Исследование электрокоагуляционной очистки природных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование электрокоагуляционной очистки природных вод

Введение

Выполнены исследования по электрокоагуляционной очистке природных вод. Рассмотрены теоретические основы электрохимической очистки природных вод в электролизерах с растворимым анодом и современный анализ существующих технологий по электрокоагуляции. Проведены исследования процесса анодного растворения алюминия при изменении физико-химических факторов. Установлено, что активное растворение алюминиевого анода происходит при температуре воды от 5 до 50°С и плотности тока от 2 до 4 мА/см2. Использование более высоких плотностей тока при повышении температуры воды снижает выход алюминия по току и повышает напряжение на электродах. Результаты исследований доказывают экологичность технологии и могут быть использованы для повышения эффективности работы электролизных установок.

В настоящее время среди проблем, стоящих перед человечеством, все чаще на первое место выдвигаются проблемы, связанные с водой, т.к. состояние и развитие биосферы и человеческого общества находятся в тесной зависимости от водных ресурсов. Водные проблемы возникают при: отсутствии или недостаточности воды; неудовлетворительном ее качестве; водном режиме, не соответствующем оптимальному функционированию экосистем и хозяйственных объектов; избыточном увлажнении и при наводнениях. Все эти проблемы характерны и для Беларуси [1].

В последние годы все больше внимания уделяется многоцелевому использованию водных объектов для целей водоснабжения, гидроэнергетики, транспорта, промышленности, сельского хозяйства, рыболовства и др.

Беларусь располагает достаточными ресурсами возобновляемых пресных поверхностных и подземных вод для удовлетворения как текущих, так и ожидаемых в перспективе потребностей в воде. В средний по водности год речные ресурсы Республики Беларусь составляют 57,9 км3, а естественные пресные подземные ресурсы - 15,9 км3, в то время как отбор вод на бытовые и хозяйственные нужды не превышает 5-7% от ежегодно возобновляемых водных ресурсов. Кроме того, более половины от объема забираемой воды после ее очистки повторно сбрасывается в водные объекты.

Но к настоящему времени интенсивная хозяйственная деятельность на территории республики уже привела к серьезной деградации ее водного фонда. Несмотря на принимаемые меры, почти повсеместно сохраняется тенденция ухудшения качества поверхностных и грунтовых вод, учащаются случаи техногенного загрязнения глубоких водоносных горизонтов, в ряде мест природные процессы самоочищения водной среды подавлены. В результате крупномасштабных осушительных работ резко изменился водный режим многих малых рек.

В ряде регионов ощущается реальная нехватка пресной воды питьевого качества. Имеет место расточительное использование воды в коммунальном хозяйстве городов, на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях. Ввиду общих недостатков в природоохранной деятельности существенен вклад сбросов в водные объекты различных загрязняющих веществ с поверхностным стоком (частично организованным в городах и неупорядоченным в сельской местности). Вследствие неравномерного распределения водных ресурсов на территории республики в пределах многих промышленных районов имеет место высокая степень использования эксплуатационных запасов подземных вод [2].

На фоне существующих водных проблем большую актуальность приобретает внедрение новых технологий улучшения качества воды.

Проблема очистки воды охватывает вопросы физических, химических и биологических ее изменений в процессе обработки с целью сделать ее пригодной для питья, т. е. очистки и улучшения ее природных свойств.

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 не возобновляемых 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 (например, месторождения полезных ископаемых) не представляют угрозы окружающей среде, но после серии различных технологических преобразований рассеиваются в виде растворимых в воде соединений.

Одним из таких 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 [3, 4].

1. Теоретические основы

1.1 Электрохимической очистки воды

Разработка и более широкое внедрение электрохимических методов является прогрессивным направлением в технологии водоподготовки. Эти методы позволяют корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, концентрировать и извлекать из нее ценные химические продукты и металлы, обеспечивать глубокую минерализацию органических загрязнений, обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки. Во многих случаях электрохимические методы являются экологически чистыми, исключающими вторичное загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных методов [5].

1.2 Процессы, происходящие при электролизе с применением растворимых анодов

Природная вода представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, включающую грубодисперсные, коллоидные, молекулярные и истинно растворенные вещества. Кроме того, природная вода является электролитом, так как растворенные в ней газы, минеральные и органические вещества в той или иной степени диссоциированы на ионы, а коллоидные и взвешенные вещества в большинстве случаев несут определенный заряд [6].

При погружении в воду электродов и подводе к ним напряжения достаточной величины начинается перенос электрического тока движущимися к электродам ионами в электролите и электронами во внешней цепи (рис. 1.1); на поверхности электродов при этом происходят разнообразные электрохимические реакции [1-А].

В случае применения растворимых металлических электродов электродный процесс сопровождается совокупностью электрохимических явлений и реакций, скорость которых согласно законам электрохимической кинетики определяется общим значением потенциала на границе металл-раствор, составом раствора и условиями диффузии компонентов или продуктов реакции в растворе.

Рис. 1.1 - Схема движения ионов в электролизере

вода очистка электролиз

В результате электролиза происходит процесс восстановления или окисления на электродах компонентов, составляющих электролит, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами реагирующего вещества. В переносе тока принимают участие все находящиеся в воде ионы, а также коллоидные и взвешенные частицы, несущие заряд. Степень участия определяется их относительной концентрацией и подвижностью, выражаемой уравнением (1.1):

, (1.1)

где л - эквивалентная электропроводность, см2/Ом г-экв;

F - число Фарадея (96500 К или 26,8 А-ч);

UK и Uа - абсолютные скорости движения катиона и аниона, см2/Ом г-экв.

Коллоидные и взвешенные частицы в связи с малой подвижностью переносят незначительную часть тока. В основном перенос электричества в природных водах осуществляют катионы К+, Ca2+,Na+,Mg2+ и анионы HCO3-, SO42- и C1-, а также ионы Н+ и ОН-, всегда содержащиеся в воде.

Общую реакцию анодного растворения металла, если образуются простые гидратированные ионы, можно записать в виде уравнения (1.2):

[М] + х·Н2О = Мz+ · х Н2О + z (1.2)

или, если образуются комплексные ионы металла в виде уравнения (1.3):

[М] + хА + уН2О = МАz-xx · уН2О + z (1.3)

Количество металла m (г), растворившегося в воде в результате электролиза, определяется по формуле (1.4):

, (1.4)

где А - атомный вес металла;

F - постоянная Фарадея (96500 К или 26,8 А-ч);

I - сила тока, А;

t - время прохождения тока, с;

з - выход металла по току, %;

n - валентность.

Электрохимическое растворение металлов включает в себя две основные группы процессов: растворение за счет внешнего тока (или анодное растворение металлов) и химическое растворение в результате взаимодействия с окружающей средой. Так, на алюминиевом аноде могут протекать химические реакции, непосредственно не связанные с протеканием электрического тока (1.5, 1.6):

Аl - 3>Al3+, (1.5)

А13+ +3ОН->А1(ОН)3 (1.6)

Установлено, что процессу химического растворения алюминия способствует наличие в воде ионов-депассиваторов, повышение скорости движения жидкости по отношению к поверхности металла, наложение постоянного электрического тока и другие факторы. В связи с этим выход алюминия по току может достигать 130-140 %.

Аномально высокие скорости растворения металлов обычно сопровождаются отрицательным дифференц-эффектом. Характерным признаком растворения, сопровождающегося отрицательным дифференц-эффектом, является приобретение анолитом восстанавливающей способности.

Согласно теории электрохимической коррозии при использовании в качестве анода алюминия или железа наиболее вероятными реакциями в природной воде могут быть следующие (1.7…1.16):

- анодное растворение -

А1 - 3>А13+, Fe->Fe2+ (1.7)

- образование гидроокисей -

А13+ +3ОН->А1(ОН)3 (1.8)

На алюминиевом или железном катоде в природной воде могут протекать следующие электрохимические процессы:

- деполяризация мигрирующими ионами -

Н++>Н, или Fe3+ +>Fe2+;

- деполяризация нейтральными молекулами -

О2 + 4 + 2Н2О>4ОН- - в щелочной среде,

О2 + 4Н+ + 4 > 2Н2О - в кислой и нейтральной среде, (1.11)

или С12 + 2>2С1; (1.12)

- восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, например, окислов -

Fe2+ + 2+ Fe°, (1.13)

Fe3O4 + Н2О + 2>3FeO + 2ОН-, (1.14)

- восстановление органических соединений -

RO + А + 4Н+ > RH2 + H2O, (1.15)

R + 2+ 2Н+ > RH2, (1.16)

где R -- радикал или органическая молекула.

Из перечисленных катодных процессов в природной воде в основном протекает кислородная и водородная деполяризация, причем, каждая из этих реакций в зависимости от условий может превалировать.

Кроме того, на алюминиевом катоде возможно протекание химической реакции взаимодействия алюминия с водой (1.17):

2А1 + 6Н2О = 2А1(ОН)3 + 3Н2^ (1.17)

Эта реакция становится возможной благодаря значительному повышению рН (до 10,5-12) в прикатодном слое во время электролиза и растворению защитной пленки Аl2О3 в щелочной среде. Повышение рН связано с разрядом на катоде водородных ионов и уменьшением их концентрации в растворе. Это приводит к диссоциации новых молекул воды, и у катода скапливаются гидроксильные ионы. Выделение водорода на поверхности алюминиевого катода также способствует переходу металла в активное состояние.

Электролиз также сопровождается выделением на электродах пузырьков газа (водорода, кислорода и др.), которые способны переносить вещество из жидкости на ее поверхность («электрофлотация»). Перенос осуществляется, как правило, пузырьками водорода, выделяющимися на катоде. Степень насыщения жидкости в пузырьками водорода прямо пропорциональна плотности тока i мА/см2 и обратно пропорциональна скорости подъема пузырьков водорода V, см/с (1.18):

, (1.18)

где k - электрохимический эквивалент водорода, г/К;

з - выход по току, %;

сг - плотность газовых пузырьков.

Под действием внешнего электрического тока происходит движение в воде взвешенных твердых частиц, пузырьков газа, капель другой жидкости и коллоидных частиц. Это явление получило название электрофореза.

Известно [1-А], что на процесс растворения алюминия оказывает влияние ряд физико-химических, электрических и гидродинамических факторов: активная реакция среды, ее солевой состав, температура, состав металлического алюминия, плотность тока, частота смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространстве и др. (табл.1.1).

Таблица 1.1 Влияние физико-химических, электрических и гидродинамических факторов на процесс растворения алюминиевого электрода

№ п/п	Фактор	Замедлят растворение	Повышает растворение
1	2	3	4
1	Температура	Начиная с 45оС, препятствует образованию осадков на электродах, увеличивает скорость растворения оксидной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства	Резкое возрастание при изменении температуры от 2 до 30 оС
2	Активная реакция среды pH	Интенсивное хлопьеобразование при рН от 3 до 10 для водопроводной воды и от 3,7 до 8 - дистиллированной	Плавное повышение в кислых средах (рН<4) и резкое в щелочных средах (рН>8)
3	Анионный и катионный состав воды	SO42- и НCO3- тормозят процесс растворения алюминия - угнетают Cl-; в бикарбонатных, бикорбанатно-сульфатных и сульфатных средах, но повышается напряжение в электродах; особенно низкое в гидрокарбонатных средах	Cl- увеличивает растворение до 100%; нейтральное действие оказывают ионы Na+, Ca2+, Mg2+
4	Плотность тока и скорость водного потока	Для стабильного выхода плотность 1-4 мА/см2 ; при плотности >10 мА/см2 снижение выхода и рост напряжения в электродах;	Увеличение плотности в пределах 1-4 мА/см2 приводит к увеличению растворения;
		Скорость заметного влияния не оказывает. Рекомендуется 10-400 м/ч

вода очистка электролиз

Коррозионная стойкость, а также потенциал алюминия и его сплавов в значительной степени зависят от активной реакции среды. Прогнозировать коррозионную стойкость алюминия позволяют диаграммы Пурбе (рис. 1.2). Однако выделенные на диаграммах зоны, вероятно, не могут быть постоянными и изменяются при изменении солесодержания воды и других факторов. Кроме того, скорость коррозии при изменении рН сильно зависит от вещества, которым производится подкисление или подщелачивание среды.

Все металлы, подверженные катодному разрушению, в зависимости от механизма разрушения, условно делят на две группы:

1) элементы главных подгрупп таблицы Менделеева - Sn, Pb, As, Sb, Bi;

2) элементы побочных подгрупп - Ti, Zr, Hf, U, Nb,Ta.

Рис. 1.2 - Диаграмма Пурбе. Области: I - коррозии; II - пассивности; III - катодной защиты.

Растворение алюминия, согласно месторасположению в таблице Менделеева, должно происходить с промежуточной фазой образования интерметаллических соединений. Увеличение скорости растворения алюминия в условиях катодной поляризации в средах с рН 4 и 10 объясняется некоторыми исследователями процессом химического растворения.

Использование инертных катодных материалов, не подверженных интенсивной коррозии, позволяет исключить катодное растворение, в то же время в значительной степени снижает процент полезного использования электроэнергии.

Процесс активного окисления алюминия может осложняться наступлением пассивного состояния. Это связано с образованием на поверхности алюминия окисной пленки.

Протекание электрохимических процессов на металлических электродах сопровождается адсорбцией на них неорганических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлять электрохимические реакции.

Для предотвращения образования осадка рекомендуется менять на электродах полярность тока. Однако смена полярности тока не всегда эффективна; в период переключения полярности резко снижается выход алюминия по току, и трудно удаляются осадки на электродах.

Процесс активного окисления металлов при электролизе осложняется их пассивацией. Например, на поверхности алюминия оксидная пленка образуется в результате реакций (1.19, 1.20):

2Аl3+ + 3О2- > А12О3; (1.19)

2А1 + 30 > А12О3. (1.20)

При этом потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Толщина пленки зависит от условий ее образования.

Оксидная пленка может иметь различные составы, структуру и в связи с этим разные свойства. Например, б-А12О3 имеет гексагональную кристаллическую решетку и плотность 4, г-А12Оз--кубическую и плотность 3,7 и т.д.

Степень активности алюминиевого анода в значительной мере зависит от природы и концентрации присутствующего в растворе аниона. Из всех анионов на активность алюминиевого анода наибольшее влияние оказывает хлор-ион.

Механизм активирующего действия хлорид-ионов связан с их небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результате чего она разрушается.

С1- > Вr- > J- > F- > SO42- > NO3- > РО43- (1.21)

Активация алюминиевого анода хлорид-ионами также объясняется сильным замедлением процесса образования окисной пленки, связанным с адсорбционным вытеснением кислорода. Повышение концентрации сульфатов по отношению к постоянной концентрации хлоридов приводит к полному угнетению активирующего действия хлорид-ионов на окисную пленку. Схема структуры анодной оксидной пленки и механизма ее роста приведены на рис. 1.3. Рост температуры воды препятствует образованию осадков на электродах, увеличивает скорость растворения пассивной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленка становится рыхлой и легко удаляется с поверхности алюминия. Особенно усиливается разрушение окисной пленки в присутствии хлорид-ионов, сорбция которых на алюминии с повышением температуры возрастает [1-А].

Рис. 1.3 Схема структуры анодной оксидной пленки и влияние ионов на процесс ее образования и разрушения в средах:

а - сульфатных; б - хлоридных.

2. Современный анализ технологии электрохимической очистки

Электрокоагуляционный метод очистки природных вод давно привлекает исследователей и практиков разных стран и характеризуется компактностью установок, возможностью автоматизации процесса, легкостью регулирования его параметров, высокой эффективностью, а в ряде случаев исключительной возможностью удаления из воды отдельных загрязнений.

В настоящее время метод электрокоагуляции получил развитие как эффективный и прогрессивный способ подготовки воды для хозяйственно-питьевого, промышленного водоснабжения и для очистки сточных вод.

Электрохимические реакции позволяют без дополнительных затрат на химических реагентов преобразовать пресную или слабосолоноватую природную воду в высокоактивный технологический раствор, обладающий практически любыми необходимыми функциональными свойствами.

Электрокоагуляция может использоваться для осветления, обесцвечивания, обескремнивания, обезжелезивания, обескислороживания, частичного умягчения и других способов обработки воды. Она позволяет во многих случаях не только извлечь загрязняющие вещества, но и вернуть очищенные воды в производство для повторного их использования. При электрокоагуляции удаление ионов тяжелых металлов происходит за счет повышения рН воды и образования гидроксидов железа и других металлов [2-А].

В последние годы появляется ряд работ, указывающих на возможность применения данного метода для удаления из воды соединений железа, кремния, марганца, кобальта, никеля, селена, стронция, органических веществ, кислорода, водорослей, бактерий и других загрязнений, относящихся ко всем четырем группам классификации примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию [6].

