Водоподготовка

в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щелочь.

По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается до

тех пор, пока не станет близкой к нулю.

За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы Н+ и ОН-, образуя

воду. Этот процесс замедляет перенос ионов соли к соответствующим

электродам.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм

повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии.

Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же

знака, что и у подвижных ионов.

Рис. 6. Схемы электродиализаторов с пористыми диафрагмами (а) и иони-

товыми мембранами (б)

В электродиализаторе (рис. 6, б) имеется две мембраны. Одна из них —

анионообменная и пропускает в анодную зону анионы. Другая мембрана—

катионообменная расположена со стороны катода и пропускает катионы в

катодное пространство.

Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100— 200

камер) с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Электроды

помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается

наибольший выход по току.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны.

Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют малую

механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой порошок

ионита, смешанный со связующим веществом — каучуком, полистиролом, метилмер-

каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны

должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы

электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами.

Обычно оно составляет 1—2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды

перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и

коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке воды, содержащей 250 мг/л примесей, до

остаточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт-ч/м3. С увеличением

содержания солей в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная

поляризация,, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и

снижению показателей очистки.

Электрохимическая активация

Электрохимическая активация представляет собой самостоятельную область

прикладной электрохимии наряду с традиционными и имеет несколько

принципиальных особенностей. Термин электрохимическая активация (ЭХА)

появился в результате серии исследований, которыми было установлено, что

жидкости, подвергнутые униполярному (анодному или катодному)

электрохимическому воздействию переходят в термодинамически неравновесное

состояние и в течение времени релаксации проявляют аномально высокую

химическую активность. Этот термин был введен в науку академиком российской

академии медико-технических наук В.М. Бахиром. В отличие от известных

электрохимических процессов, исходным веществом в процессах

электрохимической активации являются разбавленные водно-солевые растворы,

пресная или слабоминерализованная вода, т.е. жидкости низкой

электропроводностью. Конечным продуктом ЭХА являются не концентрированные

химические вещества, а активированные растворы, т.е. низкоминерализованные

жидкости в метастабильном состоянии.

Электрохимическая активация практически не используется как

самостоятельный технологический процесс. Ее целью является уменьшение или

полное исключение расхода химических реагентов, снижение загрязненности

растворов, повышение качества целевых продуктов, сокращение времени,

повышение эффективности и упрощение различных технологических процессов.

Иными словами ЭХА используется для создания высокоэффективных и

экологически чистых технологий в различных областях человеческой

деятельности. Практически в любой области человеческой деятельности, там,

где имеется соприкосновение с жидкостью, могут использоваться технологии

ЭХА.

Электрохимические принципы работы активаторов

Цель ЭХА -придание воде необходимых функциональных свойств перед

использованием, в том числе каталической и биокаталической активности.

Электрохимическая активация производиться путем катодной или анодной

(униполярной) электрохимической обработке воды в диафрагменном

электрохимическом реакторе. Диафрагма в виде пористой диэлектрической

перегородки между электродами реактора препятствует смешиванию объемов воды

(растворов) в анодной и катодной электродной камерах.

В результате обработки в катодной камере реактора вода насыщается

продуктами катодных электрохимических реакций, обычно гидроксидами

металлов, образовавшимися из растворенных солей, гидроксидионами,

водородом. В момент и после катодной электрохимической обработки вода, для

упрощения обозначения характера оказанного на нее воздействия, называется

католитом.

При анодной обработке на нерасходуемом электроде вода насыщается

продуктами окисления, в том числе кислотами,синтезированными из

растворенных солей, кислородом, хлором. В момент и после анодной обработки

вода называется анолитом.

Наличие устойчивых электрохимически синтезированных щелочей в католите

и кислот в анолите не является признаком их активированности, как не

являются им соответственно высокие и низкие значения pH католита и анолита,

сохраняющие свое значение длительное время при хранении.

Активированное состояние воды и растворов в результате униполярной

электрохимической обработке проявляется аномальной реакционной способностью

католита и анолита в окислительно-восстановительных реакциях, в их

каталической, биокаталитической активности, аномальной физико-химической

активности при взаимодействиях на границе раздела фаз и нежестко

коррелирует с измеряемыми параметрами, такими, как pH, окислительно-

восстановительный потенциал, поверхностное натяжение, диэлектрическая

проницаемость, электропроводность и другие.

