Водоподготовка

Водоподготовка

Российский Университет Дружбы Народов

Экологический факультет

Реферат по курсу «Защита природных ресурсов»

на тему

Использование электрохимических методов для очистки сточных вод и

водоподготовки

Руководитель: Хаустов А.П.

Выполнил студент гр.

ОСМ-202 Кукольщикова С.Б..

Москва

2000

Содержание:

Преимущества электрохимических методов очистки 3

Электрохимические методы очистки сточных вод 3

Анодное окисление и катодное восстановление. 4

Электрокоагуляция. 6

Электрофлотация. 8

Электродиализ. 9

Электрохимическая активация 10

Электрохимические принципы работы активаторов 11

Электрохимические установки для очистки питьевой воды на примере

бытового фильтра "ИЗУМРУД" 11

Технологический процесс очистки воды "ИЗУМРУД" 14

Источники: 17

Преимущества электрохимических методов очистки

Наиболее широко распространенные в мире методы очистки питьевой воды и

отработанных водных растворов основаны на моделировании природных процессов

- фильтрации, сорбции, ионного обмена. Однако, установки в которых

реализованы указанные процессы, нуждаются в регенерации и периодической

замене основного рабочего элемента: фильтров, сорбентов, ионообменных смол.

При этом возникают проблемы с утилизацией отработанных материалов, а

также сохраняется необходимость восполнения их потерь путем производства из

невозобновляемых сырьевых запасов новых материалов взамен отработанных.

Очевидно, стратегия наименьшего экологического ущерба при сохранении

достигнутого уровня жизни населения Земли или при его улучшении, должна

быть основана на использовании технологий, позволяющих обеспечить

минимально возможное вовлечение в производственно-хозяйственную

деятельность человека природных минеральных сырьевых ресурсов, которые в

естественном состоянии (месторождения полезных ископаемых) не представляют

угрозы окружающей среде, но после серии различных технологических

преобразований рассеиваются в виде растворимых в воде соединений. Одним из

естественных процессов, имеющих самое широкое распространение в живой и

неживой природе является электрохимическое преобразование веществ, т.е.

окислительно-восстановительные реакции, связанные с удалением или

присоединением электрона. Этот природный процесс более эффективен в

сравнении с вышеназванными. Теоретические расчеты показывают, что

потенциальные возможности электрохимического кондиционирования воды

(очистки, умягчения, опреснения, обеззараживания и т.д.) более чем в 100

раз превосходят фильтрационные, сорбционные и ионообменные методы по

экономичности, скорости и качеству. Кроме того, электрохимические реакции

позволяют без дополнительных затрат химических реагентов преобразовать

пресную или слабосолоноватую природную воду в высокоактивный

технологический раствор, обладающий практически любыми необходимыми

функциональными свойствами.

Электрохимические методы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных

примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления,

электрокоагуляции, электрофлоку-ляции и электродиализа. Все эти процессы

протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного

электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из

сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной

технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии.

Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить

периодически или непрерывно.

Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов:

плотностью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования

напряжения, выходом по току, выходом по энергии. Плотность тока — это

отношение тока к поверхности электрода, которое обычно выражают в А/м2

(А/см2, А/дм2). Напряжение электролизера складывается из разности

электродных потенциалов и падения напряжения в растворе'

[pic]

где (la и (lk—величина анодной и катодной поляризации; la и lк—равновесные

потенциалы анода и катода; (Uэл и (Uдиаф — падение напряжения в электролите

и диафрагме.

Падение напряжения в электролите (сточной воде) при отсутствии пузырьков

газа определяют по закону Ома:

(Uэл =ip(,

где i —плотность тока в сточной воде. А/см2; р—удельное сопротивление. Ом-

см; (—расстояние между электродами, см.

При выделении газовых пузырьков, вследствие удлинения потока между

электродами (Uэл возрастает. Отношение

(напр=( la - lк )U

называют коэффициентом полезного использования напряжения.

Выход по току — это отношение теоретически необходимого количества

электричества (находят по закону Фарадея) к практически затраченному,

которое выражают в долях единицы или в процентах.

Анодное окисление и катодное восстановление.

В электролизере, схема которого показана на рис. 1, на положительном

электроде — аноде ионы отдают электроны, т. е. протекает реакция

электрохимического окисления; на отрицательном электроде — катоде

происходит присоединение электронов, т. е. протекает реакция

восстановления.

[pic]

Рис. 1. Схема электролизера:

1 — корпус; 2 — анод; 3 — катод; 4 — диафрагма

Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных

примесей (цианидов, роданидов, аминов, спиртов. альдегидов,

нитросоединений, азокрасителей, сульфидов, меркаптанов и др.). В процессах

электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточных водах,

полностью распадаются с образованием СОз, МНз и воды или образуются более

простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять другими методами.

В качестве анодов используют различные электролитически нерастворимые

материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые

наносят на титановую основу.

Катоды изготовляют из молибдена, сплава вольфрама с железом или

никелем, из графита, нержавеющей стали и других металлов, покрытых

молибденом, вольфрамом или их сплавами. Процесс проводят в электролизерах с

диафрагмой и без нее. Кроме основных процессов электроокисления и

восстановления, одновременно могут протекать электрофлотация, электрофорез

и электрокоагуляция.

Сточные воды, содержащие цианиды, образуются на предприятиях

машиностроения, приборостроения, черной и цветной металлургии, химической

промышленности и др. В состав вод кроме простых цианидов (KCN, NaCN) входят

комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов, концентрация

которых колеблется от 10 до 600 мг/л. Обычно рН таких стоков колеблется в

пределах 8—12.

Анодное окисление цианидов протекает по реакциям

[pic]

Окисление может быть проведено и с образованием азота:

[pic]

Для повышения электропроводности сточных вод и снижения рас-хода

энергии к водам добавляют NaCl. При концентрации CN" 1 г/л добавляют 20—30

г/л NaCl. В этом процессе используют графитовый анод и стальной катод.

Оптимальные условия окисления: анодная плотность тока 3—4 А/дм2, меж-

злектродно" пространство 3 см, скорость воды 30 дм3/ч, рН 8—9. Степень

очистки приближается к 100%.

Разрушение цианидов происходит в результате электрохимического

окисления на аноде и окисления хлором, выделяющимся на аноде в результате

разложения NaCl. Этот процесс описывается следующими реакциями:

[pic]

Схема установки для электрохимической очистки сточных вод от цианидов

приведена на рис. 2

[pic]

Рис. 2. Схема установки электрохимической очистки сточных вод от

цианидов соединений:

1 - усреднитель: 2 — бак для приготовления раствора хлорида натрия: 3 —

электро--чизер; 4 --источник постоянного тока

При использовании электролизеров проточного. типа целесообразно

разделять их перегородками на несколько отсеков. В процессе электролиза

сточные воды перемешивают сжатым воздухом. Обработанные сточные воды

содержат до 200 мг/л активного хлора и должны быть обезврежены. Металлы,

которые выделяются на катоде, утилизуют. Установка компактна и проста в

эксплуатации.

Роданиды разрушаются по схеме

[pic]

Сульфид-ионы при рН=7 окисляются до сульфатов. При меньших значениях рН

может образоваться элементная сера. Окисление фенолов в присутствии

хлоридов в сточной воде протекает по следующим реакциям (этот процесс

выгоден при небольшом содержании фенолов в воде):

[pic]

Катодное восстановление применяют для удаления из cточных вод ионов

металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в

менее токсичные соединения или в легко выводимую из воды форму (осадок,

газ). Его можно использовать для очистки сточных вод от ионов тяжелых

металлов Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+, As3+, Cr6+ Катодное восстановление

металлов происходит по схеме

[pic]

При этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы.

Например, при восстановлении соединений хрома была достигнута высокая

степень очистки: концентрация снижалась с 1000 до 1 мг/л. Расход

электроэнергии на очистку составил 0,12 кВт-ч/м3. При электролизе сточных

вод, содержащих Н2СrО7, оптимальное значение рН=2, а плотность тока 0,2—2

А/дм2. Реакция восстановления протекает следующим образом:

[pic]

Очистку сточных вод от ионов Hg2+, Pb2+, Cd2+, Cu2+ проводят на

катодах, состоящих из смеси угольного и сернистого порошков в соотношении

C:S от 80:20 до 20:80 при рН<7 и плотности тока 2,5 А/дм2. Осаждение этих

ионов происходит в виде нерастворимых сульфидов или бисульфидов, которые

удаляют механически.

Примером реакции, обеспечивающей удаление загрязнения в газовую фазу,

является очистка от нитрата аммония. При постановлении нитрата аммония на

графитовом электроде он превращается в нитрит аммония, который разлагается

при нагревании до элементного азота:

[pic]

Повышенная токсичность органических веществ связана с наличием в

молекуле атомов галогенов, альдегидной, амино-, питро- или нитрозогрупп.

Таким образом, продукты восстановления, например, альдегидов и

кетонов—спирты и углеводороды, будут менее токсичны. Потеря атома галогена

приводит к такому же результату:

[pic]

Рассмотрим процесс анодного растворения на примере железа. В щелочной

среде реакция идет в две стадии:

[pic]

На первой ступени, включающей адсорбцию гидроксида на железном

электроде и потерю первого электрона, образуется промежуточное

кислородсодержащее соединение одновалентного железа. На второй стадии

реакция протекает по двум возможным направлениям и завершается образованием

двух- или трехвалентного железа. Общая скорость процесса анодного

растворения лимитируется второй стадией.

В кислой среде протекают следующие реакции:

[pic]

Лимитирующей стадией является предпоследняя реакция. Скорость

электрохимического растворения металла определяется величиной тока, которая

зависит от приложенного напряжения (потенциала анода —<р):

[pic]

где k, fi — постоянные процесса; R — универсальная газовая

постоянная;

Т - абсолютная температура; п—число электронов, участвующих в процессе;

F — число Фарадея.

Процессы анодного окисления используются также для обесцвечивания сточных

вод от различных красителей, а также для очистки сточных вод целлюлозно-

бумажных, нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других заводов.

Электрокоагуляция.

При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство

электролизера происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез,

окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов

электролиза друг с другом.

При использовании нерастворимых электродов коагуляция может происходить

в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на

электродах, образования в растворе веществ (хлор, кислород), разрушающих

сольватные соли на поверхности частиц. Такой процесс можно использовать для

очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой

устойчивости загрязнений.

Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высокоустойчивые

загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или

алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в

результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые,

встречаясь с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов в виде

хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

На процесс электрокоагуляции оказывает влияние материал электродов,

расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее

температура и состав, напряжение и плотность 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—12 Вт-ч. Электрокоагуляцию рекомендуют проводить в нейтральной или

слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м2, расстоянии между

электродами не более 20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с.

Достоинства .метода электрокоагуляции: компактность установок и

простота управления, отсутствие потребности в реагентах, малая

чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки

(температура, рН среды, присутствие токсичных веществ), получение шлама с

хорошими структурно-механическими свойствами. Недостатком метода является

повышенный расход металла и электроэнергии. Электрокоагуляция находит

применение в пищевой, химической и целлюлозно-бу-мажной промышленности.

Технологическая схема очистки сточных вод электрокоагуляцией показана

на рис 3.

[pic]

Рис. 3. Схема электрокоагуляционной установки:

1 — усреднитель; 2 — бак для приготовления раствора; 3 — источник

постоянного тока; 4 — электрокоагулятор; 5 — отстойник; 6 — аппарат для

обезвоживания осадка

Обезвоживание осадка проводят в фильтр-прессе или центрифуге.

Выделяющийся в процессе газообразный водород можно использовать для

флотации гидроксида. С этой целью в схеме очистки используют

электрокоагуляторы-флотаторы, или специальные флотационные аппараты,

например гидроциклоны-флотаторы. Замена отстойника на флотаторы позволяет

значительно уменьшить габариты установки, сократить капитальные затраты и

получить менее влажный осадок гидроксида.

Электрокоагуляционную очистку сточных вод можно использовать для

очистки от эмульсий нефтепродуктов, масел, жиров (электрокоагулятор

представляет собой ванну с электродами). Эффективность очистки от

нефтепродуктов составляет: от масел 54—68%, от жиров 92—99% при удельном

расходе электроэнергии 0,2—3,0 Вт-ч/м3.

На практике наиболее широко используют безнапорные пластинчатые

электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть

горизонтальным и вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными

и смешанными. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно

через промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). При

однопоточной схеме вода проходит между электродами последовательно

(последовательное соединение каналов), что уменьшает пассивацию электродов.

Скорость движения воды у однопоточных электрокоагуляторов в п—1 раз больше,

чем у многопоточных (га—число электродов).

Полезный объем ванны электрокоагулятора (объем сточных вод, постоянно

находящихся в аппарате) равен

[pic]

Расход железа на процесс

[pic]

Ток, обеспечивающий растворение железа за время т, равен

[pic]

Рабочая поверхность анодов и общее их число определяют из соотношений

[pic]

Общее число электродов (катодов и анодов) составляет

[pic]

Общий объем ванны электролизера равен

[pic]

где Q — расход сточных вод, мз/ч; ( — время процесса, ч; d — удельный

расход железа на удаление определенного загрязнения, г/ч; с — исходная

концентрация иона металла, загрязняющего воду, г/м3; k — электрохимический

эквивалент железа, равный 1,042 г/(А-ч); (— выход железа по току, % (при

обработке воды с рН=3—5 близок к 100%); i—оптимальная плотность тока, А/м2;

Si — площадь одного анода, м2; Vэ—объем всех электродов.

Толщину электродов, их ширину, межэлектродное расстояние определяют с

учетом конструктивных особенностей, а также заданной скорости движения

воды.

Количество газа, генерируемого в электрофлотаторе, определяют по

формуле

[pic]

где Vo— объем газа, выделяющегося при нормальных условиях, м3; qн -

количество газа, выделяющегося при прохождении 1 кА-ч (электрохимический

эквивалент), м3; I —ток, проходящий через аппарат, кА; ( —время обработки,

ч; B( - коэффициент использования тока, доли единицы; п—число пар

электродов; qH2 —0,418 м3/кА-ч).

Объем влажного газа в реальных условиях равен

[pic]

где р — парциальное давление насыщенных водяных паров (при 20 °С равное

2,3 кПа); 5—давление в системе, кПа; Р—атмосферное давление, кПа;

101,3—давление при нормальных условиях, кПа.

Электрофлотация.

В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц проходит при

помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде

возникают пузырьки кислорода, а на катоде — водорода. Поднимаясь в сточной

воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании

растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и

пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образующиеся на

катоде. Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при других

методах флотации. Он зависит от краевого угла смачивания и кривизны

поверхности электродов. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Из

пересыщенных растворов мельчайшие пузырьки выделяются на поверхности

частичек загрязнений и тем самым способствуют эффекту флотации. Для

получения пузырьков требуемого размера необходим правильный подбор

материала, диаметра проволоки катода и плотности тока. Оптимальное значение

плотности тока 200—260 А/м2, газосодержание—около 0,1%.

При небольших объемах сточных вод (10—15 м3/ч) электрофлотационные

установки могут быть однокамерными (рис. 4), при больших — следует

применять двухкамерные установки, которые могут быть горизонтальными и

вертикальными.

[pic]

Рис. 4. Схема однокамерной электрофлотационной установки (/—корпус;

2—электроды)

Они состоят из электродного отделения и отстойной части. Схема

горизонтального электрофлотатора показана на рис. 5. Сточная вода поступает

в успокоитель, который отделен от электродного отделения решеткой. Проходя

через межэлектродное пространство, вода насыщается пузырьками газа.

Всплывание пузырьков с частицами происходит в отстойной части. Всплывший

шлам перемещается скребком в шлакоприемник, откуда его удаляют. Расчет

установки сводится к определению общего объема электродного отделения и

отстойной части, а также необходимых конструктивных и электрических

параметров.

[pic]

Рис. 5. Горизонтальный электрофлотатор:

1—впускная камера; 2— электроды; 3— скребок; 4 — шлаиоприемник; 5 —

патрубок выпуска осадка

Электродиализ.

Процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении

ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в

растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для

опреснения соленых вод. В последнее время его начали применять и для

очистки промышленных сточных вод.

Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых

состоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами (рис. П-53,а).

В среднюю камеру заливают раствор, а в боковые, где расположены электроды,

— чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде

выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся

Страницы: 1, 2