Расчет электрокоагулятора

Содержание

 Введение

Общие  сведения о процессе электрокоагуляции……………………………3-5

Особенности электрокоагуляции  при очистке сточных вод от шестивалентного хрома………………………………………………………..5-6

Источники загрязнений сточной  воды хромом (VI)………………………….6-8

Возможные технологические  схемы очистки воды с использованием электрокоагулятора……………………………………………………………8-12

Указания к выполнению расчетной части курсового проекта

• Электрохимические расчеты…………………………………………12-15
• Конструктивные расчеты электрокоагулятора………………….......15-19
• Расчет объема отсасываемого воздуха…………………………………20
• Пример расчета электрокоагулятора………………………………...21-23
• Выпрямительные агрегаты…………………………………………...23-24

Указания к выполнению графической части курсового  проекта

• Общие сведения об устройства электрокоагуляторов……………..25-26
• Описание базовой конструкции электрокоагулятора……………...27-33

 

 

 

 

 

 

Введение

Цель проекта  – закрепление знаний, полученных в теоретическом курсе, при проектировании конкретного аппарата – электрокоагулятора (ЭК), предназначенного для очистки  сточных вод (СВ) от шестивалентного  хрома. В курсовом проекте рассчитываются:

• токовая нагрузка на ЭК;
• общая рабочая площадь электродов;
• количество электродов;
• масса электродных комплектов;
• время непрерывной работы до смены анодов;
• габариты ЭК;
• необходимая производительность системы вытяжной вентиляции.

Выполняется ряд  других вспомогательных расчетов. Приводится технологическая схема очистки  СВ с использованием ЭК. Выполняется  на формате А1 чертеж корпуса ЭК (общий  вид) и дается деталировка отдельных  элементов установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общие сведения о процессе электрокоагуляции.

 

В общем случае электрокоагуляция – процесс, при  котором в электролизере с  растворимыми анодами (стальными или  алюминиевыми) образуется эффективный  коагулянт – многозарядные ионы Fe²⁺ или Al³⁺ по реакциям:

 

Fe – 2e à Fe²⁺ (2.1)

Al – 3e à Al³⁺ (2.2)

 

На стальном катоде выделяется водород и образуется щелочь (ионы гидроксила ОН^-) по реакции:

 

2 H₂O + 2e à H₂ + 2 OH^- (2.3)

  Таким образом, СВ в ЭК подщелачивается. При этом становится возможным перевод в малорастворимые гидроксиды многих ионов токсичных металлов (ТМ), содержащихся в СВ (Cu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺ и т.д.) по общей реакции:

 

Meⁿ⁺ + n OH^- à Me(OH)_n¯ (2.4)

 

Первичные мелкодисперсные  частицы гидроксидов в присутствии  ионов-коагулянтов довольно быстро превращаются в более крупные  хлопья, что облегчает их последующее  отстаивание и улучшает качество осветленной воды.

Если в СВ содержатся мельчайшие частицы жировых и  масляных загрязнений в виде эмульсий, облегчается их слипание и последующее  всплывание. Этому процессу способствует также выделяющийся на катоде водород, т.е. одновременно происходит отделение жировых загрязнений в результате флотации.

Наконец, если в  СВ есть соединения весьма токсичного шестивалентного хрома, в ЭК будет  происходить их обезвреживание ионами Fe²⁺, образовавшимися на аноде:

 

3 Fe²⁺ + Cr(VI) à 3Fe³⁺ + Cr³⁺ (2.5)

 

Внимание! Ионы алюминия не могут нейтрализовать шестивалентный хром!

Продукты реакции (2.5) взаимодействуют с катодной щелочью:

 

Fe³⁺ + 3 OH^- à Fe(OH)₃ ¯ (2.6)

Cr³⁺ + 3 OH^- à CrOH)₃ ¯ (2.7)

В принципе для  протекания реакций (2.6) и (2.7) катодная щелочь даже не обязательна, так как  гидроксиды трехвалентных железа и  хрома могут образовываться уже  при рН около 4, т.е. в слабокислой  среде.

Свежеосажденные хлопья гидроксидов Fe³⁺ и Cr³⁺ сами являются эффективными коагулянтами, а за счет микропористой структуры – еще и неплохими сорбентами, способными очистить СВ от крупных молекул растворенных органических веществ (например, красителей).

Таким образом, существуют три основные области применения электрокоагуляции:

• очистка СВ от катионов ТМ;
• очистка СВ от эмульсий;
• одновременная очистка СВ от шестивалентного хрома и от катионов ТМ.

Наиболее широко электрокоагуляция применяется  для последней цели. Соответственно, и задания для курсового проекта  связаны с очисткой СВ от Cr(VI).

Следует отметить и недостатки метода электрокоагуляции: расход электроэнергии; расход металла на изготовление анодов; увеличение общего объема шламов за счет большого количества гидроксида железа. Однако последнее обстоятельство имеет и положительную сторону, так как уменьшается процентное содержание токсичных металлов в шламе. Достоинством метода является возможность регулирования мощности ЭК изменением силы тока при изменении концентрации хрома в СВ.

 

Особенности электрокоагуляции при  очистке сточных вод от шестивалентного  хрома.

СВ, подаваемая на очистку  от хрома, может иметь разнообразную  кислотность, в зависимости от состава  технологических растворов (рН от 2 до 8). Соответственно, электролиз будет  протекать с различным выходом  по

току (ВТ) на реакцию (2.1). Выход по току на ту или иную электродную реакцию – это  доля электричества, израсходованная  на эту реакцию. Для реакции (2.1), идущей в хромовых стоках, значения ВТ (в  долях единицы) приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Значения выхода по току (доли ед.) для реакции (2.1)

рН	2	3	4	5	6	7	8
ВТ	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4

 

Помимо реакции (2.1), при электролизе идут реакции

 

Fe + 2H₂O ® Fe(OH)₂ ¯+ 2H⁺ + 2e (2.8)

Fe + H₂O ® FeO ¯+ 2H⁺ + 2e (2.9)

Эти реакции приводят к  израсходованию стальных анодов. Однако продукты реакций – гидроксид  и оксид двухвалентного железа - практически не участвуют в очистке  СВ от хрома.

Другой особенностью процесса является необходимость поддержания  определенного солесодержания в  очищаемой СВ. Это необходимо во избежание пассивации анодов. Существуют рекомендации по соотношению между  содержанием солей и хрома  в сточной воде, при котором  не происходит пассивации анодов (табл. 2.2). Если соленость СВ недостаточна, в нее вводят поваренную соль в  соответствии с рекомендациями из табл. 2.2.

Таблица 2.2 Рекомендуемое соотношение  между содержанием солей и  хрома (VI)

Солесодержание, мг/л	80 - 150	150 – 200	200 – 300	300 – 400	400 – 500	500 – 700	700 – 900	900 -1000
Допустимая CCr, мг/л	5	10	15	20	30	40	50	60

 

Источники загрязнения  сточной воды хромом (VI).

На машиностроительных предприятиях в цехах металлопокрытий проводят разнообразные технологические  операции в растворах и электролитах, содержащих соединения хрома (VI). К таким соединениям относятся: хромовый ангидрид CrO₃; бихромат натрия (двухромовокислый натрий) Na₂Cr₂O₇; бихромат калия (двухромовокислый калий) K₂Cr₂O₇; хромат натрия (хромовокислый натрий) Na₂CrO₄; хромат калия (хромовокислый калий) K₂CrO₄. Соединения хрома (VI) содержатся также в препаратах типа «Ликонда», выпускаемых для ряда технологических операций в гальванотехнике. В табл. 2.3 представлены некоторые примеры технологических операций с использованием соединений хрома (VI).

