Мирoвoе cooбщеcтвo давнo ocoзналo катаcтрoфичеcкие пocледcтвия вредных прoизвoдcтв, в т.ч. гальванoтехничеcких. С 1990 гoда в рамках ООН дейcтвует cпециальная прoграмма пo oхране oкружающей cреды oт опаcных технологий. Что делаетcя в этом отношении у наc в Роccии?
Михаил ЛИПКИН, к.х.н.
Поcкольку гальванотехника являетcя уникальной промышленной отраcлью, отказаться от которой в ближайшем будущем не предоставляется возможным, решение ее экологических проблем видится в совершенствовании прежде всего методов очистки в промышленных масштабах. Каковы основные экологические вызовы гальванопроизводства?
Для природы и человека отходы гальванотехники, насыщенные такими особо токсичными тяжелыми металлами и их солями, как ртуть, свинец, цианистые соединение и др., по степени экологической угрозы сопоставимы разве что с радионуклидами. Они даже опаснее, поскольку изотопы имеют периоды полураспада, чего не скажешь о тяжелых металлах.
Вода - всему начало
Гальванические технологии немыслимы без потребления больших объемов воды, которые во время производственных процессов насыщаются тяжелыми металлами, неорганическими кислотами, щелочами, поверхностно-активными веществами и впоследствии отравляют наружные и подземные водоемы высокотоксичными стоками. Учитывая, что вода без преувеличения является «кровью» нашей планеты и основным материалом живой материи, последствия ее необратимого химического загрязнения трудно недооценить.
Собственно, опасности две. Они кроются в самой сущности гальванотехники - в обработке поверхности и промывке деталей. Первая проявляется в особой токсичности электролитов, вторая - в объемах сточных вод. Здесь все предельно ясно: чем ядовитее электролит, тем опаснее его воздействие на экологию. Соответственно, чем больше отходов электрохимического производства, тем больше химикатов попадет в организм человека через продукты, питьевую воду и воздух - невольных потребителей зараженной воды. На этих знаниях строится основная экологическая защита, а на замене особо токсичных электролитов на менее вредные и качественные - водоочистительные мероприятия.
Прежде всего, нужно отказаться от цианистых соединений, а также от электролитов и растворов на базе шестивалентного хрома в пользу трехвалентного. Кроме того, кадмирование надо заменить цинкованием, меднение стали - никелированием (в качестве первого слоя). Что касается загрязнения воды, то наиболее разумным является продление жизни и повторное использование (рекуперация) электролитов и растворов, тем самым уменьшиится объем потребления новых вод.
Кроме технологических мероприятий, следует использовать методы оптимизации электрохимических производств, препятствующие избыточному потреблению электролитов и растворов. Безусловно, строго обязательным является внедрение передовых технологий очистки: противоточной многокаскадной качественной консервации.
Как практический раздел электрохимии гальваника считается вполне оформленным предметом естествознания, а система электролитов и технологических растворов, по мнению ряда ученых, вряд ли претерпит в ближайшее время революционные изменения. Поэтому основные усилия специалистов, работающих в данной области, направлены прежде всего на противодействие загрязнению окружающей среды ионами тяжелых металлов (ИТМ). Современные схемы экологически чистых технологий электрохимических производств базируются исключительно на методах очистки сточных вод, заряженных ИТМ и их производными.
Опасная гальваника содержится в воде в виде:
- взвеси тонкодисперсных суспензий и эмульсий;
- коллоидов и высокомолекулярных соединений;
- органических веществ;
- солей, кислот и оснований.
Все вредные вещества могут находиться в разных фазах, дополняя друг друга, но, как правило, их утилизируют по превалирующему принципу. В зависимости от этого очистка бывает механической, химической, коагуляционно-флотационной, электрохимической, сорбционной, мембранной и биологической.
Методы очистки
Самый распространенный из них - реагентный от ИТМ. Проводится путем перевода ионов в малорастворимые соединения (гидроксиды или карбонаты). Это достигается нейтрализацией сточных вод щелочными реагентами.
В качестве реагента используют и железосодержащие растворы. Метод получил название ферритного. Здесь очистка сточных вод основана на сорбции ИТМ магнитными гидроокисями железа и образовании ферритов.
В последнее время наибольшую популярность приобретают электрохимические методы. Это принцип - «выбить клин клином», т.е. очистить электрохимическим и/или мембранным способом (электролиз, электродиализ, электрофлотация).
Метод, на котором нужно акцентировать внимание, - электрокоагуляция, которая, как правило, используется для очистки хромосодержащих сточных вод. Она основывается на физико-химических процессах, протекающих в жидкости под действием электрического тока.
Те же самые процессы свойственны и гальванокоагуляции. Ее принципиальное отличие заключается в способе ведения ионов железа в очищаемый сток. Коагуляция происходит за счет разности электрохимических потенциалов железа и кокса/меди, через смесь которых пропускают сточные воды.
Следующим методом является ионообменная чистка. Метод эффективен для удаления из вод солей тяжелых металлов, щелочных и щелочноземельных металлов, минеральных кислот и щелочей. Для этого используют гранулы синтетических ионообменных смол, в составе которых имеется подвижный ион (катион или анион).
