Коагуляционная очистка сточных вод

Формула не отражает механизма явлений, протекающих при обработке воды коагулянтами, но позволяет показать, что с ростом щелочности доза реагента для мутных вод уменьшается так же, как при повышении температуры и рН.

Глава 2. Электрогоагуляция нефьсодержащих сточных вод

Воздействие однородного электрического поля на дисперсные системы приводит к процессу электрокоагуляции. Под действием поля из коллоидных частиц и капель эмульсий образуются цепочечные агрегаты, ориентированные вдоль вектора напряженности. Этот эффект используют при обработке технологических растворов, природных и сточных вод.

Электрокоагуляция как метод превращения примесей коллоидного размера в грубодисперсное состояние основывается на множестве физико-химических процессов, протекающих в жидкости под воздействием электрического тока. Электрокоагуляция может протекать за счет энергетических изменений на границе раздела частица—жидкость и изменения кинетических факторов. Для частиц с низкой устойчивостью кинетические факторы играют превалирующую роль, а для частиц с высокой устойчивостью требуется нарушение равновесия на границе раздела в целях снижения их заряда, изменения толщины ДЭС или адсорбционносольватных слоев на поверхности.

Возможно протекание ряда процессов:

• электростатическая (поляризационная) коагуляция — диполь- дипольное взаимодействие частиц за счет сил притяжения, возникающих при наложении электрического поля;
• электрохимическая коагуляция — взаимодействие частиц при изменении их заряда или толщины ДЭС в результате изменения физико-химических свойств растворов в межэлектродном пространстве;
• электролитическая коагуляция — взаимодействие частиц при введении потенциалобразующих ионов металла за счет электрохимического растворения электродов;
• гидродинамическая коагуляция — слипание частиц за счет увеличения числа их столкновений при перемешивании жидкости в электрореакторе;
• концентрационная коагуляция — увеличение числа столкновений частиц, приводящих к слипанию, за счет повышения их локальных концентраций в электродном пространстве при транспорте, осаждении на электродах.

Влияние указанных составляющих электрохимического процесса на коагуляцию частиц определяется их размерами, электрическими свойствами, материалом электродов, ионным составом воды, технологическими параметрами электролиза.

В полярных жидкостях между частицами, находящимися в электрическом поле, возникает притяжение, проявляющееся на расстояниях, в 2 — 3 раза превышающих их размер. В результате образуются линейные цепочки-агрегаты, ориентированные вдоль поля. Энергия поляризационного взаимодействия частиц существенно зависит от напряженности поля и размера частиц. При выключении поля может происходить пептизация частиц, что плохо с точки зрения очистки сточных вод.

Причиной электрохимической коагуляции следует считать изменение при электролизе физико-химических свойств раствора, в первую очередь pH. В приэлектродных слоях при малой (0,1 — 0,5 мм) их толщине, но достаточной для пребывания частицы в этом слое, характерно подкисление или подщелачивание растворов. Изменение pH среды обеспечивает диссоциацию поверхностных групп, что приводит к изменению заряда частиц и дальнейшей коагуляции. Возможно протекание окислительно-восстановительных реакций на границе раздела, приводящих к избытку или недостатку электронов на поверхности. Снижение устойчивости дисперсных систем при изменении pH происходит по нейтрализационному механизму.

Электролитическая коагуляция частиц обусловлена введением многозарядных ионов металла, гидролизующихся в воде с образованием гидроксидов и других промежуточных соединений.

Механизм процесса заключается в изменении заряда поверхности частиц за счет специфической сорбции при введении многозарядных ионов (Al3+, Fe3+, Fe2+ и др.), приводящей к снижению заряда частиц и коагуляции, а также за счет образования малорастворимых соединений металла, которые взаимодействуют с коллоидными частицами, имеющими противоположный заряд. Скорость коагуляции значительно выше при образовании малорастворимых соединений.

Процесс электролитической коагуляции включает этапы:

• генерацию ионов металла на поверхности электрода;
• миграцию ионов с поверхности в объем раствора;
• образование малорастворимых соединений металла с компонентами раствора;
• адгезию коллоидных частиц примесей и образовавшихся малорастворимых соединений.

Анодное растворение металлов идет последовательно в несколько стадий:

1. специфическая адсорбция анионов на поверхности металла

(адс.)

2. электрохимическая стадия — переход комплекса в раствор

• распад комплекса на простые ионы или продукты гидролиза

Многостадийность процесса растворения обусловливает правомочность применения теории фазово-дисперсных превращений к оценке данного процесса. Например, анодное растворение железа при pH > 2 можно представить схемой:

1. Fe + ОН ↔ Ре(ОН)+(адс.) + 2е-
2. Fе(ОН)+(адс.) + ОН- ↔ Fе(ОН)2(адс.)
3. Fe(OH)2(aдс.) ↔ Fe(OH)2(p.)
4. Fe(OH)2(p.) ↔ Fe(OH)+ + ОН-
5. Fe(OH)+ ↔ Fe2++ ОН-

Вероятно, лимитирующей стадией является стадия отрыва молекулы гидроксида от кристаллической решетки и ее транспорт в объем электролита.

