Электрообработка в технологиях очистки воды

ΔU = U1 – U2 – U3.

Процесс коагуляции в электрокоагуляторах протекает значительно интенсивнее, чем при реагентной коагуляции, что объясняется положительным влиянием электрофореза на взаимное укрупнение зародышей частиц гидроксидов металлов и перемешиванием воды выделяющимися на катодах пузырьками водорода. Благоприятные условия электрокоагуляции позволяют уменьшить дозы металла, необходимые для очистки, по сравнению с дозами при реагентной коагуляции на 10–20% и более.

Помимо использования электрокоагуляции для дестабилизации коллоидов и флокуляции грубодисперсных примесей, этот метод применим в схемах очистки воды от катионов тяжелых металлов. Это становится возможным в результате повышения значения рН воды (от 2,3 до 10,4) при электролизе, когда металлы переходят в состояние нерастворимых гидроксидов и осаждаются совместно с гидроксидами железа. Значения рН зависят от концентрации осажденного иона. Большие значения рН относятся к меньшим концентрациям. Если при электролизе повышение рН оказывается недостаточным, необходимо увеличить водородный показатель воды перед электролизером путем подщелачивания за счет добавления в обрабатываемую воду щелочи.

Электрохимическое растворение металлов включает анодное растворение за счет внешнего электрического тока и химическое растворение анодов и катодов. Поэтому на практике выход металлов G по электрическому току может оказаться больше теоретически рассчитанного по формуле, определяемой законами Фарадея, и может составлять 120–130% от теоретического выхода:

G = AIcurτ,

где А — электрохимический эквивалент элемента: A = M/(26,8z) г/(А*ч); z — валентность; Icur — сила тока, А; τ — время обработки, ч.

Основными факторами, влияющими на электрохимическое растворение анода, являются: температура, сила и плотность электрического тока, значение рН, солевой состав воды, расстояние между электродами, скорость движения воды между электродами, концентрация взвешенных веществ. Повышение температуры воды при электрокоагуляции увеличивает выход металла по току, так как при этом интенсифицируются химические реакции, в том числе растворения металлов. Однако, положительное влияние роста температур наблюдается только до достижения некоторого температурного максимума (60–80°C), а дальнейшее повышение температуры снижает выход металла. Это объясняется возрастающей интенсивностью пассивации алюминиевого анода за счет уплотнения и набухания коллоидальной гидроокиси алюминия в его микропорах.

Существенное влияние на соотношении количества металла, растворяемого электрохимическим и химическим путем, оказывает и значение рН. При рН = 6–8 в результате электрохимического процесса растворяется до 90 % алюминиевых анодов. Химическим способом растворяется около 70 % металла при рН = 6–8, в том числе 50% при растворении катода. Суммарный выход алюминия по электрическому току возрастает в слабокислой и особенно щелочной среде, достигая 150–200%. Влияние водородного показателя на процесс растворения электродов связано с растворением пассивирующих отложений.

Влияние анионного состава водной среды на растворение анодов главным образом обусловлено условиями пассивации. Эффективным депассивантом является анион хлора (анодная поляризация). Вершины треугольной диаграммы соответствуют 100% содержанию трех основных анионов: хлор (Cl– ) –, сульфат (SO42+) — и гидрокарбонат (HCO3– ) — аниона. С уменьшением процентного содержания хлориона в водной среде выход алюминия по току уменьшается.

На процесс химического растворения катода также влияет катионный состав водной среды. Диаграмма, иллюстрирующая влияние основных катионов — натрия, кальция и магния на химическое растворение алюминиевого катода приведена на рис. 3. Катионы натрия оказывают депассивирующее воздействие на катод. Напротив, катионы магния и особенно кальций, усиливают пассивацию катода (рис. 3). Другим фактором, оказывающим положительное влияние на выход катионов металлов, является плотность электрического тока, А/м2:

τ = I/Fэл.

где I — величина электрического тока при электролизе, А; Fэл — площадь анода или катода, м2.

Оптимальными принимаются плотности электрического тока: для алюминиевых электродов, катодная плотность — tк = 10–35 А/м2, анодная — tа = 20–150 A/м2, а для железных электродов tа = tк  = 10–100 A/м2.

При плотности тока более 200 А/м2 растворение электродов сопровождается заметной электрофлотацией и усилением пассивации электродов. Периодическое переключение полюсов способствует депассивации электродов, что интенсифицирует их химическое растворение. Экспериментально установлено, что максимальный выход алюминия по току достигается при переключении полюсов через каждые 15 минут, то есть четыре раза в час. На выход металла по току влияет и схема соединения электродов, при этом наибольший выход — при монополярном соединении.

