Електрохімічний реактор з нерозчинними точковими біполярними фазами для очищення шахтних вод

Размещено на http://www.allbest.ru//

Електрохімічний реактор з нерозчинними точковими біполярними фазами для очищення шахтних вод

Саблій Л.А. доц. к.т.н.

Проведено аналіз конструктивних особливостей різнотипів електрохімічних реакторів для очищення шахтних вод. Представлені основні елементарні стадії перетворень процесів очищення шахтних вод електрохімічним способом. Наведена конструкція установки та ефективність очищення в ній.

The analyses of electrochemical device design features for mine water treatment are revised. Elementary stages of electrochemical processes transformation are presented. Electrochemical device for mine water treatment and treatment efficiency are given.

реактор очищення шахтний

Проблема в очищенні шахтних вод вугільно-видобувних підприємств стає все більш гострішою. При функціонуванні шахт вугільно-видобувних підприємств України на великих глибинах проводиться відкачка притоку шахтної води з підвищеним рівнем мінералізації (до 10 г/дм3) за трьохступінчатою схемою водовідливу з супутнім механічним очищенням та скидом до водних джерел [1]. Закриття та ліквідація вугільних шахт є чинником, який призводить до погіршення екологічного стану регіонів через підняття, підтоплення, затоплення територій, збільшення мінералізації водних об'єктів через потрапляння в них не достатньо очищених шахтних вод. Висока мінералізація шахтних вод вугільно-видобувних підприємств, як характеристика забрудненості вимагає нових підходів, які доповнюють класичні способи очищення [2]. Так при механічному очищенні шахтних вод відстоюванням ефективність очищення по завислим речовинам становить в основному 30-40%. Такі значення обумовленні високою дисперсністю завислих речовин в шахтній воді - пилоподібних продуктів гірських порід. Поруч з цим шахтні води характеризуються високим аніонно-катіонним складом, який і обумовлює їх основну мінералізацію. Мінералізація шахтних вод для закритих та ліквідованих шахт в 15-40% перевищує мінералізацію шахтних вод тих шахт, які функціонують. Це пов'язано з відсутністю розбавлення шахтних вод водою, яка використовується на забезпечення процесу вуглевидобутку. Способи очищення та розроблені рекомендації з прийняття технологічних рішень щодо очищення шахтних вод перед спорудами остаточної демінералізації включають блоки реагентної обробки води [2]. В порівнянні з водопідготовкою підземних вод та очищенням стічних вод промислових підприємств з високою мінералізацією перспективними для очищення шахтних вод є електрохімічні способи. Реалізація очищення шахтних вод електрохімічним способом може бути здійснена в установках різних конструкцій. В залежності від виконання установок електрохімічних реакторів будуть різними і процеси самого очищення води.

Метою роботи було проведення аналізу конструктивних особливостей електрохімічних реакторів для очищення води, характеристика процесів очищення в них, вибір установки для очищення шахтних вод електрохімічним способом.

Існує велика кількість різновидів установок для очищення води електрохімічним способом [3, 4]. Конструкції електрохімічних реакторів для очищення води поділяють на фільтр-пресійні та коробчасті. Коробчасті електролізери набули широкого поширення для оброблення електролітів в металорудній промисловості та для очищення води. В свою чергу, коробчасті електролізери поділяють на відкритого (без поділу реакційного середовища), мембранного (діафрагмового) та об'ємно-завантажувального типу.

При реалізації очищення води електрохімічним способом в установці мембраного типу вихідна вода подається одночасно в анодну та катодну камери електролізера, при цьому має місце наступний характер проходження елементарних стадій процесу очищення:

Анодна камера електрохімічного реактора для очищення води

(1)

(2)

(3)

Катодна камера електрохімічного реактора для очищення води

(4)

(5)

(6)

З метою вилучення йонів важких металів з промислових стічних вод [5] запропоновано оригінальну конструкцію електрохімічного реактора мембраного типу. Відмінність очищення води в такого типу установках полягає лише в каскадному проходженні вихідної води через катодні відділення комірок електрохімічного реактора, що дає можливість роздільного вилучення йонів важких металів на кожному ступені очищення. При очищенні води в установках відкритого типу поділ реакційного середовища по показнику активної реакції середовища (рН) не здійснюється. Але при цьому позитив-потенціальна струмопровідна фаза (анод) виконується з металорозчинного струмопровідного матеріалу (Ферум, Алюміній). При проходженні електричного струму метал електроду переходить в об'єм реакційного середовища в йонному стані, де згодом утворює нерозчинні у воді сполуки:

