Электрокинетические характеристики электродиализной очистки цинкосодержащих растворов от ионов цинка, железа и натрия

В работе приведена экспериментальная установка и выполнены исследования по применению электродиализного разделения для модельных растворов, имитирующих отработанные промышленные электролиты, содержащие ионы Zn²⁺, Fe³⁺ и Na⁺. С целью обоснования выбора объектов исследования выполнен литературный обзор материалов на тему возможности использования электромембранных методов для очистки и концентрирования стоков промышленных производств. Результаты исследования вольтамперных характеристик позволили выявить два выраженных участка изменения кривой и определить, что сила тока выше для растворов с большей концентрацией катионов металлов практически на всем участке кривой. По результатам исследования степени очистки исходного раствора от катионов провели анализ динамики извлечения ионов Zn²⁺ и установили, что повышение плотности тока до 20 А/м² позволило увеличить скорость миграции ионов и тем самым повысить степень электродиализной очистки. Это хорошо видно на приведенных кинетических зависимостях, где кривые, соответствующие разным начальным концентрациям, расходятся сильнее. Предложен общий вывод, что применение ионообменных мембран МА-41 и МК-40 в электродиализном разделении эффективно для растворов, содержащих соединения цинка, железа и натрия, и в ряде случаев достаточно успешно по степени разделения на диализат и концентрат. Предложена методика технологического расчета электродиализных установок, которая позволяет определить предельную плотность тока, выход по току, площадь камер концентрирования и обессоливания, а также установить количество секций в аппарате.

1. Дурнев Д.А., Косяшникова А.Ю., Тарасова В.В. Гальванические покрытия. Процесс гальванического цинкования // Фундаментальные и прикладные исследования в области химии и экологии: сб. науч. статей Междунар. науч.-практ. конф. (г. Курск, 11 октября 2023 г.). Курск: Изд-во ЮЗГУ, 2023. С. 95–98. EDN: QMUNPI.

2. Лукьяненко В.С., Щеголев А.В., Сергиенко С.Н. Автоматизация гальванического цинкования стальных деталей // Автоматизация. Современные технологии. 2020. Т. 74. N 9. С. 387–390. EDN: MEGJHI.

3. Зудова М.И., Калиниченко М.В. Гальваническая линия цинкования // Инновационная наука. 2020. N 6. С. 8–10. EDN: DNEXVF.

4. Havrilova A.A., Maizelis A.O. Electrode processes in zinc pyrophosphate electrolyte // Colloquium-Journal. 2022. Vol. 11-1. Р. 52–56. DOI: 10.24412/2520-6990-2022-11134-52-56. EDN: KMWOCW.

5. Немтинов В.А., Матрохин М.А., Немтинова Ю.В., Крылов А.В. Усовершенствование конструкции установки гальванического цинкования мелких деталей черных металлов в насыпном виде // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2020. Т. 26. N 3. С. 472–482. DOI: 10.17277/vestnik.2020.03.pp.472-482. EDN: OVDAVH.

6. Урбанович Н.И., Барановский К.Э., Розенберг Е.В., Ашуйко В.А., Матыс В.Г, Волосюк В.Ф. [и др.]. Анализ способов получения цинксодержащих покрытий с применением отходов производства горячего цинкования // Литье и металлургия. 2021. N 2. С. 87–93. DOI: 10.21122/1683-6065-2021-2-87-93. EDN: FEBWTL.

7. Бервицкая О.С., Наумова А.И., Фукалова Е.В. Исследование электродиализа раствора хлорида цинка // Общество. Наука. Инновации (НПК-2018): сб. статей XVIII Всерос. науч.-практ. конф. (г. Киров, 2–28 апреля 2018 г.). Киров: Изд-во ВятГУ, 2018. Т. 1. С. 255–260. EDN: XRJXRB.

8. Колесников В.А., Вараксин С.О., Павлов Д.В. Очистка сточных вод различных производств с применением наилучших доступных технологий // Чистая вода: проблемы и решения. 2010. N 2–3. С. 50–59. EDN: MVUJYX.

9. Назаров В.Д., Назаров М.В., Вайншток П.Н. Очистка производственных сточных вод электрохимическим методом // Экология и промышленность России. 2014. N 2. С. 18–21. EDN: RVBZFZ.

10. Раева О.В., Шестаков И.Я., Фейлер О.В. Электрохимический способ очистки сточных вод переменным током // Решетневские чтения. 2010. Т. 1. С. 327–328. EDN: UNKJEN.

11. Ковалева О.А., Лазарев С.И., Попов Р.В., Левин А.А. Сравнительное исследование методов электрохимической очистки растворов и сточных вод различных производств // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. N 24. С. 27–31. EDN: KEKMHD.

