Электрохимические методы очистки сточных вод. Электохимические методы имеют ряд преимуществ перед химическими способами 1 упрощение технологической схемы и эксплуатации технологических установок, легкая автоматизация их работы, уменьшение производственных площадей, необходимых для размещения очистных сооружений 2 возможность обработки сточных вод без предварительного разбавления 3 снижение солесодержания стоков и уменьшение количества осадков при обработке 10 . Из электрохимических методов очистки сточных вод гальванического производства наибольшее распространение получил электрокоагуляционный метод, применяемый для очистки от взвешенных частиц и коллоидно-дисперсных систем, ионов цветных металлов, и особенно хрома.
В процессе электрокоагуляции происходит растворение аллюминевых или железных анодов, сопровождающееся подщелачиванием раствора, приводящим к образованию оксидов металлов, при этом гидроксиды железа и аллюминия выступают в качестве коагулянтов. Метод электрокоагуляции имеет ряд достоинств компактность установки, отсутствие необходимости в реагентах - восстановителях и осадителях, простота обслуживания и универсальность 11 . Сдерживающим фактором в его развитии является большой расход металла и электроэнергии.
Наряду с электрокоагуляцией, широкое распространение получил электрофлотокоагуляционный метод очистки сточных вод, который сочетает два метода - электрокоагуляционную обработку и электрофлотацию полученных гидроксидов металлов.
Данный процесс может быть осуществлен в одном электролизере при растворении анода происходит образование коагулянта, а на катоде выделяются высокодисперсные пузырьки водорода, обеспечивающие флотацию продуктов коагуляции 12 . Среди электрохимических методов особое место занимает электрофлотация - физико-химический процесс, сочетающий в себе такие электрохимические методы, как электродиализ, электрофорез, электрохимическое окисление-восстановлене.
Являясь по своей физической сущности электрохимическим и гидромеханическим процессом, электрофлотация выгодно отличается от традиционных методов благодаря высокой эффективности и простоте аппаратурно-технологического процесса 13,14 . Например, процесс разделения ускоряется по сравнению с методом отстаивания в 5-10раз 15 . Электрохимические методы являются достаточно эффективными для восстановления шестивалентного хрома.
Установлено, что электрохимический метод применим лишь в том случае, если электролит содержит в качестве активатора не менее 1 ионов хлора, так как при отсутствии его железные аноды пассивируются и электрохимическое восстановление не происходит 16 . Для предприятий, сточные воды которых содержат ионы тяжелых металлов и расход этих вод составляет 5-50м3 в сутки, использование электрохимических методов очистки экономически выгоднее по сравнению с реагентными.
Применение электрохимических методов, в том числе электрохимическое регулирование рН, в отличие от реагентных методов, позволяет без дополнительного обессоливания очищенной воды создать замкнутую схему водопользования. 12, 15, 20 ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИЯ. В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде - водорода.
Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. 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. Он зависит от краевого угла смачивания и кривизны поверхности электродов. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырьки обладают большей растворимостью, чем крупные. Из пересыщенных растворов мельчайшие пузырьки выделяются на поверхности частичек загрязнений и тем самым способствует эффекту флотации.
Следовательно, при электрофлотации извлечение загрязнений происходит в результате прилипания к частицам подымающихся в воде пузырьков, а также образования на поверхности частичек пузырьков из пересыщенного раствора. Для получения пузырьков требуемого размера необходим правильный подбор материала, диаметра проволоки катода и плотности тока. Оптимальное значение плотности тока 200-260 А м2, величина газосодержания - около 0,1 . При небольших объемах сточных вод 10-15 м3 ч электрофлотационные установки могут быть однокамерные, при больших - следует применять двухкамерные установки, которые могут быть горизонтальными или вертикальными.
Они состоят из электродного отделения и отстойной части. 15 электрофлотационный метод извлечения ионов металлов из стоков гальванопроизводств. Большинство используемых методов для обезвреживания сточных вод основано на превращении вредных веществ в безвредные, но не на утилизацию. Метод, применяемый на предприятиях в целях очистки сточных и промывных вод, позволяющий эффективно извлекать ионы тяжелых металлов в виде гидроксидов и оксидов является электрофлотацией с нерастворимыми анодами.