 

6 КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОРОВ

 

Электрокоагуляция осуществляется в специальных генерирующих катионы металла (чаще всего алюминия и железа) электрических приборах — электрокоагуляторах (рисунок 3–4). Основной элемент электрокоагулятора — электродная камера со сменным набором стальных или алюминиевых (дюралюминиевых) электродов чередующейся полярности, в зазорах между которыми (шириной 5–20 мм) протекает обрабатываемая вода со скоростью не менее 0,5 м/с. Как и в электролизерах, в электрокоагуляторах электроды могут располагаться горизонтально или вертикально с зазором 10–16 мм, что зависит от условий размещения и монтажа, а также от расходов обрабатываемой воды. В электрокоагуляторах с меньшими плотностями электрического тока в связи с незначительным пенообразованием можно принимать ширину межэлектродных каналов менее 15 мм, и при обосновании не предусматривать устройств для удаления пены. При больших плотностях электрического тока ширина межэлектродных каналов должна принимается не менее 15–20 мм. Для удаления скоплений пены в каналах предусматриваются различные устройства, в частности, продувка сжатым воздухом.

Аноды и катоды выполняются в виде пластин из алюминия, его сплавов, не содержащих медь, или стали. Подключение пластин к источнику тока может быть параллельным или последовательным. В первом случае все электроды действуют как монополярные, во втором — промежуточные пластины работают биполярно. Последовательное же подключение позволяет работать при меньших значениях электрического тока. Наряду с пластинчатыми иногда используют засыпные электроды из стальной стружки. Несмотря на некоторые преимущества (большая поверхность, низкая стоимость), засыпные электроды применяются редко, поскольку они засоряются гидроксидами металлов и плохо регенерируются. Выбор материала для электродов зависит от технологических особенностей процессов очистки.

Если для коагуляции можно применить и алюминий и железо, выбор материала обосновывается технико-экономическими соображениями. Для коагуляции требуются большие дозы железа, чем алюминия, но для растворения 1 г железа затрачивается меньше электроэнергии. Теоретически, при расходе электроэнергии 26,8 А/ч в раствор переходит около 9 г металлического алюминия или же 28 г железа.

При низкой плотности тока необходимо увеличить необходимую продолжительность пребывания обрабатываемой воды в межэлектродном пространстве, ведь растворение анодов и хлопьеобразование протекают незначительно. Увеличение продолжительности пребывания воды достигается за счет увеличения длины межэлектродных каналов последовательным размещением электродных блоков по ходу движения воды или за счет ее рециркуляции. Для удлинения межэлектродных каналов их часто выполняют не по параллельной, а по последовательной (лабиринтной) схеме (рисунок 3б).

Поскольку в результате объемных электрохимических процессов в межэлектродном пространстве формируются хлопья гидроокисей металлов, для их удаления устанавливают блок последующей очистки (отстойник, фильтр большой грязеемкости, флотатор), показанный на рисунке 4. Электрокоагуляторы, работающие при низкой плотности электротока (менее 18–20 А/м2), целесообразно применять по схемам на рисунках 4а и 4б, совместно с отстойниками и фильтрами большей грязеемкости. При более высоких плотностях электрического тока рекомендуется применять схему с флотатором (рисунок 4в).

Блоки, состоящие из электрокоагулятора и флотационной камеры, называются электрофлотокоагуляторами (ЭКФ). Компоновка ЭКФ может предусматривать размещение электрокоагулятора в пределах флотационной камеры, и раздельно. Типовая конструкция, например, ЭКФ имеет прямоугольную форму и состоит из трех отсеков: в первом отсеке размещается электрокоагулятор, во втором — электрофлотатор, третий отсек является отстойной камерой. Электроды, размещаемые в третьей секции, служат для обеззараживания воды.

Конструкцию электрокоагулятора следует выполнять с учетом условий замены электродов в случае их растворения, для очистки и депассивации. С целью интенсификации процесса электрокоагуляции может использоваться конструкция виброэлектрокоагулятора. Применение вибрационных колебаний среднего диапазона частот практически исключает пассивацию электродов, снимает диффузионные ограничения во всем рабочем объеме, облегчает удаление газов и образующихся осадков, выгружаемых периодически через специальный клапан без остановки аппарата. 
7 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОРА

 

Производительность электрокоагулятора по количеству генерируемого растворенного металла является весьма важной расчетной величиной и должна соответствовать технологическим требованиям процесса электрохимической обработки воды.