Технология очистки состоит из нескольких стадий, разделенных во времени

и пространстве:

- в электрохимическом реакторе - анодное окисление обеспечивает

уничтожение микроорганизмов и деструкцию вредных органических соединений, а

катодное – восстановление (нейтрализацию) ионов тяжелых металлов;

- каталитический реактор – обеспечивает каталитическое разложение

активых веществ, например хлора;

- флотационный реактор - флотационное отделение взвешенных веществ,

гидроксидов тяжелых металлов, в том числе железа.

Электрохимические установки для очистки питьевой воды на примере бытового

фильтра "ИЗУМРУД"

В настоящее время на мировом рынке продается более тридцати тысяч

разновидностей бытовых систем очистки питьевой воды. Основными методами

очистки воды в бытовых устройствах являются сорбция (преимущественно с

использованием активированного угля), фильтрация (микрофильтрация,

ультрафильтрация, обратный осмос), ионный обмен, ультрафиолетовое

облучение, серебрение. Широко применяется комбинирование этих методов.

Сравнительно недавно появились установки нового поколения "Изумруд", в

которых очистка воды производится электрохимическим и каталитическим

способами. Водоочистители адсорбционного, ионообменного, мембранного и

адсорбционно-мембранного типа задерживают микроорганизмы, которые

размножаются на внутренних поверхностях установок, в порах сорбентов, на

поверхности фильтрующих мембран.

Даже в тех случаях, когда выход из адсорбционной или мембранной системы

водоочистной защищен противомикробным фильтром, бактерии могут размножаться

на выходной поверхности противомикробного фильтра и на внутренних

поверхностях выходных магистралей, что является фактором

эпидемиологического риска. Поэтому адсорбционные, ионообменные, мембранные

и комбинированные бытовые водоочистительные системы непригодны для работы с

водой, небезопасной в микробиологическом отношении.

Установки "Изумруд" свободны от указанного недостатка, поскольку даже

при сверхвысоком содержании в исходной воде бактериальных и вирусных тел

106 - 108 в одном миллилитре (мл) после очистки в установках "Изумруд"

количество микроорганизмов в воде уменьшается до 10 - 102 на мл (на пять-

шесть порядков). Соответствующие данные получены при проведении анализов в

лабораториях Беркширской и Оклендской микробиологических служб

(Великобритания). Кроме того, в момент электрохимической обработки вода

приобретает бактериостатические характеристики, аналогичные свойствам

родниковых вод. Вследствие этого выходные магистрали электрохимических

водоочистителей не подвергаются инфицированию. В процессе длительного

хранения вода, очищенная в установках "Изумруд", может утратить

бактериостатические свойства.

Бактерицидные вещества, образующиеся в анодной камере

электрохимического реактора, обладают очень высокими антимикробными

свойствами, намного превосходящими по эффективности обычные антисептики

(хлорамин и др.). Эти вещества, присутствующие в воде в пропорции 1 : 1000,

обеззараживают ее даже в случае интенсивного микробного обсеменения. При

этом погибают не только возбудители типичных желудочно-кишечных инфекций

(возбудители дизентерии, сальмонеллеза, холерный вибрин), но и экзотические

патогенные микроорганизмы тропических стран. Этот факт подтвержден

наблюдениями сотрудников Британской компании Enigma во время Руандийского

кризиса, а также данными по обеззараживанию воды плавательных бассейнов в

Москве и в г. Лас-Вегас, Невада, США. В последнем случае успешно подавлялся

рост "черных водорослей" (Black Algae).

Адсорбционные устройства для доочистки питьевой воды (чаще угольные)

имеют ограниченную сорбционную емкость , которая заполняется со скоростью ,

зависящей от уровня загрязнений в исходной воде: чем сильнее загрязнена

вода , тем быстрее исчерпываются функциональные возможности сорбента.

