Технология очистки сточных вод гальванического производства

Введение

В последние годы существенно обострились проблемы, связанные с загрязнениями воды. Кардинальное решение проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов и производств.
Причинами сброса концентрированных растворов в гальваническом производстве являются: накопление в электролитах посторонних органических и неорганических примесей; нарушение соотношения основных компонентов гальванических ванн; накопление в электролитах продуктов разложения некоторых веществ раствора; механические примеси; выработка основных веществ и т.п. Это выводит проблему утилизации отработанных электролитов (или их регенерации), промывных и сточных вод гальванических производств на одно из первых мест.
Целью работы является изучение технологии очистки сточных вод при гальваническом производстве, в частности при химическом никелировании.
Для выполнения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Подобрать литературу по данной теме;
Изучить процесс химического никелирования;
Дать краткую характеристику сточных вод гальванических производств;
Рассмотреть основные методы очистки сточных вод при химическом никелировании.


1 Химическое никелирование

Химическое никелирование заключается в окунании покрываемого изделия в водные растворы, которые содержат восстановитель (гипофосфат натрия) и соли металла.
После этого на поверхности изделия высаживается слой металла, которые представляет собой сплав никеля с фосфором. После термической обработки изделия никелевое покрытие обретает высокую твердость, плотность, износостойкость и антикоррозионную стойкость.
Покрытие, получаемое химическим никелированием, отличается равномерностью слоя, отсутствием пористости и достижением значительной толщины.
Химическое никелирование применяют в основном для придания изделию антикоррозионных свойств и увеличения износостойкости.
Никелированию подвергаются нержавеющие стали, изделия из алюминия, цветных металлов, металлокерамики и керамики, титановые сплавы и многие другие.
Покрытие никелем изделий состоит из нескольких этапов:
Подготовка поверхности;
Собственно химическое никелирование;
Обработка изделия после никелирования.
В пунктах 1.1-1.3 будут подробно рассмотрены эти этапы.

Теория процесса никелирования
Механизм восстановления ионов никеля с помощью гипофосфита натрия Na(PH2O2) носит электрохимический характер, при этом на поверхности катализатора протекают анодная стадия окисления восстановителя и катодная стадия восстановления никеля и водорода.
Анодная стадия окисления гипофосфита – реакция взаимодействия гипофосфита натрия с водой.
Суммарная реакция взаимодействия гипофосфита натрия с водой соответствует уравнению:
Н2РО2- + Н2О → Н2РО3- + Н2
Если в растворе присутствуют ионы никеля, то электроны восстанавливают их до металла:
Ni2+ + 2е → Ni
При использовании щелочных растворов:
2NiCl + Na(PH2O2) + Н2О → 2Ni + NaН2РО3 + 2HCl + Н2
При использовании кислых растворов:
NiSO4 + Na(PH2O2) + 2Н2О → Ni + 2NaН2РО3 + Н2SO4 + Н2
Т.е. восстановление никеля сопровождается выделением водорода, образующимся из связи Р–Н.
Одновременно с восстановлением ионов никеля происходит восстановление анионов гипофосфита натрия до элементарного фосфора и восстановление ионов водорода [1].
Протекание этой реакции может быть представлено уравнением:
Н2РО2- + е → Р + 2ОН-

1.1 Подготовка поверхности перед никелированием
Подготовку поверхности начинают с механической очистки поверхности изделия. Механическая обработка используется для удаления с деталей царапин, неровностей, раковин.
Существует несколько способов механической обработки поверхности. К ним относятся:
Шлифование – осуществляется при помощи мелких зерен абразивных материалов для снятия с поверхности тонкой стружки;
Полирование – применяется для получения блестящей поверхности и удаления мельчайших неровностей;
Галтовка – осуществляется при помощи абразивных или полирующих материалов (например, песок) в специальных барабанах для удаления с поверхности изделия загрязнений, неровностей, заусенцев;
Пескоструйная обработка – заключается в очистке поверхности с помощью струи песка, подаваемой с большой скоростью. Данный способ применяется для удаления окислов, окалин, старых покрытий, если невозможны другие методы обработки.
После механической обработки изделия обезжиривают [2]. В качестве обезжиривателей используют органические растворители (керосин, бензин, четыреххлористый углерод), химические обезжириватели (разбавленные щелочи, ПАВ).
В результате обезжиривания с поверхности удаляются различные жировые и масляные загрязнения.
Для удаления остатков обезжиривающих веществ, продуктов коррозии и окисных соединений с поверхности после обезжиривания проводят травление. Для этого изделие опускают в раствор гидроксида натрия на 30…60 секунд или в раствор концентрированной серной кислоты на 2…3 минуты [3].
Завершающий этап подготовки покрытия к никелированию – активирование, т.е. удаление с поверхности тонких окисных пленок.
Активирование осуществляют погружением изделий в раствор соляной или серной кислот до 1 минуты.

