В настоящее время наиболее перспективным вариантом эффективного извлечения из стоков гидрофильных металлсодержащих осадков является электрофлотационный метод, сущность которого основана на всплытии частиц дисперсной фазы, за счет образующихся в процессе электролиза пузырьков газа: водорода и кислорода [47, 69]. Образующиеся электролизные пузырьки газов при всплытии сталкиваются с частицами дисперсной фазы и за счет действия молекулярных и электростатических сил транспортируют их на поверхность раствора частицы взвешенных веществ.
Эффективность использования электрофлотационного метода обусловлена отличительными особенностями извлекаемых коллоидных взвесей гидроксидов металлов, а именно их хрупкостью и способностью к передиспергированию при интенсивном перемешивании суспензии. С этой точки зрения, процесс электрофлотации, отличающийся высокой степенью дисперсности выделяющихся пузырьков, отсутствием в аппаратах движущихся частей, возможностью плавного регулирования скорости изменения степени насыщения пульпы газовыми пузырьками, а также наличием у них поверхностного электростатического заряда, что является определяющим при безреагентном извлечении гидрофильных осадков, в сравнении с другими флотационными методами извлечения металлсодержащих осадков, имеет явные преимущества. При этом наличие электролитов в обрабатываемых растворах обеспечивает необходимую электропроводность воды, и делает процесс электрофлотации экономически целесообразным. Кроме того, существует возможность корректировать эффективность извлечения металлов из растворов, в зависимости от исходного состава обрабатываемой воды, за счет варьирования основными параметрами электрофлотационного процесса, без изменения технологической схемы и конструктивного оформления процесса [16, 30].
Эффективность электрофлотационного процесса, в ходе которого осуществляется электрохимическое генерирование флотирующих газов, определяется величиной накладываемой на систему токовой нагрузки. Данный технологический параметр определяет электрохимические процессы, протекающие в системе, а также технические характеристики оборудования, разработанного для реализации электрофлотационного метода [2, 3].
Величина токовой нагрузки зависит от вида обрабатываемого стока, природы флотируемого соединения, его концентрации, солесодержания раствора, геометрии и материала электродов и является важным способом регулирования объема выделяющихся газов и размера микропузырьков, что является решающим фактором при формировании флотокомплексов «пузырёк – дисперсная фаза» и последующей транспортировки флотокомплекса на границу раздела «вода – воздух» [1, 7, 8].
В работе были проведены исследования кинетики процесса безреагентного электро- флотационного извлечения гидрофильных осадков марганца (Mn(OH)3 и Mn(OH)4) из водных систем с различным фоновым составом электролитов.
Полученные результаты исследований показали, что в однокомпонентных матричных растворах после десяти минут проведения процесса флотации в исследуемых растворах максимальное извлечение марганца (в зависимости от исходной концентрации) наблюдается в диапазоне Isк от 80 до 100 А/м2. При этом отмечено, что величина рабочего значения плотности тока зависит от исходной концентрации дисперсной фазы марганца в растворе, − чем выше концентрация, тем больше количество образующихся хлопьев и их размеры, что в итоге приводит к необходимости увеличения плотности тока на электродах [55, 57, 69, 75].
Отмечено, что увеличение плотности тока на электродах свыше 100 А/м2 приводит к турбулизации потока, что негативно сказывается на процессе электрофлотации и, как следствие, на показателях извлечения дисперсной фазы. Негативное воздействие в данном случае может быть связано с коалесценцией пузырьков, сопровождающейся значительным уменьшением полезной поверхности газовой фазы в гетерогенной системе, и снижением вероятности образования флотокомплексов – из-за понижения доли пузырьков, принимающих участие в элементарном акте флотации. Кроме того, подобные крупные пузырьки, обладая более высокой кинетической энергией, при столкновении с уже образованным флотокомплексом, не закрепляются на его поверхности, а разбивают его [1, 6, 7]. Снижение рабочей плотности тока ниже 80 А/м2 приводит к задержке процесса флотации вследствие недостаточного газонасыщения системы. В результате чего значительно увеличивается время протекания процесса флотации и снижаются показатели извлечения дисперсной фазы.
