9. Защита окружающей среды. Очистка раствора электролита

Защита окружающей среды при ЭХО является важной проблемой. Многие водоемы загрязнены, и чистой пресной воды не хватает. Нарушается экологическое равновесие в природе.

При электрохимической обработке применяются растворы электролитов, содержащие вредные вещества. В процессе обработки дополнительно образуются токсичные соединения, которые накапливаются в растворе электролита.

Эффективным методом борьбы с загрязнением водоемов является применение бессточной технологии, основанной на замкнутом цикле водооборота. При этом необходима эффективная очистка (регенерация) раствора электролита на всех участках предприятия, в том числе при электрохимической обработке.

Для различных ионов, входящих в состав раствора электролита, установлены предельно допустимые концентрации (ПДК). Самые высокие допустимые нормы присущи катионам калия, натрия и кальция (от 50 до 200 мг/л соответственно), и нитрат-ионам, сульфат-ионам и хлорид-ионам (от 40 до 300 мг/л соответственно). Эти ионы, образующие первую группу наименее токсичных веществ, входят в состав электролитов, которые обычно используют в процессе ЭХО. Ко второй группе токсичных веществ относятся катионы железа, хрома, меди, титана, цинка, кобальта и никеля. Для катионов этих металлов установлена ПДК 0,5–1 мг/л.

Наиболее жесткие нормы ПДК соответствуют катионам третьей группы: свинца, олова, кадмия, сурьмы, молибдена, ртути, висмута, иридия. Их содержание в растворе не должно превышать 0,01 мг/л. К анионам, входящим в третью группу токсичных веществ, относятся цианиды, хроматы и дихроматы. Для них ПДК составляет 0,1–0,2 мг/л.

Для катионов водорода и анионов гидроксила установлены тоже жесткие нормы. Их ПДК определяются величиной водородного показателя (рН раствора), который должен находится в пределах 6–8. Указанные ПДК соответствуют растворам электролита, которые разрешено сбрасывать в водоёмы (реки, озера).

При анодном растворении припуска обрабатываемой детали в раствор переходят катионы металлов, из которых изготовлена деталь (железо, хром марганец, никель, кобальт и др.). Хром частично окисляется на аноде до хромат-ионов или дихромат-ионов (соединения шестивалентного хрома).

Поскольку эти анионы токсичны, необходимо выводить их из раствора. Очистка от соединении шестивалентного хрома основана на его восстановлении до трехвалентного, который далее удаляют из раствора путем осаждения гидроксида. Для восстановления могут быть использованы соединения двухвалентного железа, которые окисляются до трехвалентного, либо серосодержащие восстановители (Na₂SO₃, NaHSO₃, Na₂S).

Для получения «свежих катионов» двухвалентного железа применяют электролизеры (электрокоагуляторы) с растворимым железным анодом (2.4).

При очистке происходят следующие реакций:

CrO₄^2– + 3Fe²⁺ + 8H⁺ = Cr³⁺ + 3Fe³⁺ + 4H₂O ,

Cr₂O₇^2– + 6Fe²⁺ + 14H⁺ = 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O .

Нарисуйте схему электрокоагулятора, его подключение к выпрямителю, укажите состав входящего и выходящего раствора. Напишите уравнения реакций на электродах. Составьте электронный баланс, напишите молекулярные уравнения реакции, протекающих в электрокоагуляторе ( применяется для хлоридных растворов)

Метод очистки от соединений шестивалентного хрома с помощью сульфата железа (II) или серосодержащих восстановителей называется реагентным. При этом, серосодержащие восстановители применяют только в кислых средах, тогда как сульфат железа − в любых средах (кислых, нейтральных, щелочных).

4Na₂Сr₂O₇ + 3Na₂S + 16H₂SO₄ = 4Cr₂(SO₄)₃ + 7Na₂SO₄ + 16H₂O ;

2Na₂Сr₂O₇ + 6NaHSO₃ + 5H₂SO₄ = 2Cr₂(SO₄)₃ + 5Na₂SO₄ + 8H₂O ;

Na₂Сr₂O₇ + 3Na₂SO₃ + 4H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 4Na₂SO₄ + 4H₂O .

Кислая среда:

Na₂Сr₂O₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3Fe₂(SO₄)₃ + Na₂SO₄ + 7H₂O .

Нейтральная среда:

Na₂СrO₄ + 3FeSO₄ + 4H₂O = Cr(OH)₃↓ + (Fe(OH)₂)₂SO₄ + FeOHSO₄ + Na₂SO₄ .

Слабощелочная среда:

Na₂СrO₄ + 3FeSO₄ + 4NaOH + 4H₂O = Cr(OH)₃↓ + 3Fe(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄ .

Щелочная среда:

Na₂СrO₄ + 3FeSO₄ + 7NaOH = Na₃[Cr(OH)₆] +3Fe(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄ .

На следующем этапе очистки раствора из него удаляют катионы тех металлов, из которых изготовлена лопатка турбины. Гидроксиды этих металлов при нейтрализации растворов выпадают в осадок.

Меⁿ⁺ + n OH^– = Ме(ОH)_n↓ .

При равновесии между осадком и ионами, на которые диссоциирует гидроксид металла, устанавливается определенная концентрация катионов металла в растворе. Эта концентрация зависит от величин произведения растворимости гидроксидов и водородного показателя.

ПР_Ме(ОН)n = С_Меⁿ⁺ ∙ Сⁿ _ОН– ^.

ПР_Ме(ОН)n является константой при постоянной температуре.

При осаждении катионов металла в виде гидроксида последние образуют коллоидные растворы, фильтрация которых чрезвычайно затруднена. Коллоидный раствор характеризуется устойчивостью. Слипание частиц может не происходить или происходит очень медленно. Существуют методы, применение которых повышает скорость укрупнения частиц во много раз. Один из методов состоит в том, что в раствор добавляют вещество, способное значительно уменьшить заряд коллоидных частиц. Коагуляции коллоидных растворов способствует также постоянное электрическое поле в электролизере. На электродах происходит разряд коллоидных частиц и их слипание.

Для обоснования и выбора методов коагуляции коллоидных растворов необходимо ответить на следующие вопросы:

1 Что такое коллоидный раствор? Чем он отличается от грубой дисперсной системы и от истинного раствора?

2. Что такое мицелла, из чего она состоит? Что препятствует слипанию частиц?

З. Что такое коагуляция? Какие вещества и каким образом ускоряют процесс коагуляции?

4. Почему электролизер, в котором происходит восстановление шестивалентного хрома, назван электрокоагулятором?

Последней операцией обезвреживания раствора электролита является его нейтрализация.

Напишите уравнение реакции нейтрализации в ионной форме. Какие вещества можно применять при нейтрализации кислых и щелочных растворов?

Какое значение величины водородного показателя допускается в растворах, которые сбрасываются в водоёмы?