Оптимизация процессов извлечения Zn(II) из низкоконцентрированных сернокислых растворов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Системный анализ и математическое моделирование в создании малоотходных гальванических производств.

1.2 Составы электролитов и промывных вод кислого цинкования

1.3 Методы, способы и технологии извлечения и переработки Zn(l\) из гальванических стоков.

1.4 Кинетические закономерности электроосаждения цинка из сернокислых растворов.

1.5 Пути снижения водопотребления и согласования совместной работы гальванической линии с локальным оборудованием по очистке промывных вод.

1.6 Анализ литературных данных, теоретическое обоснование работы и задачи исследования.

Глава 2. Методы экспериментальных исследований

2.1. Приготовление и анализ рабочих растворов

2.2 Методы установления физико-химических закономерностей ионообменного извлечения катионов цинка (II) из сернокислых растворов.

2.3 Методы выявления закономерностей электрохимической рекуперации ионов цинка из вод и элюатов.

Глава 3. Математическое прогнозирование в решении экологических проблем промывных вод кислого цинкования

3.1 Системный подход к созданию технологии очистки промывных вод после сернокислого цинкования от Ъъ (II).

3.2 Усовершенствование математической модели оценки состояния гальванических и промывных ванн в процессе эксплуатации.

3.3 Алгоритмическая реализация модели и расчеты состояний технологических и промывных ванн при сернокислом цинковании

Глава 4. Кинетические и технологические закономерности ионообменного извлечения и электрохимической утилизации ионов металла промывных вод сернокислого цинкования.

4.1 Физико-химические закономерности ионообменного извлечения Zn(ll) из промывных вод сернокислого цинкования.

4.2 Кинетические и технологические закономерности электровосстановления (II) из вод и элюатов.

4.3 Разработка технологических схем очистки промывных вод сернокислого цинкования с утилизацией ионов металла.

Глава 5. Разработка сетевой модели для оптимизации промывки при работе гальванической линии совместно с оборудованием по очистке

5.1 Сетевой анализ подсистемы "промывочные ванны - оборудование по очистке".

5.2 Оптимизация сетевых моделей промывок, выбор методов ее проведения и разработка алгоритмов.

5.3 Расчет оптимального водопотребления для промывок после сернокислого цинкования для гальванических линий различной производительности.

Выводы.

Цинковые гальванические покрытия находят широкое применение в качестве защитных для стальных изделий в различных отраслях промышленности. Значительная часть таких покрытий на детали простой конфигурации наносится из сернокислых растворов. При несомненных достоинствах цинкование из сернокислых электролитов сопровождается большими объемами жидких отходов, в основном в виде промывных вод, с которыми уносится до 60 - 80 % используемых ионов металла. Ежегодно предприятия России сбрасывают в водоемы около 1150 т. цинка [1]. Это ведет не только к безвозвратным потерям цветного металла, запасов которого в нашей стране при существующих темпах расходования, осталось на 20 лет [2], но и к нерациональному водопотреблению на промывочных операциях, связанному с необходимостью использовать проточные системы промывок для снижения токсичности вод [3]. Наряду с этим, соединения цинка, содержащиеся в промывных водах, в случае их извлечения и переработки, могут повторно использоваться в гальванотехнике (анодный материал), в текстильной и лакокрасочной промышленности (литопом, содержащий или ZnO), в химической промышленности ^пС12 в качестве катализатора), в сельском хозяйстве (в качестве микроэлементов) и ряде других отраслей [4,5].

В настоящее время проводятся исследования, направленные на извлечение, регенерацию, рекуперацию и утилизацию ионов Ъп (II) из отработанных электролитов и промывных вод сернокислого цинкования. Однако, эти вопросы до конца не решены и являются актуальными. Кроме того, решение этих и аналогичных вопросов представляет научный интерес, заключающийся в разработке общего подхода к созданию технологий локальной очистки промывных вод с утилизацией металлов и сокращением водопотребления в результате использования возможностей методов математического моделирования и оптимизации.

Целью работы являлись: реализация системного подхода, разработка математической модели оценки состояний гальванических и промывных ванн, выявление физико-химических и технологических закономерностей извлечения и рекуперации ионов металла промывных вод, а также сетевая оптимизация водопотребления и создание на их основе технологических схем очистки промывных вод после сернокислого цинкования.

Работа выполнялась в соответствии с договорами о сотрудничестве с ОАО "НЭРЗ" (г. Иркутск), ООО "КРЭСКАТ" (г. Москва), ООО "Пилот-Инвест-Сервис" (г. Казань), программой Министерства Образования РФ "Системы энергосбережения и технологии освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии" (ПТ-447) и при финансовой поддержке Департамента по охране природы и управлению природопользованием администрации Нижегородской области. Научная новизна работы:

1. Впервые реализован системный подход к созданию технологий очистки промывных вод сернокислого цинкования от ионов металла.

2. Усовершенствована математическая модель оценки состояний гальванических и промывных ванн в результате учета непрерывно и дискретно действующих технологических факторов.

3. Компьютерными расчетами по разработанной программе выявлены возможные состояния низкоконцентрированных сернокислых растворов цинкования, направляемых на очистку, и показана целесообразность рекуперации ионов металла при совместном использовании ионного обмена и электролиза.

4. Выявлены физико-химические закономерности ионообменного извлечения ионов Ъп (II) из разбавленных сернокислых растворов. Установлена применимость модели "шар с оболочкой" и смешанная диффузионная кинетика с преобладанием внутридиффузионной составляющей. Оптимизирован режим процесса.

5. Определена диффузионная природа поляризации при электрохимической рекуперации ионов цинка из промывных вод и элюатов. Выявлено, что в условиях необратимости процесс лимитируется присоединением первого электрона. Рассчитаны параметры стадии разряда и оптимизирован режим электролиза.

6. На основе выявленных физико-химических и технологических закономерностей впервые разработаны технологические схемы рекуперации ионов цинка из сернокислых растворов, использующие сочетание фильтрации, сорбции, ионного обмена и электролиза.

7. Впервые разработана сетевая модель совместной работы промывных ванн и локального оборудования по очистке вод. Проведены компьютерные расчеты и оптимизация водопотребления для различных гальванических линий сернокислого цинкования на основе вероятных стратегий.

Практическая значимость работы состоит в том, что внедрение ее результатов позволит снизить экологическую опасность производства, сократить на 90% водопотребление и улучшить технико-экономические показатели гальванического процесса за счет уменьшения безвозвратных потерь цинка и повторного использования металла. Результаты работы использованы предприятиями гг. Москвы, Иркутска и Казани с общим экономическим эффектом 750 тыс. рублей / год. На защиту выносятся: реализация системного подхода к созданию технологий очистки промывных вод сернокислого цинкования от ионов металла; усовершенствованная математическая модель оценки состояний гальванических и промывных ванн и расчеты по ней для различных линий сернокислого цинкования; физико-химические закономерности и оптимизация ионообменного извлечения Zn (II) из промывных вод сернокислого цинкования; кинетические закономерности и оптимизация режимов электроосаждения цинка из промывных вод и элюатов; технологические схемы локального извлечения и рекуперации Zn(II) из промывных вод сернокислого цинкования; сетевая модель совместной работы промывных ванн и локального оборудования по очистке вод сернокислого цинкования; расчеты и оптимизация водопотребления для промывок после сернокислого цинкования в различных гальванических линиях на основе вероятных стратегий.

Автор выражает благодарность доценту, к.т.н. Плохову C.B. за научные консультации при выполнении работы.