Анализируя литературные данные, следует отметить, что метод электрокоагуляции в последние годы довольно активно внедряется в производство.

К его преимуществам можно отнести:

1) очистка воды до нормативов ПДК;

2) использование очищенной воды в обороте;

3) исключение расхода реагентов;

4) незначительные площади под оборудование.

Недостатками электрокоагуляционного метода являются:

1) расход металла на растворимые аноды;

2) пассивация анодов;

3) невозможность очистки концентрированных сточных вод без их разбавления [8].

Электрокоагуляция может использоваться для осветления, обесцвечивания, обескремнивания, обезжелезивания, обескислороживания, частичного умягчения и других способов обработки воды [9].

Первые исследования по применению метода электрокоагуляции для очистки воды были проведены инженером А.Д. Абрамкиным. При плотности тока 10 А/м2, расходе железа 2 г и электроэнергии 1 кВт-ч на 1 м3 воды высокоцветная вода, содержащая 16,5 мг/дм3 гидрокарбоната железа и 25 мг/дм3 оксида кальция, проходя через электролизер с цилиндрическими железными электродами, полностью осветлялась, обесцвечивалась, обезжелезивалась и становилась пригодной для питья, а при повышенных расходах электродного материала и электроэнергии (до 20 кВт-ч/м3) становилась пригодной для питания паровых котлов.

Значительные исследования по электрокоагуляционной очистке питьевых вод с применением алюминиевых и железных электродов описаны в работах А.И. Изъюровой и И.П. Овчинкин. При использовании алюминиевых анодов, силе тока 0,35 А, напряжении 6 В и расходе алюминия 15 мг/дм3 достигалось снижение цветности воды с 72 до 6 градусов американской шкалы и увеличение ее прозрачности через 1 час с 1,6 до 4,5 см, через 3 часа - до 22 см, через 4 часа - до 36 см. Исследователи указывали, что электрокоагулированием достигалось осветление даже такой устойчивой мутности, которая создается коллоидной глиной.

Исследования по очистке питьевых вод в электролизерах с алюминиевым анодом проводились и за рубежом американскими исследователями Фредом Е. Стюартом и Чарльзом Ф. Бониллой. Очистка воды электрокоагуляцией поверхностных источников с различными цветностью, содержанием взвешенных веществ и жесткостью, показала, что необходимая степень осветления и обесцвечивания воды достигалась при расходе алюминия 7 г и электроэнергии 0,286 кВт-ч на 1 м3. Методом электрокоагуляции снижалась цветность с 70 до 14 град сильнощелочной, с повышенной жесткостью воды г. Майами.

Высокую эффективность метода электрохимического коагулирования воды показали исследования, проведенные в Англии, Голландии и США с использованием железных и алюминиевых электродов при небольших затратах электродного материала и электроэнергии.

С.П. Колосков и А.Ф. Комаров указывают, что электролитическим коагулированием при расходе 1,1 г алюминия и 0,005 кВт-ч электроэнергии на 1 м3 воды достигается удаление взвешенных веществ на 93%.

Исследованиями З.Я. Ярославского установлено, что электрокоагулированием при плотности тока от 1 до 20 мА/см2 эффективно снижалась мутность, высокая цветность, содержание железа и число бактерий в воде. Расход алюминия составлял 3,75-6,68 г, а электроэнергии 0,034-0,04 кВт-ч на обработку 1 м3 воды.

В.Д. Дмитриевым с сотрудниками установлено, что методом прерывистой электрокоагуляции может быть достигнута высокая эффективность снижения цветности воды в разные месяцы и сезоны года (цветность воды снижалась с 112,5 до 12,5 град). В результате обработки воды в проточном электролизере производительностью 35 м3/ч с использованием алюминиевых и медных электродов концентрация железа снижалась с 5,4 до 0,03 мг/дм3, достигалось полное осветление воды, удаление аммонийного и нитритного азота и снижение на 20% концентрации SiO2. Расход алюминия составлял 0,16 мг/дм3, электроэнергии 0,04-0,06 кВт-ч на 1 м3 воды.

Исследования по удалению коллоидных примесей железа, кремния и мышьяка, содержащихся в растворах при гидрометаллургическом производстве цинка были проведены проф. В.Д. Пономаревым и Д.А. Тараскиным. Обработка растворов с исходным содержанием до 4,3 г/дм3 SiO2, около 140 мг/дм3 мышьяка и 2 г/дм3 железа осуществлялась постоянным током на установке с алюминиевым или железным анодом при низких значениях рН и температуре 50-73°С. При плотности тока 1,0-1,3 А/м2 и расходе электроэнергии 19,5 кВт-ч/м3 остаточное содержание SiO2 составляло 1,5 г/дм3, мышьяка - 80 мг/дм3.

Методом электрокоагуляции проводилась очистка воды р. Неман. При дозе алюминия 7,8 мг/дм3 окисляемость исходной воды снижалась на 50%, жесткость - на 18,7 %, железо удалялось полностью. При производительности электрокоагуляционной установки 120 м3/ч экономический эффект электрохимической коагуляции во много раз превышал реагентную обработку.

Исследования по очистке воды, проводимые в Институте коллоидной химии и химии воды Академии Наук Украины, показывают возможность получения до 250-500 м3/ч качественной питьевой воды на электрокоагуляционных установках при напряжении до 12 В и силе тока 10-20 А.

Процесс электрокоагуляционного обезжелезивания природных вод исследован в работах профессора Николадзе Г.И. Им установлено, что в электрокоагуляторе с Al-анодами при плотности тока 0,2-0,3 А/дм2 содержание железа в воде при первоначальном значении 4,6 мг/дм3 снижалось до 0,3 мг/дм3. При этом достигалось улучшение качества воды по мутности, цветности, окисляемости и др. показателям.

С целью предотвращения пассивации и зашламления электродов рядом исследователей [3,6] предложены различные способы: механические скребки и щетки для снятия отложений, наложение однородного переменного тока различной частоты или магнитного поля и засыпка магнитных материалов в межэлектродное пространство, применение импульсного и асимметрического электрического тока, использование вращающихся электродов. Однако эти меры эффективны в отдельных конкретных случаях для относительно постоянного состава сточных вод. Более надежным приемом можно считать поддержание в межэлектродном объеме условий, предотвращающих образование мало- или нерастворимых соединений.

Методом электрокоагуляции удаляются из воды многие загрязнения, в том числе и соединения железа, содержание которого в природных водах превышает допустимые нормы в несколько раз. В соответствии с СанПиНом 10-124 РБ 99 в воде, подаваемой для хозяйственно-питьевых нужд, содержание железа не должно превышать 0,3 мг/дм3. А к воде, используемой в ряде производств (в теплоэнергетике, радиоэлектронике, промышленности искусственных и синтетических волокон и др.), предъявляются еще более жесткие требования к содержанию в ней железа, кремния и солей жесткости.

В Японии электрокоагуляционный метод перспективно развивается для очистки воды от соединений железа и кремния. В установке вода с расходом 2 м3/ч пропускалась через электролизер с алюминиевыми электродами, установленными на расстоянии 13 мм друг от друга. При температуре воды 50-55°С, постоянном токе силой 2,1 А и плотности 1 мА/см2, с наложением переменного тока силой 2,1 А и плотности 0,1 мА/см2 концентрация SiO2 снижалась с 14 до 1,7 мг/дм3. Цуда Акира приводит данные по обработке воды с содержанием железа 5,4 мг/дм3, рН = 6,6 и цветностью 40 град на установке производительностью 35 м3/ч.

Таким образом, проведенные разными авторами исследования показывают перспективность исследуемого метода электрокоагуляции в водоподготовке. Однако отсутствие систематических исследований проведения электрокоагуляционной очистки природных вод применительно для водоемов малой минерализации не позволяет широко внедрить и использовать данную технологию. Имеющиеся данные разрозненны.

Для нас представляло интерес найти условия и параметры эффективной электрокоагуляционной очистки природной маломинерализированной воды в электролизере с растворимым анодом при влиянии на процесс различных внешних факторов.

3. Исследования процесса растворения алюминиевого анода при изменении физико-химических факторов

вода очистка электролиз

В основе электрокоагуляционной очистки природной воды от загрязнений лежит процесс превращения примесей коллоидной степени дисперсности до грубодисперсного состояния под воздействием электрического тока. Коагуляция частиц обусловлена введением положительных многозарядных ионов металла, гидролизующихся с образованием гидроксидов и других промежуточных соединений (1.2, 1.7, 1.8).

Исследования процесса анодного растворения алюминия проводились на экспериментальной электролизной установке (рис. 3.1, 3.2) при одновременном изменении температуры воды и плотности тока. Показатели качества воды, взятой для исследования, приведены в табл. 3.1.

Рис. 3.1 - Схема электрохимической установки

1 - резервуар исходной воды; 2·- электролизер; 3 - выпрямитель тока;

4 - фильтр; 5 - бак очищенной воды



Рис. 3.2 - Электролизер

Таблица 3.1. Показатели качества воды р. Мухавец, используемой в опытах

Температуру воды изменяли в пределах от 5 до 90єС термостатированием. Электроды из алюминия и нержавеющей стали с расстоянием между пластинами 5 мм помещались в устройство из органического стекла вместимостью 1,5 дм3. Общая рабочая поверхность электродов составляла 1 050 см2. Поверхность анодов перед каждым опытом зачищалась мелкозернистой наждачной бумагой, затем обезжиривалась в течение 15 с в растворе 10% NaОН и обрабатывалась в течение 30 с в растворе 30% HNО3. После тщательной промывки электроды высушивались фильтровальной бумагой. Постоянную температуру для исследований поддерживали, помещая электролизер в ультратермостат U-8. Постоянный электрический ток поступал от выпрямителя ВСК-5К, сила тока и напряжение на электродах фиксировались ампервольтметрами с классом точности 0,5. Выход алюминия по току определяли по методике предложенной А.А. Резниковым и др. Водородный показатель определяли электрометрическим методом при помощи иономера И-130.2М.1. Для подтверждения точности результатов, полученных аналитическим определением, в отдельных опытах производили взвешивание анода до и после электролиза.

Результаты исследований представлены в виде кривых и таблиц. Они отражают зависимость выхода алюминия по току от температуры воды при различной длительности процесса электролиза и плотности тока.

Проанализировав полученные зависимости, можно сделать следующие выводы. При повышении температуры воды от 5 до 60°С в первые несколько часов электролиза выход алюминия по току увеличивается (рис.3.2). Одновременно проявляется зависимость процесса от плотности тока: выход алюминия по току тем больше, чем выше плотность тока при данной температуре воды. Особенно это проявляется при изменении температуры от 5 до 40°С.



Рис. 3.2 - Зависимость выхода алюминия по току от температуры воды при плотности тока 2 (1), 5 (2), 10 (3) мА/см2.

Как видно из рис.3.2, выход алюминия по току также значительно повышается при температуре воды от 5 до 40°С, при повышении температуры до 50°С - увеличивается незначительно, при дальнейшем повышении температуры (выше 50°С) процесс несколько замедляется.

Объяснить увеличение выхода алюминия по току можно следующим: при повышении температуры воды увеличивается скорость химического взаимодействия алюминия с водой на активных участках поверхности, а именно, в местах с разрушенной оксидной пленкой. Увеличение плотности тока также интенсифицирует в начальный период процесс электролиза. Замедление и понижение выхода алюминия по току при температуре воды более 60 °С, по мнению проф. А.Ф. Богоявленского и В.Т.Белова, связано с объемным уплотнением коллоидного гидроксида алюминия в макропорах алюминиевого анода за счет его гидратации и набухания. При этом происходит сужение межмицеллярных пространств и частичное капсулирование макропор.

Изменяется в процессе электролиза и расход электроэнергии на обработку единицы объема воды. Так, при постоянной плотности тока 2 мА/см2 и повышении температуры воды от 5 до 90°С он уменьшается с 4,0 до 1,1 Вт-ч/м3 воды соответственно (табл.3.2).

Таблица 3.2. Зависимость расхода электроэнергии от температуры воды

На рис.3.3 показана зависимость изменения выхода алюминия по току при различной длительности работы электролизера от температуры воды и плотности тока.

Активное растворение алюминиевого анода, как показывают данные исследований, происходит при плотности тока от 2 до 4 мА/см2 в пределах исследованных температур от 5 до 45°С. При таких параметрах и длительности работы электролизера в пределах 200 часов выход алюминия по току остается почти неизменным, при этом поверхность анода растворяется равномерно, на ней образуется множество мелких питтингов. Выход алюминия по току начинает резко уменьшаться через некоторое время после начала электролиза при плотности тока 5 мА/см2 и выше при повышении температуры до 45°С.

Так, при плотности тока 5 мА/см2 и температуре воды 5°С выход алюминия по току за 150 часов процесса электролиза снижается плавно и уменьшается лишь на 1%, а за 200 часов электролиза при этой же температуре - на 18,5%. При той же плотности тока и температуре воды 45°С выход алюминия по току уже за 35 часов снижается на 18,5%, а через 100 часов процесса электролиза выход алюминия по току полностью прекращается. При плотности тока 10 мА/см2 снижение выхода алюминия по току происходит резко за более короткое время. Так при температуре воды 45°С выход алюминия по току через 15 часов процесса электролиза снижается на 120%, а через 100 часов полностью прекращается.



Рис .3.3. Зависимость выхода алюминия по току от плотности тока (i) и температуры (t) воды при различной длительности работы электролизера ():

1,2,3 - i= 2 мА/см2, t=5, 20 ,50°С;

4,5,6 - i=10 мА/см2,t=5, 20, 50°С.

Одновременно с уменьшением выхода алюминия по току при повышении температуры воды и плотности тока возрастает напряжение на электродах. Это приводит к нагреванию раствора и перерасходу электроэнергии.

Исследования процесса анодного растворения алюминия при изменении температуры воды показали, что активное растворение алюминиевого анода происходит при температуре воды от 5 до 50°С и плотности тока от 2 до 4 мА/см2. Использование более высоких плотностей тока при повышении температуры воды снижает выход алюминия по току и повышает напряжение на электродах.

Заключение

Водные ресурсы являются важнейшим компонентом природной среды, которые определяют возможность устойчивого развития любого крупного региона, от них зависит уровень жизни и здоровье населения. Вода играет исключительно важную роль в геологических процессах, жизнедеятельности человека, разнообразии природных экосистем и в их функционировании. С ростом городов, развитием различного рода водоемких отраслей промышленности, увеличением расхода воды на производство продуктов сельского хозяйства проблема обеспечения высококачественной водой с каждым годом усложняется [1].

Существенным преимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки воды является их экологичность - возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений. Эксплуатацию установок можно значительно упростить, т.к. электрохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматизации. Электрокоагуляция позволяет осуществлять процесс очистки воды в компактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках и особенно удобна для небольших автономных объектов (на судах речного флота, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т.д.) [6].

Проведенные исследования процесса анодного растворения алюминия при изменении физико-химических факторов показали, что активное растворение алюминиевого анода происходит при температуре воды от 5 до 50°С и плотности тока от 2 до 4 мА/см2. Использование более высоких плотностей тока при повышении температуры воды снижает выход алюминия по току и повышает напряжение на электродах. Результаты исследований могут быть использованы для повышения эффективности работы электролизных установок на небольших автономных объектах, в детских лагерях, сельских поселках и др.

Список использованных источников

вода очистка электролиз

1.Водные ресурсы Брестской области. Волчек А.А., Калинин М.Ю. - Мн.: Издательский центр БГУ, 2002 - 440с.: ил.

2.Щербаков Г.А. Состояние загрязнения поверхностных и подземных вод в РБ. / Журнал «Строительство и недвижимость». - 2005. - №2. - С.22.

3.Кудельский А.В. Экология и национальная безопасность / Беларуская думка. -1997. - № 7.

4.Гуринович А.Д. Современные стратегии повышения эффективности систем водоснабжения и водоотведения населенных мест, сельскохозяйственного и промышленного производства / Журнал «Вода». - №9. - 2005. - С.4.

5.Ганбаров Э С. Безреагентная очистка поверхностных вод с использованием электрохимического окисления и сорбции. /Журнал «Водоснабжение и санитарная техника» №2, 2003, с.21.

6.Технология очистки природных вод. Кульский Л.А., Строкач П.П.- К.:Вища школа, 1986.- 352 с.

7.Седлуха С.П., Софинская О.С., Доценко О.Т. Вопросы обезжелезивания подземных вод не теряют своей актуальности / Журнал «Вода». - №11.- 2005. - С.21.

8.Вурдова Н.Т., Фамичев В.Г. Электродиализ природных и сточных вод. - М.: Изд-во АСВ, 2001. - 144 с.: ил.

9.Яловая Н.П. Перспективы электрокоагуляционной технологии очистки природных вод для небольших автономных объектов // Вестн. Брест. госуд. техн. ун-та. - 2006. - №2(38). - С.70-73.

Размещено на Allbest.ru

...