1.2 Процесс химического никелирования
Химическое никелирование заключается в погружении изделий в раствор, нагретый до 90…95 °С

. Используют щелочные и кислые растворы, в зависимости от требований к покрытию. Чаще всего применяют щелочные растворы. Это связано с тем, что щелочные растворы уменьшают этап подготовки детали к покрытию, обладают длительным сроком службы и не обладают явлением саморазряда.
К основным компонентам кислого раствора относятся сернокислый никель, натрий уксуснокислый, гипофосфит натрия, уксусная кислота и тиомочевина. Применение кислого раствора дает более гладкую поверхность изделия, высокую твердость и небольшую пористость [3].
К основным компонентам щелочного раствора относятся никель хлористый, гипофосфит натрия, хлористый аммойник и аммиак. Щелочной раствор используют для более прочного сцепления никеля с поверхностью.
Покрытие никелем осуществляется в специальных корзинах из нержавеющей стали или с помощью подвешивания изделий в ванне (с объемом до 12 л).
Продолжительность никелирования определяется желаемой толщиной покрытия. В процессе периодически встряхивают детали один раз в минуту [4].
Процесс отложения никеля на поверхность изделия интенсивно протекает в первые 30 минут и практически прекращается после 60 минут. Если необходимо получить слой никеля большой толщины, то процесс прерывают на 50…55 минут, тщательно промывают изделие, декапируют в концентрированном растворе соляной кислоты, затем повторно промывают водой и погружают в раствор для химического никелирования.

1.3 Обработка изделий после покрытия
После никелирования изделия достают из ванны, промывают струей холодной воды, просушивают на воздухе или в сушильном шкафу и подвергают термической обработке [5].
Термическая обработка осуществляется в течение 15…20 минут при температуре до 400 ℃. В результате чего на изделии образуется тонкая окисная пленка, которая будет защищать от окисления. Повышается твердость покрытия (НRC) до 58.


2 Сточные воды гальванических производств

При гальваническом производстве в сточную воду попадают около 400 наименований всевозможных материалов [6], которые используются при нанесении покрытий, так как вода является необходимым компонентом практически всех операций в гальваническом производстве, связанных с нанесением покрытий: подготовки поверхности, приготовления и корректировки электролитов, профилактики оборудования, мойки готовых изделий и производственных площадей.
Количество потребляемой воды зависит от мощности производства, вида наносимых покрытий, применяемого оборудования и эффективности ее использования [6, 7].
Гальваническое производство неразрывно связано со значительным сбросом отработанных промывных вод.
Цеха, занимающиеся гальваническим нанесением можно разделить на три группы:
1 – цеха на основе линий из стационарных ванн ручного обслуживания;
2 – цеха на основе наиболее ресурсосберегающих автоматизированных линий;
3 – цеха, имеющие автоматизированные и механизированные линии, и стационарные ванны.
Первая группа цехов расходует завышенное количество воды. Концентрация загрязнений в сточных водах первой группы минимальна.

Вторая группа расходует небольшое количество воды, но сточная вода в этой группе обладает максимальной концентрацией загрязнений. Третья группа цехов занимает промежуточное положение между первой и второй группой.

Физико-химические показатели сточной воды

Все сточные воды, полученные при гальваническом производстве можно разделить на три основные группы:
хромосодержащие сточные воды – воды, образующиеся при промывке деталей после нанесения хрома и после пассивирования деталей в растворах, содержащих бихроматы К или Na;
цианистые сточные воды – эти воды образуются при промывке деталей после нанесения покрытий из растворов, содержащих цианиды К или Na;
кислото-щелочные сточные воды – образуются при промывке деталей после травления, обезжиривания, нанесения покрытий, эти стоки содержат ионы тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni, Fe и др.).
Cточные воды на гальваническом производстве можно классифицировать по концентрации растворенных веществ:
малоконцентрированные сточные воды (100…200 мг/л);
высококонцентрированные (до 250 г/л).
Высококонцентрированные сточные воды представляют собой отработанные растворы и электролиты. Основным компонентом сточных вод гальванических производств являются промывные воды, которые в больших количествах используются в производстве.


Промывка при производстве связана с [6-9]:
возникновением остаточных концентраций веществ, которые переносятся деталями из одной ванны в другую, это не должно ухудшать работоспособность каждой технологической ванны;
необходимостью доведения концентрации веществ до такой остаточной концентрации на поверхности детали, при которой химикаты не окажут негативного воздействия на свойства покрытия.
При установке ванны улавливания после технологической ванны снижается объем промывной воды