В обзоре следует упомянуть о методе электрофлотации, основанном на взаимном «слипании» пузырьков газа, получаемого электролитическим способом, с частицами загрязнения.
Интересным представляется также метод обратного осмоса и ультрафильтрации. Он основан на уникальной способности воды проникать через полупроницаемые мембраны в растворы или сточные воды электрохимических производств. Со стороны воды возникает осмотическое давление, которое выдавливает молекулы воды через мембрану в раствор, увеличивая его уровень в сопредельной емкости. После достижения равновесия между давлением воды и уровнем раствора возникает равновесие. Но стоит к раствору приложить избыточное давление - и возникает эффект обратного осмоса, приводящий к тому, что вода удаляется из сточных вод, а в стоках концентрируются ИТМ.
Данный метод очистки действует как в обратноосмотических (гиперфильтрационных), так и ультрафильтрационных установках.
Оборудование
Отрадно отметить, что у нас в России системы и оборудование для экологической защиты гальванотехнических производств выпускаются довольно активно. Существуют различные ионообменные смолы и конструкции очистки вод гальванических производств. Из отечественных предприятий, серийно выпускающих ионообменные фильтры, можно выделить таганрогское ОАО «ТКЗ “Красный котельщик”» и ОАО «Бийский котельный завод».
Кроме того, функционирует транснациональный экологический проект на базе ГУП «Технопарк РХТУ имени Д.И. Менделеева». Его задачей является разработка и внедрение инновационных технологий очистки сточных вод промышленных предприятий. В частности, именно здесь был разработан электрофлотатор, способный обеспечить надежную и качественную очистку сточных вод электрохимических производств от ИТМ.
Но, безусловно, своеобразным монополистом в области проектирования и производства гальванотехнического оборудования, в т.ч. и систем его экологической безопасности, у нас является ОАО «Тамбовгальванотехника имени С.И. Лившица». Надо отдать должное, что накопленный опыт позволяет предприятию делать востребованное на мировых рынках оборудование. Например, комплекс очистки сточных вод производительностью 1 - 12 м³/час, хорошо зарекомендовавшие себя модули обезвреживания шестивалентного хрома и ионообменной доочистки, а также установка обезвоживания шлама.
Уделяется внимание и западным производителям экологических систем гальванотехники.В России широко известны такие фирмы, как COVENTYA, FEB Galvanotechnik, Kovo–Finisch, Canning, EFCO и Sugil.
Пример конвенции
К решению проблем экологии, что тоже отрадно, подключаются наши оборонные предприятия, имеющие большой производственный и научный потенциал. В качестве примера – ОАО «Ижевский электромеханический завод “Купол”», которое входит в состав ОАО «Концерн ПВО “Алмаз-Антей”», производящего системы противовоздушной обороны в России. Добавим, что одними из направлений деятельности «Купола» стали разработка и внедрение проектов очистных сооружений промышленных предприятий.
Предприятие строит их концепцию на основе комплексной технологии очистки, берет на себя проектирование технологического оборудования, в т.ч. нестандартного, разработку автоматизированной системы управления технологическим оборудованием, осуществляет пусконаладочные работы. Вот краткое описание технологической схемы очистных сооружений от ижевского оборонного разработчика.
Промывные сточные воды гальванического производства поступают в накопитель. Сбор щелочных, кислых и хромсодержащих концентрированных сточных вод производится отдельно, после чего концентраты смешиваются в определенной пропорции, при необходимости нейтрализуются и поступают в смеситель-усреднитель. Туда же подается часть промывных стоков, имеющиеся на предприятии предварительно очищенные отработанные смазочно-охлаждающие жидкости и другие органосодержащие отходы. Из смесителя-усреднителя сточные воды поступают в биотенк, представляющий собой герметичный аппарат, в котором на загрузке иммобилизована специализированная культура сульфатвосстанавливающих бактерий.
Сульфатредукторы способны в анаэробных условиях восстанавливать сульфаты до сероводорода, одновременно окисляя органические вещества и разрушать фосфаты, нитраты и ионы аммония. Насыщенные сероводородом сточные воды из биотенка подаются вместе с частью промывных стоков в реактор биохимической очистки, где сероводород реагирует с растворенными ионами металлов и образует нерастворимые сульфиды. Поскольку растворимость большинства сульфидов металлов намного ниже по сравнению с гидроксидами металлов, в очищенной сточной воде достижимы очень низкие концентрации металлов.
Для удаления осадка, содержащего сульфиды металлов, стоки поступают в отстойник, оборудованный тонкослойными модулями. Осветленные сточные воды подвергаются озонированию с целью обеззараживания и дезодорации, а также для дополнительного окисления остатков органических веществ.
Очищенные сточные воды сбрасываются в систему городской канализации. В случае необходимости в устройства оборотного водоснабжения дополнительно вводятся стадии тонкой фильтрации и ультрафильтрации. Отделенный осадок собирается в уплотнителе осадка и обезвоживается механическим способом, после чего направляется на утилизацию или вывозится в места складирования.
Преимуществом системы является эффективная очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов без введения дополнительных реагентов. Сюда же относятся снижение на 65 - 70% общего солесодержания сточных вод, возможность использования сточных вод в оборотном водоснабжении предприятия, а также низкая растворимость осадка, что облегчает его дальнейшую обработку.
