Очистка природных вод с помощью электрохимически генерированных гидроксидов железа и алюминия

Размещено на http://allbest.ru

ФГОУВПО «Российский государственный университет

туризма и сервиса»

ПУНПЛ Инженерной химии

Очистка природных вод с помощью электрохимически генерированных гидроксидов железа и алюминия

Глазков Сергей Владимирович, аспирант

Лукашева Галина Николаевна, кандидат химических наук, доцент

г. Москва

Abstract

The author presents the prospects of clearing of natural water by the aluminum coagulant mixed iron received by electrolysis of sodium chloride with metal electrodes, in comparison with the processing of aluminum-containing coagulants. The article gives the estimation of an acceptability and efficiency of the offered method for clarification of waters with high chromaticity and turbidity.

Keywords: natural water, clearing, electrochemical coagulation

Аннотация

Рассмотрены перспективы очистки природной воды смешанным железоалюминиевым коагулянтом, получаемым путем электролиза раствора хлористого натрия с металлическими электродами, в сравнении с обработкой алюминийсодержащими коагулянтами. Проведена оценка приемлемости и эффективности предложенного метода для осветления вод с высокой цветностью и мутностью.

Ключевые слова: природная вода, очистка, электрохимическая коагуляция

Обработка коагулянтами на основе растворимых солей алюминия является практически единственным методом очистки воды от мутности, цветности, органических и неорганических, природных и антропогенных загрязнений (взвешенных, коллоидных и растворенных). От того, как осуществляется этот процесс на водопроводной станции, в основном зависит качество питьевой воды, подаваемой в городскую сеть.

Существующие способы осветления на станциях водоподготовки из-за повышенного загрязнения водоисточников оказываются в большинстве случаев недостаточно эффективными. Так, по данным Госсанэпиднадзора России [1], качество питьевой воды, производимой коммунальными и ведомственными водопроводами, все еще продолжает оставаться неудовлетворительным. Нормальной работе водоочистных сооружений препятствуют участившиеся случаи непредвиденного ухудшения качества воды вследствие аварийных сбросов в водоемы жидкостей, содержащих повышенные концентрации загрязнений, периодами паводка и интенсивного цветения сине-зеленых водорослей.

Проблема приобретает особую актуальность в связи с ужесточением норматива по содержанию остаточного алюминия до 0,2 мг/дм³. Так, при применении перспективных полиоксихлоридов алюминия (ОХА) несмотря на их эффективность по результатам работы [2] концентрация остаточного алюминия находится на уровне 0,5 мг/дм³.

В указанных случаях более перспективными следует считать электрохимические методы коагуляционной обработки воды [3], не требующие применения специальных реагентов, устройств и емкостей для их хранения и приготовления, а также капитальных очистных сооружений. Аноды из железа, алюминия, меди и др. металлов растворяются при электролизе с переходом в раствор соответствующих катионов, которые при гидролизе образуют нерастворимые гидроксиды, обладающие повышенной адсорбционной активностью к взвешенным и коллоидным веществам.

Метод электрокоагуляции особенно перспективен и при водоснабжении в северных регионах в водах с высокой цветностью, из рек южных регионов с высокой мутностью, и удаленных районов, в которые поставка коагулянтов затруднительна и удобнее проводить обработку воды коагулянтом, получаемым на месте.

Широкому распространению электрокоагуляции мешают непроизводительные потери электроэнергии на единицу объема обрабатываемой воды из-за явлений поляризации и пассивации электродов [4] и низкой электропроводности.

Названный недостаток может быть устранен введением в воду малых количеств солей электролитов, например NaCl или бишофита MgCl₂•6H₂O, фоновая электропроводность раствора резко повышается, это позволяет увеличить выход по току ионов Al³⁺ и Fe³⁺, кроме того, благодаря активирующему действию хлорид-ионов скорость растворения стальных электродов увеличивается, а пленка оксида алюминия растворяется.

Растворение 1 г металлического алюминия или железа эквивалентно введению 12,3 г Al₂(SO₄)₃18H₂O и 4,9 г FeSO₄7H₂O соответственно.

Очистка и генерация коагулянта может осуществляться в компактных легко обслуживаемых контакных камерах, что особенно важно для автономных объектов и станций малой производительности для снабжения питьевой водой небольшого числа потребителей (на судах и кораблях, в полевых условиях, сельском хозяйстве, частных домах). Экспериментальное моделирование такого процесса проводилось в лабораторной установке, изображенной на рис. 1.