Мембранные фильтры тонкой очистки согласно рекламным данным задерживают

90-95 % всех находящихся в воде элементов и соединений, в том числе

необходимые для человека и животных микро- и ультрамикроэлементы (кальций,

магний, калий, натрий, литий, серебро, фтор, йод и другие). Как известно

дистиллированная вода минерализацией менее 0,01 г/л заведомо непригодна для

питья. Регулярное употребление деминерализованной воды с содержанием солей

менее 0,1 г/л обуславливает физиологический дефицит полезных микро- и

ультрамикроэлементов, что отрицательно сказывается на состоянии здоровья

населения некоторых регионов с низкоминерализованной водой и у полярников,

пьющих снеговую воду. В соответствии с ГОСТ 2874-82 минерализация питьевой

воды не должна превышать 1,0 г/л. Во многих городах России минерализация

питьевой воды 0,2 - 0,5 г/л, после очистки ее методом обратного осмоса или

ультрафильтрации потребитель получит воду с концентрацией солей 0,01 - 0,05

г/л. Следовательно существующие системы мембранных водоочистителей, которые

пропускают "только воду", создают риск патологии, связанной с потреблением

чрезмерно обессоленной воды.

Дефицит микро- и ультрамикроэлементов в организме может быть

скорректирован специальной диетой. Однако некоторые микро- и

ультрамикроэлементы воды практически незаменимы.

При работе с водой минерализацией 0,1 - 0,5 г/л через электрохимический

реактор установки "Изумруд" проходит ток силой 0,3 - 0,4 А. В этом случае

общая минерализация обработанной воды почти не меняется, ионы тяжелых

металлов переходят в форму нетоксичных и труднорастворимых гидроксидов и

гидроксидоксидов, микробы, находящиеся в воде, разрушаются, органические

вещества, а также неорганические токсические соединения (в том числе

нитраты и нитриты) подвергаются анодной окислительной деструкции. Сильные

неорганические окислители (в том числе хлор) и сверхактивные радикальные

частицы инактивируются в реакционно-вихревой и каталитической камерах.

Эффективность удаления активного хлора и хлор содержащих окислителей в

установках "Изумруд" не менее 90 %.

Высокий ОВП и ряд других физико-химических условий в анодной камере

электрохимического реактора исключают образование токсических

хлорорганических веществ и обеспечивают полную окислительную деструкцию

диоксинов, если они содержатся в водопроводной воде. Физиологически

полезные микро- и ультрамикроэлементы (кальций, калий, магний, литий, фтор

и другие) не образуют под влиянием электрохимической обработки

нерастворимых соединений и остаются в составе питьевой воды. По данным

лаборатории фирмы Oaklend Calvert Consaltants, Ltd (Engl.) при содержании в

исходной воде ионов серебра 68 мкг/л в очищенной воде содержание ионов

серебра составило 56 мкг/л, то есть потерь серебра не было. В то же время

токсичные ионы металлов (меди, железа, олова, алюминия, ртути, цинка, хрома

удалялись на 85-99,9%.

Присутствующие в воде радионуклиды также превращаются в формы

нерастворимых соединений, которые частично оседают на катоде и удаляются

при промывании установки. Если эти соединения попадают с водой в желудочно-

кишечный тракт, то они не всасываются в кровь и удаляются из кишечника

естественным путем.

Естественное свойство полезных для организма микро- и

ультрамикроэлементов состоит в том, что в результате окислительно-

восстановительных реакций они не участвуют в образовании труднорастворимых

или нерастворимых комплексов. Это увеличивает вероятность участия этих

элементов в биохимических реакциях и делает их совместимыми с организмом.

По этой же причине полезные элементы не образуют нерастворимых комплексов

при электрохимической обработке и сохраняются в очищенной воде в

ионизированной форме. В то же время элементы легко вступают в химические

комплексы, в том числе с белковыми соединениями. Как правило они

денатурируют белок и поэтому токсичны. Однако по причине склонности

вступать в комплексы токсичные элементы при электрохимической обработке

переходят в нерастворимые и безопасные для организма формы.

Гидроксиды и гидроксидоксиды тяжелых металлов могут растворятся в

крепких кислотах, в том числе в соляной кислоте. Соляная кислота в норме

присутствует в желудочном соке. Но желудочный сок сам по себе или в

присутствии перевариваемой пищевой массы представляет собой сложную

органическую среду, содержащую белки и полисахариды. Эти соединения играют

роль внутренних адсорбентов (энтеросорбентов), которые легко связывают

молекулы гидроксидов и гидроксидоксидов. В таком виде гидроксиды и

гидроксидоксиды тяжелых металлов защищены от действия соляной кислоты.

Поэтому они не растворяются в желудке, а затем выводятся из организма

естественным путем. Аналогичным образом наши внутренние сорбенты связывают

хлопья солей жесткости, оксидов железа. Эти компоненты практически

безвредны для организма. Однако их присутствие в питьевой воде меняет ее

вкус и нежелательно по эстетическим соображениям.

Избавиться от хлопьев солей жесткости или ржавчины можно только с

помощью фильтрации. Электрохимическая обработка в этом случае

малоэффективна. При работе с водой, содержащей хлопьевидные взвеси, фильтры

тонкой очистки воды быстро забиваются и выходят из строя.

Водоочистители "Изумруд" хорошо удаляют из воды фенол и тетрахлорэтилен

(на 90 - 99,9% в зависимости от исходной концентрации). Суммарное

количество органических соединений в воде после электрохимической очистки

уменьшается на 1/3. В загрязненной питьевой воде большую опасность

представляют гидрофобные токсины. В результате анодного окисления эти

токсины переходят в относительно безвредные гидрофильные формы, которые

легко удаляются из организма с физиологическими выделениями.

Таким образом, электрохимическая очистка воды в установках "Изумруд"

при правильной эксплуатации обеспечивает:

обеззараживание воды;

эффективное удаление или инактивацию токсических элементов и соединений;

удаление избыточных концентраций солей и компонент твердого осадка;

направленное изменение ОВП и активацию воды при сохранении нейтральных

кислотно-щелочных характеристик ;

сохранение нормального количества биологически полезных микро- и

ультрамикроэлементов.

Очистка воды в установках "Изумруд" основана на использовании процессов

окисления и восстановления, благодаря которым разрушаются и нейтрализуются

все токсические вещества в природе. В установках "Изумруд" природные

процессы естественной окислительно-восстановительной деструкции и

нейтрализации токсических веществ ускоряются многократно за счет прямых

электрохимических реакций, а также благодаря участию в процессах очистки

электрохимически синтезированных из самой очищаемой воды и растворенных в

ней солей высокоактивных реагентов: озона, атомарного кислорода,

пероксидных соединений, диоксида хлора, короткоживущих свободных радикалов.

Это обеспечивает высокую эффективность и экологическую безопасность

процесса очистки воды в сравнении с другими известными методами.

Технологический процесс очистки воды "ИЗУМРУД"

В корпусе установки "Изумруд-М" размещены: диафрагменный

электрохимический реактор РПЭ-1, каталитический реактор, вихревая

реакционная камера, источник питания и система автоматического включения и

отключения установки с инфракрасным датчиком протока. Реактор РПЭ-1,

основной частью которого является проточный электролитический модульный

элемент ПЭМ, является миниатюрным экономичным высокопроизводительным

электрохимическим устройством, работающим в проточном режиме. Гарантийный

ресурс непрерывной работы реактора РПЭ-1 в установке составляет 30000

часов. Реактор РПЭ-1 является основной частью установки и запатентован в

России, Великобритании, США, Германии и Японии. Анод элемента ПЭМ в

реакторе установки изготовлен из титана со специальным покрытием, в состав

которого входят иридий, платина, рутений. Титановый катод имеет повышенную

каталитическую активность за счет специальной обработки поверхности.

Ультрафильтрационная керамическая диафрагма из оксидов циркония, иттрия и

алюминия находится между анодом и катодом элемента ПЭМ и не допускает

смешивания воды в анодной и катодной камерах.

В то же время диафрагма обеспечивает беспрепятственную миграцию ионов в

электрическом поле между анодом и катодом. Каждый микрообъем воды,

протекающей в камерах реактора РПЭ-1, соприкасается с поверхностью

электрода и подвергается интенсивному воздействию электрического поля в

двойном электрическом слое (ДЭС), образованном зарядами на электроде и

противоионами в воде. Это гарантирует высокое качество очистки воды. Кроме

того, под влиянием электрического поля ДЭС структурная сетка водородных

связей разрыхляется, молекулы воды обретают дополнительные степени свободы,

что облегчает усвоение такой активированной в электрическом поле воды

клетками живых организмов и ускоряет удаление биологических шлаков.

