Водоподготовка (стр. 2 из 5)
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:
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:
Рассмотрим процесс анодного растворения на примере железа. В щелочной среде реакция идет в две стадии:
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:
Лимитирующей стадией является предпоследняя реакция. Скорость электрохимического растворения металла определяется величиной тока, которая зависит от приложенного напряжения (потенциала анода —<р):
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.
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
Расход железа на процесс
Ток, обеспечивающий растворение железа за время т, равен
Рабочая поверхность анодов и общее их число определяют из соотношений
Общее число электродов (катодов и анодов) составляет
Общий объем ванны электролизера равен
где Q — расход сточных вод, мз/ч; t — 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); h— 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
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; t —время обработки, ч; Bt - коэффициент использования тока, доли единицы; п—число пар электродов; qH2 —0,418 м3/кА-ч).
Объем влажного газа в реальных условиях равен
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.