Электрообработка в технологиях очистки воды

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 ЗАГРЯЗЕНИЙ МЕТОДОМ  ЭЛОКТРОКОАГУЛЯЦИИ

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.

Рисунок 1 – 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:

ΔU = U1 – U2,

где U1 и U2 — соответственно силы отталкивания и притяжения.

Если ΔU ≥ 0, укрупнение частиц невозможно, если ΔU ≤ 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: