Оптимизация процессов извлечения Zn(II) из низкоконцентрированных сернокислых растворов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат технических наук Харитонова, Ирина Юрьевна

• Харитонова, Ирина Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Харитонова, Ирина Юрьевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация процессов извлечения Zn(II) из низкоконцентрированных сернокислых растворов»

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.