(7)

При очищенні води електрохімічним способом важливим моментом є вибір схеми підключення електродів та схеми руху води в електролізері. Монополярне підключення електродів забезпечує однаковий розподіл величин напруги та сили струму в міжелектродному просторі об'єму електролізера. Біполярне підключення електродів розподіляє величини сили струму та напруги в міжелектродному просторі в залежності від зміни характеристик води, по мірі її проходження в об'ємі установки. При виборі багатопоточної схеми руху води в електролізері необхідно забезпечити більший час контакту води з електричним струмом і, як результат, більшу кількість витратних матеріалів, більший об'єм електролізера. При цьому ефект пасивації електродів при багатопоточній схемі руху води стримує використання такого виду виконання електролізерів. Для боротьби з пасивацією рекомендується застосовувати однопоточну схему, при якій вода рухається по лабіринту утвореному в результаті розташування електродів [3].

Враховуючи вище викладене, з метою інтенсифікації очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств нами на кафедрі водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції НУВГП було сконструйовано та виготовлено установку електрохімічного реактора з нерозчинними точковими біполярними струмопровідними фазами (рис. 2). Конструктивно установка складається з призматичного корпусу, в якому розміщуються пакети електродів. Для збору та відведення утвореного флотошламу з міжелектродного простору в бічній поверхні установки передбачені наскрізні шпоночні вирізи. Рівномірний розподіл та збір води в установці забезпечується системами 1 та 5. Електродні пакети являють собою нерозчинні точкові біполярні струмопровідні фази. Основою струмопровідних фаз є твердий полімер, в якому виконані циліндричні наскрізні отвори діаметром 10-12 мм. В отвори полімерної основи встановлені циліндричні нерозчинні струмопровідні фази з наскрізними отворами діаметром 1-2 мм. Відміністю є те, що полімерна основа пакетів електродів розташовується ортогонально лінійному руху шахтної води.

Рис. 2. Електрохімічний реактор для очищення шахтної води

1 - подача вихідної шахтної води на очищення, 2 - нерозчинні точкові біполярні струмопровідні фази, 3 - відведення утворених флотокомплексів, 4 - шпоночні наскрізні отвори для збору флотокомплексів, 5 - відведення очищеної води, 6 - відведення проб води з прианодного простору, 7 - теж саме, з ІІІ-ступеня очищення установки, 8 - теж саме, з ІІ-ступеня очищення установки, 9 - теж саме з І-ступеня очищення установки, 10 - теж саме, з прикатодного ступеня очищення

Характерною особливістю очищення шахтних вод в даній установці є зосередження електрики біля точкових струмопровідних фаз, що дає змогу всьому об'єму води безпосередньо контактувати з електродами в околі яких найбільша напруженість електричного поля. Крім того враховуючи закон діючих мас в електрохімічному реакторі утворюються нерозчинні у воді координаційні з'єднання, концентрація яких до рівноважного стану в одиниці об'єму може призвести до процесів рекомбінації в реакційне середовище. Тому для своєчасного відведення флотопродуктів передбачено влаштування збірної системи. За рахунок виконаних отворів в струмопровідних фазах значно зростає швидкість руху води, порівняно із вищеперерахованими типами установок. Турбулізація потоку води при вході та виході з отворів точкових біполярних електродів поряд з інтенсивним локальним пухірцеутворенням на межі поділу "струмопровідна фаза--шахтна вода" знижує до мінімуму можливість утворення пасивації. Розподіл напруги між ступенями очищення в даній установці можливо охарактеризувати величиною зміни питомого опору середовища(шахтної води) при однаковому розподілу сили струму (рис.3). В прикатодному просторі установки величина зміни питомого опору в порівнянні з міжелектродним простором проходить повільно. Це обумовлене процесами перерозподілу активних йонів в елементарному об'ємі шахтної води кожної з стадій очищення. Об'єм прикатодного простору менший за об'єм міжелектродного. Тому і для зниження питомого опору середовища в прикатодному просторі на величину зміни питомого опору в міжелектродному просторі необхідно більше часу її контакту з електричним струмом. На відміну від існуючих конструкцій в установці електрохімічного реактора з нерозчинними точковими біполярними струмопровідними фазами при проходженні шахтної води на кожному ступені величина напруги зростає, що дає змогу зкоординувати йони металів, які потребують вищих значень потенціалу, в нерозчинні у воді сполуки.

