ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Электрохимические процессы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергиро­ванных примесей применяются процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при прохождении через сточ­ную воду постоянного электрического тока (рис. 6.8). Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при отно­сительно простой технологической схеме очистки, без использования хи­мических реагентов. Основным недостатком этих методов является боль­шой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, поляризация частиц, электро­форез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие про­дуктов электролиза друг с другом.

Эффективность электрохимических методов оценивается плотно­стью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования напря­жения, выходом по току, выходом по энергии.

Плотность тока - это отношение тока к поверхности электрода (А/м, А/см2).

Напряжение электролизера (рис. 6.8) складывается из разности элек­тродных потенциалов и падения напряжения в растворе:

U = Єа - Є к + ^а + ^к + AU эл + AU диаф, С66^

Где еа и ек - равновесные потенциалы анода и катода; Аеа и Аек - величи­на анодной и катодной поляризации; AUэл и АПдиаф - падение напряжения

В электролите и диафрагме.

Падение напряжения в электролите (сточной воде) при отсутствии пузырьков газа определяют по закону Ома:

AUэл = і - P-S, (6.62)

Где і - плотность тока в сточной воде, А/см ; р - удельное сопротивление,

Ом • см; 8 - расстояние между электродами, см.

При выделении газовых пузырьков, вследствие удлинения потока между электродами, AUэл возрастает.

Отношение Цнапр =(еа - ек)/ U называют коэффициентом полезного

Использования напряжения.

Выход по току - это отношение теоретически необходимого количе­ства электричества к практически затраченному, выраженное в долях еди­ницы или в % (процентах).

Анодное окисление и катодное восстановление. В электролизере (рис. 6.7) на положительном электроде - аноде ионы отдают электроны, т. е. протекает реакция электрохимического окисления; на отрицательном электроде - катоде происходит присоединение электронов, т. е. протекает реакция восстановления.

Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворен­ных примесей (цианидов, аминов, спиртов, альдегидов, нитросоединений, сульфидов, меркаптанов). В процессах электрохимического окисления ве­щества, находящиеся в сточной воде полностью распадаются с образова­нием CO2, NH3 и воды или образуются более простые и нетоксичные веще­ства, которые можно удалять другими методами.

В качестве анодов используют электрохимически нерастворимые ма­териалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу.

Катоды изготовляют из молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, из графита, нержавеющей стали и других металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами. Процесс проводят в электроли­зерах с диафрагмой и без нее.

Кроме основных процессов электроокисления и восстановления од­новременно могут протекать электрофлотация, электрофорез и электрокоа­гуляция.

Электрокоагуляция. При использовании нерастворимых электродов коагуляции может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе ве­ществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные оболочки на поверхно­сти частиц загрязнений. Такой процесс можно использовать для очистки сточных 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 гидроксильными группами, образу­ют гидроксиды металлов в виде хлопьев, и наступает интенсивная коагу­ляция.

С повышение концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эф­фективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на анодное растворение металла уменьшается. Электрокоагуляцию рекомендуется проводить в нейтральной или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м, расстоянии между электродами не более 20 мм и скорости движения не менее 0,5 м/с.

Достоинства электрокоагуляции: отсутствие потребности в реаген­тах, малая чувствительность к изменениям условий процесса очистки, по­лучение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Не­достаток метода - повышенный расход металла и электроэнергии.

Электрофлотация. В этом процессе очистка сточных вод проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На ано­де возникают пузырьки кислорода, а на катоде — водорода. При использо­вании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулян­тов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образую­щиеся на катоде. Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при других методах флотации. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырьки водорода обладают большей растворимостью, чем круп­ные. Из пересыщенных газом растворов сточных вод мельчайшие пузырь­ки выделяются на поверхности частиц загрязнений, способствуя эффекту флотации. Оптимальное значение плотности тока 200.260 А/м, газосо­держание — около 0,1%.

Электродиализ. Процесс очистки сточных вод электродиализом ос­нован на разделении ионизированных веществ под действием электродви­жущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот про­цесс широко используют для опреснения соленых вод.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм эффективность процесса повышается и снижается расход элек­троэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные мембраны представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом. Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением.

Расстояние между мембранами оказывает большое влияние на эф­фективность работы электродиализатора. Оно составляет 1.2 мм.

Расход энергии при очистке воды, содержащей 250 мг/л примесей до остаточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт-ч/м. С увеличением солесодержания в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению показателей очистки.