Таблица 2.3 Некоторые  технологические операции с использованием соединений хрома (VI)

Технологический процесс	Технологическая операция	Хромсодержащие компоненты раствора и их средняя концентрация, г/л	Среднее содержание Cr(VI) в  растворе, г/л	Частота смены ванны
Хромирование	Покрытие  хромом	CrO3 - 275	143	Не меняется годами
Цинкование; кадмирование	Хроматирование* (пассивирование) цинкового или кадмиевого покрытия для повышения его коррозионной стойкости	CrO3 - 5	2,6	Один раз в несколько  месяцев. Конкретно определяется производственной программой линии.
		K2Cr2O7 - 30	10,6
		Препарат «Ликонда –1» - 70	16,8
Анодирование алюминия и  его сплавов	Наполнение анодной пленки для повышения ее коррозионной стойкости	K2Cr2O7 - 45	15,9
Электрополирование нержавеющих  сталей	Электрополирование	CrO3 - 77	40
Фосфатирование стальных деталей	Наполнение фосфатной  пленки для повышения ее коррозионной стойкости	Na2Cr2O7 - 90	35,7

 

 

• Не путать с хромированием !

После соответствующих технологических  операций (см. табл. 2.3) детали промываются  в проточной воде, в результате чего соединения хрома (VI) и попадают в СВ. Переход Cr (VI) в СВ можно ориентировочно оценить следующим образом. При обработке деталей на соответствующих приспособлениях – подвесках 1 м² обрабатываемой поверхности уносит в СВ в среднем 0,2 л раствора. Если за какой-то период обработано S м² поверхности деталей, в СВ переходит масса Cr (VI), равная

M_Cr (г) = 0,2 S C, (2.1)

где С – концентрация хрома (VI) в технологическом растворе. В рамках данного курсового проекта такие расчеты, однако, не проводятся.

Возможные технологические  схемы очистки воды с использованием электрокоагулятора.

Кроме постоянно текущих разбавленных по хрому промывных вод, на очистку от Cr (VI) периодически направляют концентрированные залповые сбросы (отработанные растворы хроматирования, наполнения в хромпике, электрополирования и т.п., а также воду из непроточной ванны промывки – улавливания после хромирования; в этой ванне содержание Cr (VI) может доходить до 10-30 % от содержания хрома в ванне хромирования). Залповые сбросы целесообразно нейтрализовать отдельно химическим (реагентным) методом (взаимодействием с восстановителем в кислой среде), после чего обработанная вода может быть присоединена к проточной воде либо направлена в общий реактор для нейтрализации кислотно-щелочных стоков. Если реагентная очистка от Cr (VI) не предусмотрена, следует залповые сбросы направлять в накопитель, откуда они дозированно направляются в поток промывной воды.

Целесообразно использовать процесс электрокоагуляционной  очистки стоков как дополнение к  общей схеме реагентной очистки  гальванических стоков. Сказанное выше иллюстрируется рис. 2.1-а и 2.1-б.

 

Рис. 2.1. Варианты объединения  электрокоагуляционной и реагентной очистки гальванических стоков: а  – на ЭК направляют только промывные  воды; б – на ЭК направляют промывные  воды и залповые сбросы; А – промывные  воды и технологические растворы, не содержащие хрома; Б – залповые сбросы с хромом; В – промывные  воды с хромом; Г – вода в горколлектор или на доочистку; Д – шлам; 1 –  реагентная очистка кислотно-щелочных стоков от ТМ; 2 – реагентная очистка  залповых сбросов от Cr(VI); 3 – электрокоагуляционная очистка промывных вод; 4 – отстаивание и обезвоживание; 5 – электрокоагуляционная очистка промывных вод и залповых сбросов

Как говорилось выше, от гальванических линий в ЭК направляют промывные  воды, содержащие Cr (VI). Кроме того, в гальванической линии имеются также щелочные растворы обезжиривания, кислые растворы травления и активации, электролиты для нанесения покрытий. Промывные воды после этих операций не содержат Cr (VI). Однако их можно объединить с хромовыми стоками. При этом увеличится объем СВ, направляемый на ЭК, но соответственно уменьшится и концентрация хрома в обрабатываемой воде. А в соответствии с данными табл. 2.2 уменьшится потребность в специальном введении солей в воду для предотвращения пассивации анодов. Кроме того, при смешении хромовых и кислотно-щелочных промывных вод в ЭК будет проходить очистка не только от хрома, но и от других ТМ. Таким образом, возникают еще два подварианта электрокоагуляционной очистки СВ (рис. 2.2).