В современном мире медь и ее сплавы получили распространение благодаря таким свойствам, как высокие электрои теплопроводность, а также хорошие пластичность и коррозионная устойчивость. Почти 50% меди используется в электротехнике, электронике и телекоммуникациях.
Более 30% этого металла идет на изготовление широкого спектра сплавов, применяемых в строительстве (трубопроводная арматура и электропроводка) и автомобилестроении. Ежегодное мировое производство меди составляет величину порядка 16 млн. т, из них примерно 15% меди выпускается из вторичного сырья. Электроника и электротехническая промышленность, потребляющие до 20% производимой меди, используют в основном гальванические процессы.
В Российской Федерации, по оценке специалистов, сегодня существует около 7000 таких цехов (только в Москве более 300 гальванических цехов и участков, производств печатных плат электронной техники). Если залповые сбросы электролитов (отработанные растворы гальванических ванн) утилизируются, то растворы от промывки гальванических изделий просто сбрасываются в канализацию. Их годовой объем исчисляется сотнями миллионов кубометров. Эти растворы содержат до 10% меди, используемой в гальванопроизводстве, и с ними, по разным оценкам, от 2 до 3 тыс. т меди ежегодно идет в окружающую среду. Попадание неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод и других видов отходов, содержащих цветные металлы, в водоемы наносит ущерб хозяйственным и природным объектам не только из-за потерь, которые можно было бы использовать в производстве металлов, но и вследствие огромного негативного воздействия на окружающую среду.
Таким образом, задача глубокой очистки сточных вод от меди имеет не только экологический, но и экономический аспект. Такая технология была разработана во ВНИИ неорганических материалов в конце 80-х гг. и была реализована в виде установки очистки сточных вод производства печатных плат в Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ, Москва). Технология основана на всем известной школьной реакции «железного гвоздя», когда при опускании гвоздя в раствор медного купороса он покрывается слоем металлической меди, а эквивалентное количество железа переходит в водный раствор. Инженерное оформление этого процесса, известного под названием цементация, позволяет, помимо глубокой очистки растворов от меди, получать достаточно чистые медные порошки. Процесс проводится на железных металлосферических порошках, уложенных в виде слоя неподвижной насадки. Подобная насадка обладает свойствами объемного фильтра.
Твердые частички, двигающиеся в извилистых каналах насадки, теряют скорость и адсорбируются на поверхности ее элементов. При движении очищаемого раствора через насадку происходит фильтрация твердых соединений меди, образующихся при цементации меди на железе. Гидродинамические режимы проведения процесса позволяют переводить железо в растворимое двухвалентное состояние, а при последующей аэрации (окислении воздухом) раствора отделять его в виде осадка гидроксида трехвалентного железа. Принципиальная схема установки показана на рисунке 1.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ МЕДИ
Очистка сточных вод от меди проводится двухступенчатым способом. Грубая очистка осуществляется осаждением из раствора гидроксида меди. Произведение растворимости кристаллической гидроокиси равно 2х10-19, однако в присутствии аммиака (компонент растворов щелочного травления меди) двухвалентная медь склонна к образованию растворимых аммиакатов, что не дает возможности достигнуть на этой стадии глубокой очистки. В зависимости от начальной концентрации меди, содержания аммиака и солевого фона раствора остаточная концентрация меди в растворе на этой операции составляет 5–20 мг-л.
Тонкая очистка водного раствора от меди проводится ее цементацией на металлическом железе. В ходе этого процесса железо, расположенное в ряду напряжений металлов левее меди, передает ей 2 электрона, переходя в раствор в виде двухвалентного иона, в то время как медь осаждается в виде металла. В перерабатываемых растворах ввиду их сложного солевого состава протекает целый ряд параллельных реакций, в результате чего осадок представляет собой смесь металлической меди и ее одновалентных и двухвалентных окислов. Осадок скапливается в слое металлосферического порошка и фильтр-цементатор подлежит периодической регенерации. Регенерация проводится обратным током воды с псевдоожижением насадки.
При определенном напоре воды элементы насадки разуплотняются и «взвешиваются» в движущемся потоке, а более мелкий осадок выносится с ним из слоя в виде суспензии, которая направляется на стадию фильтрации гидроксида меди. Растворенное двухвалентное железо проходит через слой насадки и направляется на операцию аэрации, в процессе которой происходит его окисление до трехвалентного состояния. При данных условиях (рН раствора) соединения трехвалентного железа выпадают в гидроксидный осадок, который является коллектором примесей тяжелых металлов, присутствующих в растворе. Так, содержание меди в осадке достигает 1% вес., олова – до 1% вес. и до 1% вес. свинца. По сути, эта операция является третьей ступенью сверхтонкой очистки раствора. Очищенный раствор сбрасывается в канализационную сеть.
Установка по переработке сточных вод производства печатных плат проработала в институте электронных управляющих машин с 1990 по 2006 г. В июле 2006 г. она была демонтирована в связи с остановкой самой линии производства печатных плат. При переработке медьсодержащих сточных вод получались очищенные водные растворы, содержащие не более 50–100 мкг-л меди (ПДК на сброс в природоохранные водоемы — 500 мкг-л), не более 1 мг-л железа, до 1,5 г-л хлорида аммония, до 0,2 г-л ионов натрия, до 0,2 г-л сульфат-ионов. Содержание твердых веществ не превышало 10 мг-л.
В качестве товарного продукта получался осадок гидратированных окислов меди. Содержание железа —до 1% вес. по отношению к меди. Номинальная производительность установки составляла 12 м3-сутки очищенного раствора, и при ее эксплуатации получалось до 2 т-год медного концентрата и до 100 кг-год концентрата железа. Установка размещалась в подвальном помещении института площадью 40 м2 и обслуживалась одним оператором. В 1994 г. на основании опыта, полученного при эксплуатации установки в ИНЭУМе, на АО «Завод «АВТОСВЕТ» (г. Киржач Владимирской области) был пущен ее аналог, который эксплуатируется до настоящего времени.
metallolom 