При наличии условий в приэлектродном пространстве, препятствующих диссоциации комплекса на простые ионы, а также при отсутствии механических воздействий, благоприятствующих отрыву молекулы от поверхности электрода (перемешивание жидкости, движение газовых пузырьков у электрода, вибрация электродов и т.д.), молекулы закрепляются на поверхности, образуя моно-, а затем и полимолекулярные слои. Электропроводность границы раздела фаз резко падает, что приводит к падению тока. Диффузии молекул с поверхности электрода также благоприятствуют указанные факторы.

Из применяемых аппаратов для электрокоагуляции с растворимыми электродами наиболее широко используют бездиафрагменные электрокоагуляторы пакетного типа. Расстояние между электродами составляет 6—8 мм, но при этом возможно забивание межэлектродного пространства продуктами реакций. Поэтому расстояние увеличивают до 10—15 мм.

В целях интенсификации процесса удаления шлама с поверхности аппарата предложены электрокоагуляторы с растворимыми электродами и «газовым слоем»; последний позволяет повысить газосодержание обрабатываемой жидкости в 2—3 раза. Основными недостатками используемых электрокоагуляторов до сих пор остаются необходимость использования листового металла и пассивация электродов.

Эффект электрохимической очистки воды от ПАВ — 60 —70 %, жиров — 75 —90 %, взвешенных веществ — до 95 % и т.д. Продолжительность электрокоагуляции — 3 — 30 мин, расход металла — 5 — 200 г/м3, энергозатраты — 0,2—2,5 кВт-ч/м3.

Разновидностью электролитической коагуляции является элек- трореагентная коагуляция, когда взаимодействие примесей воды осуществляется под действием тока за счет введения пониженных по сравнению с расчетными дозами химических реагентов. При этом возможно использование растворимых или нерастворимых анодов (графит, ОРТА и др.), а также растворимых катодов, например алюминиевых. С введением коагулянта повышается концентрация электролита и соответственно его электропроводность, что снижает энергетические затраты на процесс. Кроме того, образующиеся химическим путем гидроксиды металлов под воздействием электрического тока приобретают более активные свойства, чем при обычной коагуляции. Гидроксиды, генерируемые электрохимически, конденсируются на «затравке» — частицах, образующихся при гидролизе коагулянтов. Сродство структур гидроксидов и продуктов гидролиза улучшает молекулярное и адсорбционное взаимодействия между ними.

Электродом может служить и металлическая стружка, загружаемая в специальные кассеты с графитовым токопроводом. Наработанный таким образом коагулянт собирают в емкости, откуда дозируют в обрабатываемую воду. Такие электрокоагулянты обеспечивают стабильный выход при низких затратах энергии. Однако получаемый коагулянт имеет пониженную коагулирующую и адсорбционную способность из-за длительного хранения. Перспективно применение отходов производства, в частности металлической стружки, для генерации коагулянта. Предложены аппараты, в которых над слоем стружки располагают диэлектрическую перфорированную пластину, выше которой расположен катод, а в пространство между ними подают обрабатываемую воду. Однако в таких аппаратах возможно зашламовывание межстружечного пространства. Для предотвращения этого растворение металла проводят в анодной зоне при pH 4 — 5. Ионы металла мигрируют в катодную зону под действием поля.

Другой разновидностью являются аппараты, в которых совмещены процессы изменения pH обрабатываемой воды и растворения стружки. Анодное (катодное) растворение металла происходит в кислой (щелочной) среде, получаемой за счет предварительного подкисления (подщелачивания) обрабатываемой воды в электролизере с неактивной диафрагмой. Стабильная генерация

ионов металла возможна при снижении pH растворов, контактирующих с растворяющимся металлом до значений, обеспечивающих предотвращение образования нерастворимых соединений на границе электрод—раствор.

В последние годы все большее распространение получает метод гальванокоагуляции. Коагулянт генерируют во вращающихся, частично погруженных в обрабатываемую воду барабанах, в которые помещают смесь железной и медной стружки, образующую гальванопару. Соотношение масс железной и медной стружки 2,5:1, оптимальное pH 2—4, скорость вращения барабана 30—60 об/мин. Вращение барабана обеспечивает контакт стружки с воздухом и очищает ее поверхность от продуктов реакции.

Гальванокоагуляцию применяют при очистке сточных вод от примесей тяжелых металлов. Вместо медной стружки используют измельченный активированный уголь, частицы кокса и т.д. К преимуществам гальванокоагуляции следует отнести отсутствие затрат электроэнергии на процесс электролиза. Однако для проведения процесса требуются аппараты больших габаритов, создающие значительный шум и вибрацию. Для очистки сточных вод расходом 2—4 м3/ч требуется барабан длиной 3,5 м и диаметром 1,2 м, а рост расхода сточной воды до 10 м3/ч требует увеличения длины барабана до 10 м. Общий расход энергии на очистку 1 м3 воды достигает 1 — 2 кВт • ч.