Аналогом процесса структурной модификации воды в электрическом поле ДЭС

являются фазовые переходы при таянии льда (талая вода), структурные

превращения воды в электрических разрядах грозовых ливней, или физико-

химические воздействия, которым подвергается вода на большой глубине в

горных породах при высокой температуре в начальной стадии формирования

целебных минеральных источников. Однако, обработка воды в электрическом

поле ДЭС отличается намного большей глубиной преобразования ее структуры и

ярко выраженной направленностью воздействия: электронодонорного у катода и

электронакцепторного у анода.

Вся гидравлическая система установки изготовлена из химически весьма

стойких материалов, разрешенных к применению в изделиях медицинской

техники.

В установке используются следующие процессы очистки воды:

электролитическое и электрокаталитическое анодное окисление в сочетании с

электромиграционным переносом (реактор РПЭ N 1);

гомогенные реакции окисления с помощью катализаторов - переносчиков

электронов (вихревая реакционная камера Е);

гетерогенные окислительно-восстановительные реакции с участием

катализаторов - переносчиков электронов (каталитический реактор К);

электролитическое и электрокаталитическое катодное восстановление в

сочетании с электромиграционным переносом (реактор РПЭ N 2).

Все указанные процессы в установке разделены в пространстве и во

времени, что обеспечивает наилучшие результаты очистки.

В Центре Микробиологических Исследований Беркшаэ устройство было

апробировано искусственно загрязненной водой при обычном режиме протока 40-

60 литров в час. На протяжении всего времени исследования, т.е. 10 куб. м.

воды, эффективность очистки оставалась постоянной.

|Загрязнитель |Концентрация на |Концентрация |

| |входе |на выходе |

|Алюминий |2000 |135 |

|Медь |30000 |131 |

|Ртуть |500 |2 |

|Свинец |500 |23 |

|Хром |10000 |9 |

|Серебро |100 |3 |

|Цинк |30000 |212 |

|Фенол |0.01 |0.0003 |

|Тетрахлорэтилен |0.065 |0.001 |

|Сальмонелла |4.000.000 |191 |

|Pseudomonas spp.|3.800.000 |94 |

|Полиомиелит |700.000.000 |925 |

|Legionella |8.000.000 |6 |

|pneumophila | | |

|Кишечная палочка|60.000.000 |781 |

Концентрация ионов тяжелых металлов выражены в мг/л, органики- в нг/л и

концентрация микроорганизмов на миллилитр.

Анализ органических соединений проводился с использованием стандартного

газового хроматографа с применением методик соответствующих КРА

601,602,603. Получаемая на установках "Изумруд" питьевая вода полностью

соответствует рекомендациям Всемирной Организации Здравоохранения.

Установки "Изумруд" являются эффективным устройством для очистки воды,

сконструированными для удаления микроорганизмов, органических примесей и

ионов тяжелых металлов. Благодаря качественно новой технологии

эффективность очистки не снижается в ходе эксплуатации.

Источники:

1. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для студентов

вузов/Яковлев С. В., Карелин Я. А., Ласков Ю. М., Воронов Ю. В. М.:

Стройиздат, 1979. 320 с.

2. Остроушко И.А., Остроушко Р.И. Электролитическая очистка сточных вод

обогатительных фабрик. // Цветная металлургия, 1972, №20. - С.46 - 48.

3. Лурье Ю.Ю., Генкин В.Е. Электрохимическая очистка сточных вод содержащих

цианистые соединения. // Журн. прикл. Химии. - 1961, т. ХХХ111. вып.2. -

С.384 - 389.

4. Чантурия В.А., Назарова Г.Н. Электрохимическая технология в

обогатительно-гидрометаллургических процессах. - М.: Наука, 1977. - 160с.

5. Назарова Г.Н., Костина Л.В. Применение Электрохимической технологии для

очистки отработанных промышленных растворов и сточных вод обогатительных

и металлургических предприятий с обновременным доизвлечением ценных

компонентов. // В кн.: Переработки минерального сырья. М., Наука. - 1977.

- С.211 - 225.

6. Дорохина Л.И., Попурова Н.В. О возможности использования

электрохимической технологии для обезвреживания цианидсодержащих

растворов обогатительных фабрик с одновременным доизвлечением металлов.

// В кн.: Технология разработки и обогащения полезных ископаемых, М.,

Недра. - 1975. - С.97 - 99.

7. http://izumrud.spedia.net/ - Электрохимическая активация

-----------------------

[pic]

Страницы: 1, 2