12. Чеснокова А.Н., Жамсаранжапова Т.Д., Закарчевский С.А., Кулшреста В., Скорникова С.А., Макаров С.С. [и др.]. Влияние содержания цеолита на протонную проводимость и технические характеристики мембран на основе сшитого поливинилового спирта // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. N 2. С. 360–367. DOI: 10.21285/2227-2925-2020-10-2-360-367. EDN: AMJLOB.

13. Павлов Д.В., Вараксин С.О., Колесников В.А. Оборотное водоснабжение промышленных предприятий // Сантехника. 2010. N 2. С. 30–39. EDN: TTDZAN.

14. Лазарев С.И., Долгова О.В., Шестаков К.В. Экономическая оценка применения электродиализного метода с охлаждением растворов в технологической схеме очистки сточных вод гальванических производств // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2024. N 1. С. 100–112. DOI: 10.17277/voprosy.2024.01.pp.100-112. EDN: SNSBCT.

15. Зидан О.Д. Анализ эффективности применения электродиализа и обратного электродиализа в промыш ленности // Современная наука и молодые ученые: сб. статей X Междунар. науч.-практ. конф. (г. Пенза, 23 июня 2022 г.). Пенза: Наука и просвещение, 2022. С. 30–33. EDN: RFERQT.

16. Заболоцкий В.И., Березина Н.П., Никоненко В.В., Шудренко А.А. Развитие мембранных технологий на основе электродиализа в России // Наука Кубани. 2010. N 3. С. 4–10. EDN: UAAZVD.

17. Чепрасова В.И., Залыгина О.С., Марцуль В.Н. Исследование возможности получения пигментов из отработанных электролитов цинкования // Вестник Витебского государственного технологического университета. 2016. N 1. С. 105–116. EDN: WAWFZP.

18. Пашкевич О.Д., Санкевич Н.Л., Лихачева А.В. Отходы гальванического производства как сырьевой ресурс для получения оксида цинка // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. материалов XIII Междунар. науч. конф. аспирантов и студентов (г. Донецк, 16–17 апреля 2019 г.). Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2019. С. 42–45. EDN: ACOJGH.

19. Крылов А.В., Шестаков К.В., Лазарев С.И. Исследование и анализ вольтамперных характеристик мембран в многокомпонентных растворах, содержащих ионы // Фундаментальные и прикладные вопросы электрохимического и химико-каталитического осаждения и защиты металлов и сплавов: тезисы докладов III Междунар. конф., памяти чл.-корр. РАН Ю.М. Полукарова (г. Москва, 26–27 ноября 2024 г.). М.: Изд-во ИФХЭ РАН, 2024. С. 127. EDN: HFUPKM.

20. Шкундина С.E. Определение ионов хлора в сернокислом электролите меднения с помощью иономера и хлоридселективного электрода // Гальванотехника и обработка поверхности. 2008. Т. 16. N 4. С. 54–55. EDN: KOGZGX.

21. Алехина Е.А., Скворцова И.В. Применение ph-метра/иономера в химических лабораториях технопарка Омского государственного педагогического университета // Познание и деятельность: от прошлого к настоящему: материалы V Всерос. науч. конф. (г. Омск, 16 ноября 2023 г.). Омск: Изд-во ОмГПУ, 2023. С. 222–225. EDN: FXVUIM.

22. Филимонова О.С., Хорохорина И.В., Лазарев С.И., Брянкин К.В. Исследования вольт-амперных характеристик в процессе электродеионизационной очистки промышленных растворов от хромсодержащих веществ // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2024. N 2. С. 53–63. DOI: 10.17277/voprosy.2024.02.pp.053-063. EDN: UQFRVO.

23. Kuldeep K., Kauranen P., Pajari H., Pajarre R., Murtomäki L. Electrodiffusion of ions in ion exchange membranes: Finite element simulations and experiments // Chemical Engineering Journal Advances. 2021. Vol. 8. P. 100169. DOI: 10.1016/j.ceja.2021.100169.

24. Lazarev S.I., Abonosimov O.A., Protasov D.N., Shestakov K.V. Mathematical model of electromembrane separation of copper-electroplating production solutions // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2020. Vol. 54, no. 1. P. 208–215. DOI: 10.1134/S0040579519060071. EDN: OXTSLA.

25. Kononenko N.A., Demina O.A., Loza N.V., Dolgopolov S.V., Timofeev S.V. Theoretical and experimental investigation of limiting diffusion current in the systems with modified perfluorinated membranes containing sulfonic acid groups // Russian Journal of Electrochemistry. 2021. Vol. 57, no. 5. С. 505–518. DOI: 10.1134/s1023193521050062. EDN: EKFKYJ.