Сначала вычисляется количество растворенного металла при электрохимическом разложении электродов:

Gм = Дмqw τ,

где Дм — доза металла, г/м3; qw — расчетная производительность электрокоагулятора, м3/ч; τ — период времени (принимается 1 час).

Дозы металла, необходимые для электрокоагуляции, определяются экспериментально. Ориентировочно можно принимать значения доз коагулянтов, известные из опыта реагентной обработки коагулянтами аналогичной по качеству воды, с введением коэффициента пересчета. Коэффициент должен учитывать повышенную эффективность электрокоагуляции, вид коагулянта, и приниматься равным 0,85–0,90. Пересчет с целью определения доз металлов по принятой дозе реагента производится путем умножения последней на коэффициент, который равен для Al2(SO4)3 — 0,158, для Al2O3 — 0,53, FeCl3 — 0,34, Fe2(SO4)3 — 0,28. Например, если для коагуляции природной воды с мутностью 200 г/м3 доза сернокислого алюминия равна 40 г/м3, то доза алюминия при электрокоагуляции составит величину:

40*0,85*0,158 = 5,4 г/м3.

Дозы металлического алюминия, необходимые при электрокоагуляционном обесцвечивании воды, ориентировочно могут определяться путем корректировки формулы СНиП:

Дм = 0,5√С,

где Дм — доза коагулянта по Al2O3, г/м3; Ц — цветность исходной воды, град.

В результате одновременного растворения электродов расчетным электрохимическим и дополнительным химическим путями выход металла по току превышает 100%, что учитывается введением повышающего коэффициента Км > 1 (по условиям процесса Км = 1,1–2,0, определяется экспериментально).

Расчетная производительность электрокоагулятора по металлу определяется по формуле:

Gм = AмIcurτKмη,

где η — коэффициент использования тока, принимается равным 0,7–0,9; Ам — электрохимический эквивалент металла, г/(А⋅ч).

Сила тока, необходимая для генерации расчетного количества металла:

Площадь анодов вычисляется:

Fан = Icur /tан,

где плотность анодного тока tан принимается равной 20–150 А/м2. Напряжения в электродной ячейке принимаются не менее 3 В для стальных и 4 В — для алюминиевых электродов.

По расчетной силе тока определяется общая площадь поверхности электродов составит:

Σfкат = Icur /ιкат,

где ιкат — катодная плотность тока, А/м2. Площадь одной пластины (электрода), рассчитывается по следующей формуле:

fпл = lплbпл,

где lпл и bпл — длина и ширина пластины, соответственно, м. Площади анодов и катодов принимаются одинаковыми, а количество пластин в электродной камере рассчитывается по формуле:

nпл = Σfкат/fпл.

Поскольку металлы генерируются у анода, в расчетах используется анодная плотность тока tан, которая задается экспериментально, в зависимости от продолжительности процесса электролиза при постоянном эффекте очистки воды, в пределах величины 100–300 А/м2. Минимальная ширина межэлектродных каналов равна:

Δmin = ΣWм.к /Σfпл,

Ширина межэлектродных каналов принимается равной Δ = 0,015–0,02 м.

Вместимость межэлектродного пространства рассчитывается по формуле, и должна обеспечивать пребывание в них воды в течение промежутка времени τ1 ≥ 20–30 с:

В случаях, когда вместимость оказывается чрезмерно большой, предусматривается система с циркуляцией для поддержания требуемой скорости воды в межэлектродных каналах.

Производительность всего рециркулятора должна быть равна следующей величине, м3/ч:

где τ1 — расчетная продолжительность пребывания воды в межэлектродном пространстве, ч.

Скорость воды в межэлектродных каналах составит величину, мм/с:

Эта скорость должна быть достаточной для поддержания во взвешенном состоянии хлопьев гидроксидов металлов. Если вместимость межэлектродного пространства недостаточна для требуемой продолжительности пребывания воды в зоне электролиза, применяется установка периодического действия.

Необходимая продолжительность электролиза обеспечивается многократным пропуском воды через имеющийся электролизер. Число таких пропусков определится как:

m = qwτ1/Wм.э.

При проектировании электрокоагулятора-флотатора также необходимо рассчитать достаточное количество выделяемого при электролизе воды газообразного водорода по условиям флотации. Расчетное количество выделяемого водорода определяется по формуле: