Электрообработка в технологиях очистки воды

Электрообработка в технологиях очистки воды

Шаляпина Анна Ивановна

ООСз-09

Руководитель:

Воробьева Сима Васильевна

• Введение
• 1. Методы очистки воды
• 2. Очистка воды методом электрокоагуляции
• 3. Очищение от загрязнений методом электрокоагуляции
• 4. Электрокоагуляция как технологический процесс
• 5. Процессы при электрокоагуляции
• 6. Конструкции электрокоагуляторов
• 7. Расчет электрокоагулятора
• 8. Эксплуатационный расчет установок
• Заключение
• Библиографический список
• очистка вода электрокоагуляция технологический

Быстрый рост промышленного и сельскохозяйственного производства и транспорта в последние десятилетия привел к загрязнению биосферы газообразными, жидкими и твердыми отходами. Загрязнение воздушного и водного бассейнов, ущерб, наносимый животному и растительному миру, нерациональное использование природных ресурсов вызывает серьезную озабоченность у общественности всех стран.

Вода является основной составляющей жизни на нашей планете. Можно несколько недель прожить без еды, но без употребления воды человек умирает через несколько дней. В современной экономической жизни вода имеет важное значение для сельского хозяйства, промышленности, производства электроэнергии, транспорта. Поэтому рациональное использование водных ресурсов нашей планеты, защита их от истощения и загрязнения являются одной из главнейших задач во всех технически развитых странах мира.

При выпуске в промышленном производстве продукции разнообразного ассортимента в сточных водах накапливаются различного рода примеси: взвеси в виде тонкодисперсных суспензий и эмульсий; коллоидные и высокомолекулярные соединения; органические вещества; металлы, соли, кислоты, основания. Для каждой из групп примесей существуют свои наиболее эффективные методы очистки.

Прогрессивным направлением в технологии водоподготовки и очистки сточных вод и технологических растворов является разработка и внедрение электрохимических способов, которые находят широкое применение как альтернативные в том случае, если традиционные способы механической и реагентной обработки воды оказываются недостаточно эффективными или не могут быть использованы из-за дефицита производственных площадей, сложности доставки и использования реагентов, либо по другим причинам. Электрохимические способы позволяют корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, концентрировать и извлекать из нее ценные химические продукты и металлы, обеспечивать глубокую минерализацию органических загрязнений, обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки.

Во многих случаях электрохимические способы являются экологически чистыми, исключающими «вторичное» загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных способов. Кроме того, электрообработка при правильном сочетании ее с другими способами позволяет успешно очищать природные и сточные воды от примесей различного состава и дисперсности до уровня ПДК. Многие технические решения, положенные в основу разработок, являются ноу-хау. Степень очистки сточных вод от взвешенных веществ составляет более 99%, от других загрязнений — 90−97%. Электрохимическая технология является практически безотходной и обеспечивает глубокую очистку промышленных сточных вод от лимитирующих загрязнений, что позволяет использовать очищенные воды повторно.

1. Методы очистки воды

Способов, которыми можно очистить воду, несколько. Какие же из них необходимо использовать для того, чтобы эффективно очистить воду для питьевых целей? Чтобы дать правильный ответ на этот вопрос, необходимо в каждом конкретном случае знать, от чего воду придется чистить. Это можно узнать с помощью химического и бактериологического анализов, однако, как правило, подобные анализы достаточно дороги, и в ряде случаев можно обойтись и без них. Далее будут рассмотрены наиболее распространенные способы очистки воды.

Надо отметить, что в большинстве случаев доочистка воды фильтром осуществляется не одним способом, а их сочетанием. Именно такой комплексный подход дает наилучшие результаты.

Существуют следующие методы очистки воды:

а) механическая фильтрация — самый простой способ очистки воды. Механическая очистка воды обеспечивается улавливанием частиц нерастворенных веществ за счет разницы размеров самих частиц и каналов фильтра, по которым протекает очищаемая вода. Проще говоря, вода проходит через своеобразное «сито» .

Размер частиц, задержанных фильтром, определяется диаметром каналов в материале водоочистителя, по которым протекает вода (то есть размерами отверстий в «сите»).

Например, колонки, заполненные гранулированным активированным углем с диаметром гранул 0,1−1 мм (100−1000 микрон), способны эффективно задерживать частицы примерно такого же размера. Большая часть нерастворенных в воде частиц имеет гораздо меньший — 0,1−20 микрон — размер. Правда, микроорганизмы не задерживаются при механической фильтрации, так как их размер — 0,4−3 микрона.

Механическая фильтрация широко применяется на муниципальных станциях водоочистки. Этот вид очистки особенно актуален при заборе воды из открытых источников: рек, озер, водохранилищ. В городских квартирах механическая фильтрация представлена использованием предфильтров (фильтров предварительной очистки).

б) сорбция, сорбенты, сорбционные фильтры. Сорбцией называют поглощение примесей из газа или жидкости твердыми телами, которые называют сорбентами.

Процесс сорбционной очистки состоит в пропускании газа или жидкости через сосуд, заполненный сорбентом — сорбционный фильтр. Если режим фильтрации и сорбент выбраны правильно, то достигается желаемый результат — удаление из газа или жидкости вредных примесей. Именно так работают противогазы и фильтры для воды.

Не будет сильным преувеличением сказать, что сорбционные фильтры — это в первую очередь угольные фильтры. Активированные угли — наиболее широко используемые сорбенты, производимые миллионами тонн в год. Это универсальные сорбенты, применяемые для удаления примесей самой различной химической природы.