Электролитом является раствор хлорида натрия, в который погружены алюминиевый (2) и железный (3) электроды (в форме стержней) подключенные к источнику питания (6), работающего в режиме поддержания заданной величины тока на протяжении всего эксперимента постоянным.

Рис. 1. Схема периодического электролизера, производительностью 0,2 дм³/ч раствора коагулянта (1 - фторопластовый корпус; 2 - катод; 3 -анод; 4 - мембрана; 5 - кран; 6 - источник питания)

Материал анодов - сталь Ст3 ГОСТ 380-2005, и катодов - электротехнический алюминий марки А5 ГОСТ 11069-2001. Установлено, что вследствие высокой сорбционной способности электрохимически полученных гидроокисей алюминия Al(OH)₃ и железа Fe(OH)₃ применение соответствующих электродов является универсальным решением [4].

Растворы из катодного и анодного пространства анализировались по отдельности, без предварительного смешивания (табл. 1). Определение массовой концентрации алюминия и железа выполнялось по методике, предложенной авторами [5].

На аноде происходит окисление неустойчивого гидроксида железа (II) в присутствии растворенного кислорода в момент его образования

.

Повышенный выход алюминия объясняется его интенсивным растворением

.

Эта реакция становится возможной благодаря значительному повышению величины рН воды в прикатодном пространстве во время электролиза и растворению защитной пленки Al₂O₃ в щелочной среде [4].

Таблица 1

Параметры процесса

Таблица 2

Результаты пробного коагулирования

очистка вода железоалюминиевый коагулянт электролиз

При смешении двух растворов вследствие реакции нейтрализации наблюдалось резкое изменение характера окраски, опалесценция и интенсивное хлопьеобразование гидроксидов алюминия и железа.

Определение минимальной дозы раствора коагулянта для достижения заданных нормативов по цветности не более 20 и мутности 1,5 мг/дм³ проводили по ГОСТ Р 51642-2000 на имитатах природной воды. Цветность определяли построением градуировочных характеристик по стандартным растворам хромокобальтовой шкалы ГОСТ Р 52769-2007. Концентрацию остаточного алюминия в воде после фильтрования определяли фотометрическим методом по ГОСТ 18165-89.

Примеси моделирующие цветность вводились в виде смеси профильтрованной водной вытяжки гумата натрия - водорастворимого комплекса подвижных соединений гуминовых и фульвокислот, мутность - с каолином.

Рис. 2. Экспериментальная кривая определения минимальной дозы коагулянта М_м на модельных растворах мутности

Рис. 3. Экспериментальная кривая определения минимальной дозы коагулянта М_ц на модельных растворах цветности

Эксперименты по пробному коагулированию с применением имитатов природных вод (табл. 2, рис. 2, 3) показали, что коагуляция происходит интенсивно (формирование хлопьев уже через 5-10 мин.), адсорбционная активность хлопьев велика, о чем можно судить по интенсивной окраске осадка.

Коагулянт в пробу воды вводили при быстром перемешивании при максимально возможной скорости вращения. После 2 мин. интенсивность перемешивании уменьшали до минимума. После окончания перемешивания визуально следили за осаждением образовавшихся хлопьев в течение 30 мин.: отмечали момент наступления коагуляции (опалесценции раствора), дисперсность хлопьев, их структуру и время полного осаждения, высоту осевшего осадка.

Доза коагулянта равная 1,5 мг/дм³ оказалась достаточной для снижения цветности и мутности ниже верхнего предела. Качественно динамика процесса коагуляции имеет следующую картину: в начале процесса при интенсивном перемешивании происходят процессы, не наблюдаемые визуально; далее происходит помутнение системы, которое заканчивается формированием хлопьев; при этом хлопья могут быть и мелкими, и крупными, а описанные три стадии процесса могут иметь различную протяженность во времени.

Литература

1. Онищенко Г.Г. Санитарно-эпидемиологическая безопасность питьевого водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. № 12.

2. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. Анализ результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке природных вод // Технологии нефти и газа. 2008. № 4 (57). С. 16-20.

3. Яковлев С.В., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. Л.: Стройиздат, 1987. 312 с.

4. Двоскин Г.А. О влиянии постоянного электрического тока на процесс электрохимической коагуляции // Научные труды Ленинградского горного института. 1975. Вып. 7. С. 85--87.

5. Contributions to the basic problems of complexometry--XVIII1: Masking of iron with fluoride. Talanta Volume 12, Issue 4. April 1965. P. 385-388.

Размещено на Allbest.ru