Рис.3. Зміна величини опору шахтної води на кожному ступені її очищення в лабораторній установці

Rin- опір вихідної шахтної води, кОм, Rex-опір шахтної води на кожному ступені очищення, кОм

Процеси очищення шахтних вод в установці електрохімічного реактора з нерозчинними точковими біполярними струмопровідними фазами характерезуються деякою специфікою. В полі негативно зарядженого приелектродного простору відбувається дисоціація молекул води на йони та інтенсивне виділення газоподібного Гідрогену (рис.4). В той же момент часу катіони металів, які містяться в вихідній шахтній воді, в полі негативно зарядженого приелектродного простору взаємодіють з аніонною групою ОН-1, утворюючи при цьому нерозчинні у воді сполуки.

Рис. 4. Схема процесів очищення води в електрохімічному реакторі з нерозчинними точковими біполярними фазами

1. Твердий полімер, 2. Негативно заряджений приелектродний шар, 3. Нерозчинна струмопровідна фаза, 4. Позитивно заряджений приелектродний шар.

При проходженні води до половини отвору в біполярній струмопровідній фазі елементарний об'єм води підпадає під дію вже позитивно зарядженого приелектродного простору реакційного середовища. В позитивно зарядженому приелектродному просторі реакційного середовища відбувається вивільнення газоподібного Оксигену і концентрації в об'ємі Гідроген-йонів. Кількість Гідроксид--йонів, яка не прореагувала за досить незначний проміжок часу взаємодіє з надлишковою кількістю Гідроген--йонів з утворенням молекул води. Тому загальна величина рН реакційного середовища знаходиться в межах нейтральних значень активної реакції середовища 6,5--8,5. В цьому випадку внаслідок висої стійкості зв'язку катіон металу--оксиген ніж катіон металу - гідроксильний ліганд відбувається часткова віддача від координаційного з'єднання металу у воді Гідроген--йону. Результатом цього є концентрація в реакційному середовищі більш стійких окси-координаційних з'єднань з розвиненою поверхнею контакту. Це дозволяє концентрувати на утвореній поверхні йонні залишки та високодисперсні завислі речовини шахтних вод, що збільшує ефективність очищення шахтних вод до 80--90%, не вводячи при цьому реакційних агентів [6, 7].

Реалізація очищення шахтної води в установці електрохімічного реактора з нерозчинними точковими біполярними струмопровідними фазами дозволить використати власний йонний потенціал шахтної води, без введення додаткових реагентів, глибше проводити процеси перетворення домішок завдяки стадійності очищення в установці та перерозподілу величини напруги між струмопровідними фазами в залежності від концентрацій забруднень у шахтній воді, збільшити ефективність очищення шахтних вод до 80--90%, без введення реакційних агентів.

Література

1. Проблемы разроботки крутых и крутонаклонных пластов на больших глубинах // Учебное пособие для вузов. Под общей ред. С.С. Гребенкина, С.В. Янко -Донецк: ОАО«УкрНТЭК», 2002. - 288с.

2. Шахтные и карьерные воды. Кондиционирование, использование, обессоливание и комплексная переработка // Ю.Н.Резников, В.Г.Львов, В.В.Кульченко.- Донецк: Каштан, 2003. - 242с.

3. Кульский Л.А. и др. //Электрохимия в процессах очистки воды/Л.А. Кульский, В.Д.Гребенюк, О.С.Савлук - К.:Техніка, 1987.-218с.

4. Прикладная электрохимия // Учеб. для вузов/ Под ред. докт. техн. наук проф. А.П. Томилова. - 3-е изд., перераб. М.: Химия, 1984 - 520с.

5. Мацнєв А.І., Россінський Р.М., Россінський І.М. // Очистка кислих шахтних вод безреагентним електрохімічним методом з добуванням іонів важких металів Вісник УДАВГ. Збірник наукових праць. Випуск 1(2) - Рівне, 1998. с. 202-205.

6. Россінський В.М., Саблій Л.А. // Інтенсифікація очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств електрохімічним способом // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів. Збірка доповідей VI Міжнародної кофнеренції аспірантів та студентів. Т.1- Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2007.- с. 58- 59.

7. Саблій Л.А., Россінський В.М. Спосіб та установка для очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств електрохімічним методом // Збірка доповідей Міжнародного конгресу ЕТЕВК-2007, Ялта, 2007.- с. 289-292

8. О.Н. Плескач, Е.С. Матлак // Исследование возможности использования шахтных вод закрываемых предприятий для водоснабжения региона. Збірка доповідей VI Міжнародної кофнеренції аспірантів та студентів. Т.1- Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2007.- с. 68-69.

Размещено на Allbest.ru