Кинетические зависимости, полученные в результате проведения процесса электрофлотации гидроксидов марганца на фоне анионов Сl− и SO42–, показали что процесс протекает довольно интенсивно, максимальные показатели извлечения дисперсной фазы из раствора в оптимальном диапазоне Isк составляют 98,2–99,3 %, в зависимости от исходной концентрации марганца в системе.
При протекании электрофлотационного процесса на фоне карбонатсодержащих растворов в оптимальном диапазоне токовой нагрузки показатели извлечения марганца варьируются в интервале от 68,0 % до 76,1 %. Снижение показателей извлечения дисперсной фазы, как и в случае кинетики протекания электрофлотации, может объясняться процессами гидролиза, происходящими в растворах, содержащих карбонат-ионы [5, 9].
Кинетические зависимости извлечения гидроксидов марганца (Mn(OH)3 и Mn(OH)4) из поликомпонентных растворов, одновременно содержащих хлорид-, сульфат- и карбонат-ионы с исходной концентрацией 0,6; 0,5 и 2 г/дм3, представлены на рисунке.
Анализ представленных результатов позволяет заключить, что при электрофлотационном извлечении из растворов гидроксидов марганца, одновременно содержащих ионы Сl¯, SO42¯ и CO32– в оптимальном диапазоне значений Isк (80–100 А/м2), извлечение марганца из растворов составит 92,7–98,9 % (в зависимости от исходного содержания марганца в системе).
Извлечение дисперсной фазы марганца из растворов, содержащих анионы: Сl–, CO32– и SO42– с концентрацией 0,6; 0,5 и 2 г/дм3 соответственно, при разных плотностях тока на электродах (катодах): 1 – СисхMn2+ = 50 мг/дм3; 2 – Сисх Mn2+ = 100мг/дм3; 3 – СисхMn2+ = 150 мг/дм3; 4 – Сисх Mn2+ = 200 мг/дм3
Таким образом, полученные результаты экспериментальных исследований позволили установить оптимальный диапазон значений токовой нагрузки на электродах (катодах): Isк 80–100 А/м2 (при Сисх.Mn2+ 50–200 мг/дм3). В обозначенном диапазоне плотностей тока после десяти минут проведения процесса электрофлотации максимальные показатели извлечения дисперсной фазы марганца достигают 98,9 %. А также выявлено влияние химической природы фоновых анионов на эффективность протекания процесса электрофлотационного извлечения гидрофильных осадков марганца.
Выводы
Проведенные в работе экспериментальные исследования показали, что эффективная безреагентная электрофлотация гидроксидных осадков марганца возможна только при высокой дисперсности газовых пузырьков и отсутствии интенсивного перемешивания жидкости. Дисперсность газовых пузырьков в электрофлотационном аппарате зависит от токовой нагрузки, материала и конструкции электрода, а также от состава среды электролита. При исследовании влияния токовой нагрузки на эффективность протекания электрофлотационного процесса в сульфат-, хлорид- и карбонатсодержащих растворах установлено, что зависимость извлечения от плотности тока, подаваемой на электроды (Isк), для всех рассматриваемых систем проходит через определенный максимум (Isк 80– 100 А/м2). Отмечено, что в начале электрофлотационного процесса, с увеличением силы тока, показатели извлечения монотонно растут. Это объясняется тем, что при малых величинах плотности тока на электродах выделение газовых пузырьков незначительно и скорость процесса невысокая. С повышением силы тока число мелкодисперсных газовых пузырьков в системе увеличивается, что приводит к увеличению скорости процесса флотации. Ухудшение процесса извлечения взвешенных частиц марганца при дальнейшем повышении токовой нагрузки объясняется нарушением оптимального гидродинамического режима, а также явлением коалесценции образующихся электролизных пузырьков, сопровождающееся значительным уменьшением полезной поверхности газовой фазы в гетерогенной системе и, как следствие, снижением вероятности образования флотокомплексов из-за понижения доли пузырьков, принимающих участие в элементарном акте флотации.
Таким образом, полученные результаты эксперимента показали, что, варьируя значениями Is, можно создавать в обрабатываемой среде заданную концентрацию газовых пузырьков и изменять их размер, а следовательно, и регулировать скорость и эффективность протекания процесса электрофлотации.