения 8,8 приводит к достижению максимального значения ζ-потенциала, неустойчивости коллоидной системы и быстрому осаждению частиц шлака.

Дальнейшее увеличение рН способствует стабилизации процесса в растворе и приводит к уменьшению ζ-потенциала. Это можно объяснить увеличением количества образующихся гидроксильных ионов, обладающих высокой способностью адсорбироваться из-за большого дипольного момента.