Высокая эффективность электрофлотационного процесса по сравнению с обычными методами флотации объясняется малыми размерами пузырьков, радиус которых составляет 5,30 мкм. Большое значение играет так же значительный заряд поверхности пузырьков, затрудняющий коагуляцию. ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ В электрофлотационных установках для проведения процесса флотации используют газообразные продукты - водород и кислород, выделяющиеся на электродах при электролизе обрабатываемой воды. На катоде происходит разряд молекул воды с образованием водорода 2Н2О 2е Н2 2НО- На аноде процесс окисления сопровождается выделением кислорода 2Н2О О2 4Н 4е Размер пузырьков газа определяется природой и формой электродов, а также условиями проведения электролиза плотностью тока, температурой и др Принципиально электролиз позволяет получить заранее заданное распределение пузырьков газа по размерам.
Электролитическое диспергирование газа обеспечивает также получение наиболее высокодисперсной газовой фазы, что позволяет использовать электрофлотаторы для очистки воды от устойчивых коллоидных загрязнителей.
Электрофлотационные установки разделяют по направлению движения воды и флотирующих газов в них на противоточные и прямоточные с горизонтальным или вертикальным расположением электродов. Электрофлотационные аппараты имеют одну или несколько камер.
Многокамерный электрофлотатор состоит обычно из успокоителя, электродных камер и флотоотстойника. Сточная вода поступает в приемную камеру, отделенную от основной части перегородкой. Электродный блок представляет собой набор катодов и анодов. Проходя через электроды, вода насыщается газообразными продуктами реакции, что приводит к всплыванию частиц. Электроды выполняют в виде пластин, однако чаще применяют их в виде проволочной сетки из меди или нержавеющей стали.
Размер пузырьков газа, покидающих электроды, зависит от величины краевого угла смачивания и кривизны поверхности электродов, поэтому, изменяя диаметр проволоки, удается регулировать дисперсность газовой фазы. Оптимального распределения по размерам газовых пузырьков, а также газонаполнения достигают варьированием плотности тока на электродах. При горизонтальном расположении электродов во флотационной камере на них могут оседать твердые частицы, которые нарушают нормальную работу аппарата.
Имеются конструкции, позволяющие избавиться от указанного недостатка. Например, электрофлотатор, в котором аноды выполнены в форме трехгранных призм, расположенных в шахматном порядке на дне аппарата. Катоды представляют собой отдельные проволочные сетки, изогнутые под углом и расположенные над анодами параллельно граням. Очищаемая вода поступает в приемную камеру 7, откуда переливается во флотационную камеру, в которой насыщается пузырьками газа. Пузырьки газа флотируют загрязняющие компоненты на поверхность, где частицы скапливаются в виде пены, которая удаляется по наклонному желобу.
Внутри желоба проходит трубопровод с горячей водой. Пенообразная масса в результате нагрева частиц гаснет и стекает в сборник. Освобожденная от взвешенных частиц вода переливается в камеру и удаляется из аппарата. Частицы, которые тяжелее воды, опускаются вниз и выводятся через штуцер. Недостатком рассмотренных конструкций является возможность образования в процессе электролиза взрывоопасной смеси газов-2 3 водорода и 1 3 кислорода.
Известны конструкции флотаторов, в которых анодное пространство отделяется от катодного диафрагмой, препятствующей смешению газов. В качестве материала для диафрагмы используют хлорированные или асбестовые ткани, которые пропитывают смолами для уменьшения их пористости. Количество газа, генерируемого в электрофлотаторе, можно определить из выражения V0 где V - объем газа, выделяющегося при нормальных условиях м3 - количество газа м3 , выделяющегося при прохождении 1 кА ч электрохимический эквивалент I - сила тока, проходящего через аппарат кА ф - время обработки, ч ВT - коэффициент использования тока, доли единицы п - число пар электродов 0,418 мз кА ч. Объем влажного газа в реальных условиях определяют из уравнения где W - парциальное давление насыщенных водяных паров при 20 С, равное 2,3 кПа В-давление в системе, кПа Р - атмосферное давление, кПа 101,3 - давление при нормальных условиях, кПа. 25 Схема электрофлотатора.
Сточная вода поступает по трубопроводу 1 в анодную приемную камеру 2, отделенную от основной 4 перегородкой 3, затем через перегородку 3 в катодную камеру 4. Проходя через электроды, вода насыщается газообразными продуктами реакций, что приводит к всплыванию частиц.
Электроды выполнены в виде пластин. Пена с загрязняющими частицами 5 сливается через наклонный желоб 6. Освобожденная от взвешенных частиц вода удаляется через трубу 7. Частицы, которые тяжелее воды, опускаются вниз и выводятся через штуцер 8.