Активация позволяет получить сорбент с площадью пор около 1000−1500 квадратных метров на 1 грамм угля. Эти чрезвычайно высокие величины и объясняют необычайно высокую эффективность активированных углей.

в) ионный обмен — это специфический случай сорбции заряженных частиц (ионов), когда поглощение одного иона сопровождается выходом в раствор другого иона, входящего в состав сорбента. При этом ион, присутствие которого в воде нежелательно, фиксируется на сорбенте. Таким образом, происходит «замещение» одних ионов (назовем их «вредными») на другие (назовем их «безвредными»).

Сорбенты, работающие по такому механизму, называются ионообменными материалами или ионитами. Иониты способны извлекать из воды одни растворенные соли, замещая их другими солями (например, соли кальция и магния могут заменяться на соли натрия). Чаще всего в процессе водоочистки ионный обмен используется для удаления из воды катионов тяжелых металлов (например, свинца), представляющих опасность для здоровья человека, а также для избавления от нитратов.

Еще одно из применений ионитов — умягчение жесткой воды, то есть удаление из воды избыточного содержания ионов кальция и магния. Существенной характеристикой ионообменных смол является их обменная емкость, то есть способность «заместить» определенное количество «вредных» ионов. Одно из главных свойств ионообменных смол - это их способность к регенерации после исчерпания «ресурса» .

г) обратный осмос — это очистка воды при помощи обратноосмотической мембраны. Вода при таком способе очистки пропускается через мембрану (своеобразное «сито»), поры которой пропускают воду, но не пропускают растворенные в ней примеси (правда, установка не пропускает никакие примеси — ни вредные, ни полезные). Система обратного осмоса позволяет получать воду очень высокой степени очистки (близкую к дистиллированной). Обратным осмосом можно удалять из воды даже одновалентные ионы, например, ионы натрия и хлора. Обратноосмотические установки обязательно должны содержать активированный уголь, так как сама мембрана не задерживает низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа) и бактерии. Качество воды, профильтрованной такой установкой, стабильно.

д) электрохимическая очистка — основана на сложных окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят в воде при воздействии на нее сильного электрического тока и приводят к образованию так называемой «живой» и «мертвой» воды.

Этот способ экономичен, так как позволяет достигнуть высокой производительности при небольших затратах.

Электрохимическая очистка распространена в России, но не применяется в быту на Западе (используется только для промышленной очистки, но не для очистки питьевой воды).

Электрохимическая очистка действительно позволяет очистить воду от всех микроорганизмов. Но при этом разрушается также часть органических веществ. Кроме того, поскольку точный состав исходной воды неизвестен, никто не знает, как при воздействии на эту воду сильного электрического тока содержащиеся в ней вещества прореагируют между собой. В результате этих реакций могут получиться совсем «несъедобные» соединения.

е) дистилляция — менее распространенный вид очистки воды. В дистилляционных системах вода сначала испаряется, а затем конденсируется. То есть, дистилляция — процесс очистки жидкостей, заключающийся в испарении жидкости с последующей конденсацией пара. При этом происходит разделение жидких многокомпонентных смесей на отличающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и конденсации образующихся паров.

Методом дистилляции можно отделить жидкость от растворенных в ней твердых веществ или жидкостей с сильно отличающимися температурами кипения. Дистиллированная вода относительно чистая, но процесс дистилляции достаточно дорог.

Дистилляционные системы также должны обязательно содержать активированный уголь, так как нет другого способа убрать низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа).

В данной курсовой работе будет рассмотрен один из электрохимических методов обработки воды — электокоагуляция.

2. Очистка воды методом электрокоагуляции

Грязная вода представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, включающую грубодисперсные, коллоидные, молекулярные и истинно растворённые вещества. Кроме того, вода является электролитом, так как растворённые в ней газы, минеральные и органические вещества в той или иной степени диссоциированы на ионы, а коллоидные и взвешенные включения в большинстве случаев несут определённый заряд.

При погружении в воду электродов и подаче на них напряжения достаточной величины наблюдается перенос электрических зарядов движущимися к электродам ионами в обрабатываемой жидкости и электронами во внешней цепи, то есть появляется электрический ток (ток коагулирования). При этом на поверхности электродов и в межэлектродном пространстве протекают разнообразные электрохимические процессы.

В случае применения металлических электродов, электродный процесс сопровождается совокупностью электрохимических явлений и реакций, скорость которых, согласно законам электрохимической кинетики, определяется общим значением потенциала на границе металл-раствор, составом раствора и условиями диффузии компонентов или продуктов реакции в растворе. В результате электролиза на катоде происходит выделение газообразного водорода, разряд растворённых в воде ионов и органических веществ с образованием новых соединений и ионов.

На анодах из материалов, не подвергающихся электролитическому растворению, в зависимости от солевого состава сточных вод и условий электролиза выделяются кислород и галогены, окисляются некоторые присутствующие в сточных водах ионы и органические соединения с образованием новых веществ и ионов. При использовании анодов из железа, алюминия, титана и других металлов происходит их электролитическое растворение и переход в сточную воду ионов этих металлов. Образовавшиеся соединения обладают способностью к коагуляции.

Таким образом, при электролизе загрязнённых вод протекают различные физико-химические процессы, обусловливающие эффект очистки данных вод от растворённых и диспергированных примесей.

Электрохимические способы очистки условно можно разделить на способы, в которых электроэнергия используется для создания газовых пузырьков (электрофлотация), или для образования в массе жидкости гидроксидов металлов с высокоразвитой поверхностью (электрокоагуляция), или для электрохимических превращений веществ, приводящих к образованию малотоксичных и легко удаляемых соединений (электрохимическая деструкция). Деление это условное, т.к. в процессе электрофлотации возможно частичное растворение анодов с образованием гидроксидов и, как следствие, коагуляция присутствующих в исходной воде коллоидов. Данный процесс может приводить к дополнительной очистке воды за счёт адсорбционной способности образовавшегося геля (хлопьев). В процессе электрофлотации не исключены также процессы окисления и восстановления некоторых загрязнений. С другой стороны, процесс деструкции органических соединений всегда сопровождается обильным газовыделением, что приводит к частичному переносу загрязняющих веществ в поверхностный слой. Электрокоагуляция также всегда сопровождается и флотацией, и восстановлением — окислением примесей или, как в нашем случае, синтезом веществ, имеющих свойства, отличные от свойств первоначальных загрязнений. Существенным преимуществом метода электрохимического окисления и восстановления является то обстоятельство, что для проведения реакции не требуется введения в раствор дополнительных химических реагентов, а достаточно лишь применения электрического тока, следовательно, исходное солесодержание очищаемой воды остаётся неизменным.

В курсовой работе рассмотрена электрокоагуляционная обработка, в максимальной степени сочетающая преимущества электрофлотации и деструктивного синтеза. Очистка загрязнённых вод методом электрокоагуляции основана на электролизе с использованием металлических (железных или алюминиевых) анодов, подвергающихся электрохимическому растворению. Вследствие растворения металлов, вода обогащается соответствующими ионами, образующими затем в нейтральной или слабощелочной среде гидроксид соответствующего металла, который и является собственно коагулянтом. В результате названного процесса, осуществляется коагуляция (укрупнение) загрязняющих воду веществ, аналогично обработке воды соответствующими солями алюминия или железа. Однако, в отличие от применения солевых коагулянтов, вода не обогащается сульфатами или хлоридами, концентрация которых в очищенной воде лимитируется, как при её сбросе в природные водоёмы, так и при использовании в системах промышленного или бытового водоснабжения.

В качестве побочного процесса происходит анодное выделение кислорода или хлора. Полученные газы (кислород и хлор) окисляют присутствующую в исходной воде органику. Данный процесс является химическим окислением, хотя окислитель получен электрохимическим способом.

При электрокоагуляции загрязнённых вод, содержащих тонко диспергированные примеси, проистекают и другие электрохимические, физико-химические и химические процессы, а именно:

а) электрофорез — движение взвешенных в воде частиц, пузырьков газа и коллоидных частиц под действием внешнего электрического тока;

б) катодное восстановление растворённых в воде органических и неорганических веществ, или их химическое восстановление, а также образование катодных осадков металлов;

в) химические реакции между ионами металлов, образующихся при электролитическом растворении металлических анодов, и некоторыми содержащимися в воде ионами. В результате этих реакций образуются нерастворимые в воде соли, выпадающие в осадок;

г) флотация твёрдых и эмульгированных частиц пузырьками водорода, выделяющегося на катоде. Кроме того, происходит адсорбция ионов и молекул растворимых примесей, а также частиц, эмульгированных в воде на поверхности гидроксидов металлов, которые обладают значительной сорбционной способностью, особенно в момент их образования.

За время прохождения загрязнённой воды через электрокоагулятор происходит её электрообработка, за счёт чего содержащиеся в воде загрязняющие вещества выпадают в осадок совместно с полученными хлопьями (гидроокисями). Для полного осаждения хлопьев, как правило, достаточно двух — трёх часов.

3. Очищение от загрязнений методом электрокоагуляции Очистка воды методом электрокоагуляции основана на электролизе с использованием металлических (стальных или алюминиевых) анодов, подвергающихся электролитическому растворению под воздействием электрического поля. Метод электрокоагуляции технологически достаточно прост и эффективен — его используют для удаления из воды неорганических и органических загрязнений — тяжелых металлов, хроматов, фосфатов, тонко диспергированных примесей, эмульгированных масел, жиров и масел и нефтепродуктов, органических взвесей и т. д.

Рисунок 1 показывает зависимость выхода алюминия по электрическому току от температуры обрабатываемой воды.

На рисунке 2 представлена схема движения воды по межэлектродным каналам.

Рисунок 2 — Схема движения воды по межэлектродным каналам (а — параллельное, б — лабиринтное) Сама по себе электрокоагуляция всех вопросов не решает, но играет ключевую роль при комплексном подходе к очистке воды.

Перед электрокоагуляцией через насос-дозатор в общий поток подается окислитель, расходы которого незначительны, при этом происходит первичное окисление различных загрязнений.

Вторичное окисление проистекает непосредственно в электрокоагуляторе. В процессе электрокоагуляции, проводимой при переменном давлении, появляются очень мелкие, буквально микроскопические пузырьки, заполняющие собой всё межэлектродное пространство. Поскольку процесс окисления происходит диффузионно — через стенку пузырька, то их малый размер и обилие многократно интенсифицируют названный процесс, так как, в этом случае, основным является величина суммарной поверхности раздела фаз.

Третичное окисление происходит в отстойниках, где продолжается процесс дегазации, но уже как остаточное явление. Образовавшиеся продукты окисления достаточно плохо осаждаются при традиционных технологиях, но при коагулировании проистекает интенсивное хлопьеобразование и выделение продуктов окисления в осадок совместно с полученными хлопьями. Затем вода подаётся на осветление (фильтрация через зернистую загрузку). После чего с помощью последовательного использования сорбента и катионита происходит удаление из воды остаточных загрязнений. На выходе очищенная вода подвергается ультрафиолетовому облучению.

В случаях значительного биозагрязнения исходной воды, на входе очистной системы предусмотрено наличие второго насоса-дозатора, предназначенного для введения дополнительного окислительного агента. Данный насос подключается по мере необходимости, если в исходной воде наблюдается значительное увеличение концентраций загрязняющих веществ.

4. Электрокоагуляция как технологический процесс

Электрокоагуляция — коагуляция (оседание) высокодисперсных коллоидных частиц и взвесей в виде гидроокисей металлов (алюминий, железо), генерируемых электрическим током за счет растворения металла анода (алюминиевого или железного) и воздействия постоянного электрического тока, который вызывает электролитическую диссоциацию растворенных в воде солей, а также селективное взаимодействие образующихся ионов с образованием и выпадением в осадок в виде нерастворимых гелей. Вследствие растворения анодов вода обогащается соответствующими катионами металлов, образующими затем в нейтральной и слабощелочной среде гидроокисью алюминия или гидрозакисью железа, которая под воздействием растворенного в воде кислорода переходит в гидроокись железа. Гидроокиси металлов обладают повышенной коагуляционной активностью и сорбционной способностью, что обеспечивает эффективную коагуляцию дисперсных примесей с участием продуктов электролиза.

Наряду с электрокоагуляцией при наложении электрического поля происходит также: электролиз воды; поляризация коллоидных частиц; движение заряженных частиц в электрическом поле (электрофорез); окислительно-восстановительные процессы; химические реакции между ионами Аl3+ или Fe2+, образующимися при электролитическом растворении металлических анодов и некоторыми содержащимися в воде ионами (S2-, РO43-); взаимодействие продуктов электролиза друг с другом; флотация твердых частиц пузырьками газообразного водорода, выделяющегося на катоде; сорбция ионов и молекул растворенных примесей на поверхности гидроксидов железа и алюминия, обладающих значительной сорбционной способностью.

Различают электростатическую, электрохимическую и гальваническую коагуляцию. Электростатическая коагуляция протекает за счет поляризации коллоидных частиц под влиянием внешнего электрического поля и слипания образовавшихся диполей. При этом возможно применение, как постоянного поля, так и пульсирующего и знакопеременного. Для электростатической коагуляции требуются очень большие напряженности электрического поля, около 10−30 кВ/м, поэтому этот метод в водообработке сточных вод используется мало. Разновидностью электростатической можно считать электроконтактную коагуляцию, которая возникает при фильтровании воды в электрическом поле. В этом случае возможна частичная поляризация гидратированных ионов и коллоидных частиц под действием электрического поля с последующей коагуляцией диполей. Однако необходимые для коагуляции коллоидных частиц напряженности электрического поля очень велики, и этот способ применяется, в основном, для очистки обессоленных вод.

Электрохимическая коагуляция протекает за счет электролиза воды и изменения значения рН и окислительно-восстановительного потенциала в объеме воды вблизи электродов. Электролиз производится с нерастворимыми электродами при электрическом напряжении на электродах, превышающем потенциал разложения воды (1,22 В).

Гальваническая электрокоагуляция протекает за счет электрохимического растворения в воде металлических электродов. В качестве материала электродов используют алюминий или сталь.

Механизм электрокоагуляции последовательно включает в себя следующие стадии: электрофоретическое концентрирование (направленное движение заряженных частиц примесей и концентрирование их у поверхности электродов); растворение электрода и образование гидроокисей металлов; поляризационная коагуляция дисперсных частиц; упаковка первичных агрегатов по мере накопления частиц гидроокисей; флокуляционная коагуляция; флотация образовавшихся агрегатов пузырьками газов.

На процесс электрокоагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее температура и солевой состав, напряжение, сила и плотность электрического тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на анодное растворение металла уменьшается. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1 г железа составляет 2,9 Вт*ч, а 1 г алюминия — 2 Вт*ч.

Степень использования металла электродов составляет 50−90% и зависит от конструкции коагуляторов, материала анода и состава обрабатываемой воды.

Электрокоагуляцию рекомендуется проводить в нейтральной или слабощелочной среде содержащей не менее 20% хлористых солей (от общего солесодержания) и не более 75% гидрокарбонатов и сульфатов, вызывающих пассивацию электродов, при плотности электрического тока не более 10 А/м2, расстояния между электродами не должны превышать 20 мм, а скорости движения воды — не менее 0,5 м/с.

При наличии в воде больших количеств катионов Са2+ и Mg2+ и невозможности добавления к ней хлоридов в качестве катодного материала следует использовать нержавеющую сталь и не производить смену полярности электродов. Продолжительность электрообработки воды определяется свойствами загрязнений и в среднем может изменяться в пределах одной-пяти минут. Учитывая малое расстояние между электродами и возможность засорения электродного пространства, сточные воды перед электрокоагуляцией целесообразно подвергать механической сорбции от крупно диспергированных загрязнений.

На рисунке 3 представлены схемы электрокоагуляционных установок, а на рисунке 4 показана схема электрокоагулятора-флотатора.

Рисунок 3 — Схемы электрокоагуляционных установок (а — с последующим отстаиванием, б — с последующим фильтрованием, в — с последующей флотацией; 1 — электродная камера, 2 — отстойник, 3 — промежуточный бак, 4 — насос, 5 — фильтр, 6 — флотационная камера) Рисунок 4 — Схема электокоагулятора-флотатора (1 — камера электрокоагуляции, 2 — камера электрофлотации, 3 — электокоагулятор, 4 — электроды для электрофлотации (графитовый анод и сетчатый катод), 5 — электрофлотатор, 6 — сточная вода, 7 — очищенная вода)

5. Процессы при электрокоагуляции Главной лимитирующей стадией электрокоагуляции является образование катионов металлов — результат электрохимического растворения металлических анодов в соответствии с уравнением:

M > Mn+ + ne-,

где М — символ металла; n — его валентность.

На алюминиевых анодах протекает следующая реакция:

Al > Al3+ + 3e-,

а на анодах из стали идет реакция:

Fe > Fe2+ + 2e-,

при этом часть катионов железа окисляется под действием растворенного в воде кислорода у анода до трехвалентного железа (III):

Fe2+ > Fe3+ + e-.

Второй этап коагуляции сводится к химической гидратации образующихся катионов металлов, образовании нерастворимых гидроксидов металлов, их выпадении в осадок (кристаллизации) с последующим формированием хлопьев, способных флокулировать грубодисперсные примеси воды. Соответствующие химические реакции происходят в межэлектродном пространстве и включают несколько этапов:

Al3+ + 3 OH > Al (OH)3+,

Fe3+ + 3 OH > Fe (OH)3+,

Fe2+ + 2 OH > Fe (OH)2+,

Fe (OH)2 + O2 + H2O > Fe (OH)3.

В результате поступления в воду необходимого количества катионов железа или алюминия за счет приведенных выше реакций возникает та же ситуация, что и при обработке воды коагулянтами: солями железа или алюминия. Однако в отличие от применения солевых коагулянтов при электрокоагуляции вода не обогащается сульфатами или хлоридами, содержание которых в очищенной воде лимитируется как при сбросе ее в водоемы, так и при повторном использовании в системах промышленного водоснабжения. Образование в воде многовалентных катионов понижает устойчивость отрицательно заряженных коллоидов, так как уменьшается толщина диффузионного слоя коллоидной частицы и понижается ее потенциал. Устойчивость (стабильность) коллоидов обусловлена взаимодействием межмолекулярных сил взаимного притяжения и отталкивания, возникающих на границе соприкосновения двойных электрических слоев (ДЭС) сблизившихся частиц:

ДU = U1 — U2,

где U1 и U2 — соответственно силы отталкивания и притяжения.

Если ДU? 0, укрупнение частиц невозможно, если ДU? 0 — произойдет слипание частиц, то есть коагуляция.

В электрическом поле создаются особенно благоприятные условия для коагуляции, чему способствует дополнительно возникающая сила диполь-дипольного воздействия U3, уменьшающего ДЭС и поляризующего коллоидные частицы:

ДU = U1 — U2 — U3.

Процесс коагуляции в электрокоагуляторах протекает значительно интенсивнее, чем при реагентной коагуляции, что объясняется положительным влиянием электрофореза на взаимное укрупнение зародышей частиц гидроксидов металлов и перемешиванием воды выделяющимися на катодах пузырьками водорода. Благоприятные условия электрокоагуляции позволяют уменьшить дозы металла, необходимые для очистки, по сравнению с дозами при реагентной коагуляции на 10−20% и более.

Помимо использования электрокоагуляции для дестабилизации коллоидов и флокуляции грубодисперсных примесей, этот метод применим в схемах очистки воды от катионов тяжелых металлов. Это становится возможным в результате повышения значения рН воды (от 2,3 до 10,4) при электролизе, когда металлы переходят в состояние нерастворимых гидроксидов и осаждаются совместно с гидроксидами железа. Значения рН зависят от концентрации осажденного иона. Большие значения рН относятся к меньшим концентрациям. Если при электролизе повышение рН оказывается недостаточным, необходимо увеличить водородный показатель воды перед электролизером путем подщелачивания за счет добавления в обрабатываемую воду щелочи.

Электрохимическое растворение металлов включает анодное растворение за счет внешнего электрического тока и химическое растворение анодов и катодов. Поэтому на практике выход металлов G по электрическому току может оказаться больше теоретически рассчитанного по формуле, определяемой законами Фарадея, и может составлять 120−130% от теоретического выхода:

G = AIcurф, где, А — электрохимический эквивалент элемента:

A = M/(26,8z) г/(А*ч);

z — валентность; Icur — сила тока, А; ф — время обработки, ч.

Основными факторами, влияющими на электрохимическое растворение анода, являются: температура, сила и плотность электрического тока, значение рН, солевой состав воды, расстояние между электродами, скорость движения воды между электродами, концентрация взвешенных веществ. Повышение температуры воды при электрокоагуляции увеличивает выход металла по току, так как при этом интенсифицируются химические реакции, в том числе растворения металлов. Однако, положительное влияние роста температур наблюдается только до достижения некоторого температурного максимума (60−80°C), а дальнейшее повышение температуры снижает выход металла. Это объясняется возрастающей интенсивностью пассивации алюминиевого анода за счет уплотнения и набухания коллоидальной гидроокиси алюминия в его микропорах.

Существенное влияние на соотношении количества металла, растворяемого электрохимическим и химическим путем, оказывает и значение рН. При рН = 6−8 в результате электрохимического процесса растворяется до 90% алюминиевых анодов. Химическим способом растворяется около 70% металла при рН=6−8, в том числе 50% при растворении катода. Суммарный выход алюминия по электрическому току возрастает в слабокислой и особенно щелочной среде, достигая 150−200%. Влияние водородного показателя на процесс растворения электродов связано с растворением пассивирующих отложений.

Влияние анионного состава водной среды на растворение анодов главным образом обусловлено условиями пассивации. Эффективным депассивантом является анион хлора (анодная поляризация). Вершины треугольной диаграммы соответствуют 100% содержанию трех основных анионов: хлор (Cl-) -, сульфат (SO42+) — и гидрокарбонат (HCO3-) — аниона. С уменьшением процентного содержания хлориона в водной среде выход алюминия по току уменьшается.

На процесс химического растворения катода также влияет катионный состав водной среды. Диаграмма, иллюстрирующая влияние основных катионов — натрия, кальция и магния на химическое растворение алюминиевого катода приведена на рис. 3. Катионы натрия оказывают депассивирующее воздействие на катод. Напротив, катионы магния и особенно кальций, усиливают пассивацию катода (рис. 3). Другим фактором, оказывающим положительное влияние на выход катионов металлов, является плотность электрического тока, А/м2:

ф = I/Fэл.

где I — величина электрического тока при электролизе, А; Fэл — площадь анода или катода, м2.

Оптимальными принимаются плотности электрического тока: для алюминиевых электродов, катодная плотность — tк = 10−35 А/м2, анодная — tа = 20−150 A/м2, а для железных электродов tа = tк = 10−100 A/м2.

При плотности тока более 200 А/м2 растворение электродов сопровождается заметной электрофлотацией и усилением пассивации электродов. Периодическое переключение полюсов способствует депассивации электродов, что интенсифицирует их химическое растворение. Экспериментально установлено, что максимальный выход алюминия по току достигается при переключении полюсов через каждые 15 минут, то есть четыре раза в час. На выход металла по току влияет и схема соединения электродов, при этом наибольший выход — при монополярном соединении.

6. Конструкции электрокоагуляторов

Электрокоагуляция осуществляется в специальных генерирующих катионы металла (чаще всего алюминия и железа) электрических приборах — электрокоагуляторах (рисунок 3−4). Основной элемент электрокоагулятора — электродная камера со сменным набором стальных или алюминиевых (дюралюминиевых) электродов чередующейся полярности, в зазорах между которыми (шириной 5−20 мм) протекает обрабатываемая вода со скоростью не менее 0,5 м/с. Как и в электролизерах, в электрокоагуляторах электроды могут располагаться горизонтально или вертикально с зазором 10−16 мм, что зависит от условий размещения и монтажа, а также от расходов обрабатываемой воды. В электрокоагуляторах с меньшими плотностями электрического тока в связи с незначительным пенообразованием можно принимать ширину межэлектродных каналов менее 15 мм, и при обосновании не предусматривать устройств для удаления пены. При больших плотностях электрического тока ширина межэлектродных каналов должна принимается не менее 15−20 мм. Для удаления скоплений пены в каналах предусматриваются различные устройства, в частности, продувка сжатым воздухом.

Аноды и катоды выполняются в виде пластин из алюминия, его сплавов, не содержащих медь, или стали. Подключение пластин к источнику тока может быть параллельным или последовательным. В первом случае все электроды действуют как монополярные, во втором — промежуточные пластины работают биполярно. Последовательное же подключение позволяет работать при меньших значениях электрического тока. Наряду с пластинчатыми иногда используют засыпные электроды из стальной стружки. Несмотря на некоторые преимущества (большая поверхность, низкая стоимость), засыпные электроды применяются редко, поскольку они засоряются гидроксидами металлов и плохо регенерируются. Выбор материала для электродов зависит от технологических особенностей процессов очистки.

Если для коагуляции можно применить и алюминий и железо, выбор материала обосновывается технико-экономическими соображениями. Для коагуляции требуются большие дозы железа, чем алюминия, но для растворения 1 г железа затрачивается меньше электроэнергии. Теоретически, при расходе электроэнергии 26,8 А/ч в раствор переходит около 9 г металлического алюминия или же 28 г железа.

При низкой плотности тока необходимо увеличить необходимую продолжительность пребывания обрабатываемой воды в межэлектродном пространстве, ведь растворение анодов и хлопьеобразование протекают незначительно. Увеличение продолжительности пребывания воды достигается за счет увеличения длины межэлектродных каналов последовательным размещением электродных блоков по ходу движения воды или за счет ее рециркуляции. Для удлинения межэлектродных каналов их часто выполняют не по параллельной, а по последовательной (лабиринтной) схеме (рисунок 3б).

Поскольку в результате объемных электрохимических процессов в межэлектродном пространстве формируются хлопья гидроокисей металлов, для их удаления устанавливают блок последующей очистки (отстойник, фильтр большой грязеемкости, флотатор), показанный на рисунке 4. Электрокоагуляторы, работающие при низкой плотности электротока (менее 18−20 А/м2), целесообразно применять по схемам на рисунках 4а и 4б, совместно с отстойниками и фильтрами большей грязеемкости. При более высоких плотностях электрического тока рекомендуется применять схему с флотатором (рисунок 4в).

Блоки, состоящие из электрокоагулятора и флотационной камеры, называются электрофлотокоагуляторами (ЭКФ). Компоновка ЭКФ может предусматривать размещение электрокоагулятора в пределах флотационной камеры, и раздельно. Типовая конструкция, например, ЭКФ имеет прямоугольную форму и состоит из трех отсеков: в первом отсеке размещается электрокоагулятор, во втором — электрофлотатор, третий отсек является отстойной камерой. Электроды, размещаемые в третьей секции, служат для обеззараживания воды.

Конструкцию электрокоагулятора следует выполнять с учетом условий замены электродов в случае их растворения, для очистки и депассивации. С целью интенсификации процесса электрокоагуляции может использоваться конструкция виброэлектрокоагулятора. Применение вибрационных колебаний среднего диапазона частот практически исключает пассивацию электродов, снимает диффузионные ограничения во всем рабочем объеме, облегчает удаление газов и образующихся осадков, выгружаемых периодически через специальный клапан без остановки аппарата.

7. Расчет электрокоагулятора

Производительность электрокоагулятора по количеству генерируемого растворенного металла является весьма важной расчетной величиной и должна соответствовать технологическим требованиям процесса электрохимической обработки воды.

Сначала вычисляется количество растворенного металла при электрохимическом разложении электродов:

Gм = Дмqw ф, где Дм — доза металла, г/м3; qw — расчетная производительность электрокоагулятора, м3/ч; ф — период времени (принимается 1 час).

Дозы металла, необходимые для электрокоагуляции, определяются экспериментально. Ориентировочно можно принимать значения доз коагулянтов, известные из опыта реагентной обработки коагулянтами аналогичной по качеству воды, с введением коэффициента пересчета. Коэффициент должен учитывать повышенную эффективность электрокоагуляции, вид коагулянта, и приниматься равным 0,85−0,90. Пересчет с целью определения доз металлов по принятой дозе реагента производится путем умножения последней на коэффициент, который равен для Al2(SO4)3 — 0,158, для Al2O3 — 0,53, FeCl3 — 0,34, Fe2(SO4)3 — 0,28. Например, если для коагуляции природной воды с мутностью 200 г/м3 доза сернокислого алюминия равна 40 г/м3, то доза алюминия при электрокоагуляции составит величину:

40*0,85*0,158 = 5,4 г/м3.

Дозы металлического алюминия, необходимые при электрокоагуляционном обесцвечивании воды, ориентировочно могут определяться путем корректировки формулы СНиП:

Дм = 0,5vС, где Дм — доза коагулянта по Al2O3, г/м3; Ц — цветность исходной воды, град.

В результате одновременного растворения электродов расчетным электрохимическим и дополнительным химическим путями выход металла по току превышает 100%, что учитывается введением повышающего коэффициента Км > 1 (по условиям процесса Км = 1,1−2,0, определяется экспериментально).

Расчетная производительность электрокоагулятора по металлу определяется по формуле:

Gм = AмIcurфKмз, где з — коэффициент использования тока, принимается равным 0,7−0,9; Ам — электрохимический эквивалент металла, г/(А?ч).

Сила тока, необходимая для генерации расчетного количества металла:

Площадь анодов вычисляется:

Fан = Icur /tан, где плотность анодного тока tан принимается равной 20−150 А/м2. Напряжения в электродной ячейке принимаются не менее 3 В для стальных и 4 В — для алюминиевых электродов.

По расчетной силе тока определяется общая площадь поверхности электродов составит:

Уfкат = Icur /йкат, где йкат — катодная плотность тока, А/м2. Площадь одной пластины (электрода), рассчитывается по следующей формуле:

fпл = lплbпл, где lпл и bпл — длина и ширина пластины, соответственно, м. Площади анодов и катодов принимаются одинаковыми, а количество пластин в электродной камере рассчитывается по формуле:

nпл = Уfкат/fпл.

Поскольку металлы генерируются у анода, в расчетах используется анодная плотность тока tан, которая задается экспериментально, в зависимости от продолжительности процесса электролиза при постоянном эффекте очистки воды, в пределах величины 100−300 А/м2. Минимальная ширина межэлектродных каналов равна:

Дmin = УWм. к /Уfпл, Ширина межэлектродных каналов принимается равной Д = 0,015−0,02 м.

Вместимость межэлектродного пространства рассчитывается по формуле, и должна обеспечивать пребывание в них воды в течение промежутка времени ф1? 20−30 с:

В случаях, когда вместимость оказывается чрезмерно большой, предусматривается система с циркуляцией для поддержания требуемой скорости воды в межэлектродных каналах.

Производительность всего рециркулятора должна быть равна следующей величине, м3/ч:

где ф1 — расчетная продолжительность пребывания воды в межэлектродном пространстве, ч.

Скорость воды в межэлектродных каналах составит величину, мм/с:

Эта скорость должна быть достаточной для поддержания во взвешенном состоянии хлопьев гидроксидов металлов. Если вместимость межэлектродного пространства недостаточна для требуемой продолжительности пребывания воды в зоне электролиза, применяется установка периодического действия.

Необходимая продолжительность электролиза обеспечивается многократным пропуском воды через имеющийся электролизер. Число таких пропусков определится как:

m = qwф1/Wм.э.

При проектировании электрокоагулятора-флотатора также необходимо рассчитать достаточное количество выделяемого при электролизе воды газообразного водорода по условиям флотации. Расчетное количество выделяемого водорода определяется по формуле:

Qрн = qуднКСenЭqw Ч 10−3,

где qудн — удельное потребление водорода, требуемое для извлечения единицы массы загрязнений, л/кг; К — понижающий коэффициент, который учитывает интенсификацию процесса агрегации газовых флокул при электролизе, К = 0,7−0,8; Сen — концентрация загрязнения в исходной воде, мг/л; Э — принятый в расчете эффект очистки, доли ед.; qw — удельное потребление воды, л/кг. Фактическое количество выделяемого водорода:

Qфн ~ 0,4Icur,

где Icur — cила электрического тока, А.

Эта зависимость получена путем преобразования формулы:

Если количество выделяющегося водорода оказывается недостаточным, то дополнительно предусматривается установка блока нерастворимых электродов, которые размещаются после блока для электрокоагуляции непосредственно в корпусе электрокоагулятора или камеры флотации. Дополнительный электродный блок рассчитывается на генерирование количества водорода:

ДQн = Qрн — Qфн.

Концентрация загрязнений в воде определяется по формуле, мг/л:

Cp = Cen + ДC,

где Сen — содержание грубодисперсных примесей в исходной воде, мг/л; ДС — содержание в воде продуктов электрокоагуляции, мг/л:

ДС = KмДм, где Км — коэффициент пересчета содержания гидроокисей на твердую массу осадка согласно химическим реакциям гидратообразования. Для алюминия Км = 2,89, для трехвалентного железа — 1,91, для двухвалентного железа — 1,62.

8. Эксплуатационный расчет установок Эксплуатационные работы включают: усреднение по расходам и качеству воды, поступающей в электрокоагулятор; корректировку качества воды (очистка от грубодисперсных примесей, корректировка рН и солевого состава); поддержание расчетного режима рециркуляции воды в контуре электрокоагулятора, если это предусмотрено схемой обработки; контроль значений и поддержание на нужном уровне электрических параметров — силы тока, напряжения; соблюдение режима переполюсовок электродов для депассивации и способа равномерного растворения всех электродов; очистку межэлектродного пространства от отложений и пены; удаление образующейся при электролизе пены; своевременную замену электродов; контроль за состоянием газовой среды и обеспечение эффективной работы системы вентиляции; правильное содержание сооружений для последующей очистки воды (отстойники, флотаторы, фильтры).

Продолжительность периода использования электродов (рабочего цикла) принимается в пределах 500−1000 ч:

где Gпл — масса электродных пластин, кг; Дм — доза металла, г/м3; Кисп — коэффициент использования электродов (обычно принимается 0,8−0,9).

Общая масса электродных пластин:

Gпл = 0,5бУf (г1d1 + г2d2),

где Уf — суммарная площадь поверхностей анода и катода, м2; d1 и d2 — толщины пластин соответственно анодов и катодов, м; г1 и г2 — плотности материалов анодов и катодов, соответственно (железа — 7600, титана — 4500, алюминия — 2700, графитизированного угля и графита — 2100 кг/м3). Рекомендуемые параметры электрокоагуляторов: материал электродов — алюминий или железо; расстояние между вертикально устанавливаемыми пластинами электродов — 15−20 мм; электрическое напряжение на электродах — 6 В; плотность тока — 30/40 А/м2 для алюминиевых/стальных электродов; продолжительность пребывания воды в межэлектродном пространстве — 3−5 мин.; доза железа и алюминия составляет 15 и 7 г/м3.

Заключение

Основными преимуществами электрокоагуляционного метода по сравнению с реагентными являются компактность установки, относительная простота ее эксплуатации и резкое сокращение расходов на химические реагенты. Наряду с электрокоагуляцией также происходит и бактерицидная обработка воды.

Недостатками является расход металла (алюминия и железа) и электроэнергии. Теоретически, для растворения 1 г железа и 1 г алюминия расходуется 3 и 12 Вт*ч, соответственно. Фактический же расход электроэнергии оказывается выше из-за затрат на нагревание воды, поляризацию электродов, преодоление электрического сопротивления оксидных пленок, образующихся на поверхности растворяемых анодов, и т. п.

Для осуществления электрокоагуляции требуются значительные затраты электроэнергии и листовой металл, поэтому ее можно рекомендовать для локальных схем очистки небольших количеств сточных вод (50−80 м3/ч). Электрокоагуляция эффективна для удаления из сточных вод тонко диспергированных примесей, эмульсий, масел и нефтепродуктов, органических взвесей и т. д. Рекомендуется применять этот метод для очистки сточных вод с нейтральной или слабощелочной реакцией (pH = 6−9).

Библиографический список

1. Кульский Л. А. Очистка воды электрокоагуляцией. — Киев, 2008.

2. Назарян М. М. Электрокоагуляторы для очистки промышленных стоков. — Х.: Вища школа, 2003.

3. Воловник Г. И. Теоретические основы очистки воды. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000.

4. Смирнов Д. Н. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. — М.: Металлургия, 2000.

5. Липовецкий Я. М. Электрохимические способы очистки питьевых и сточных вод. — М.: ЦБНТИ, 2005.

6. Яковлев С. В. Технология электрохимической очистки воды. — Л.: Стройиздат, 2007.

7. Назарова Г. Н., Костина Л. В. Применение электрохимической технологии для очистки отработанных промышленных растворов. — М.: Наука, 2007.

8. Матов Б. М. Электрофлотационная очистка сточных вод. — Кишинев: Картя Маолдаванеска, 2002.

9. СНиП 2.04.02−84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. — М.: Стройиздат, 1985.

10. Мосин О. В. Технологический расчет установок электрофлотации воды // Журнал С.О.К., № 1/2014.

11. Мосин О. В. Электрохимическая обработка воды // Журнал С.О.К., № 12/2012.

12. Кульский Л. А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. — К.: Наукова думка, 2000.