Общая характеристика электрохимических процессов и аппаратов для очистки сточных вод

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

 

Выбор инновационных технологий

 

Существует огромный выбор технологий и оборудования для очистки сточных вод от высокотоксичных загрязняющих веществ. При выборе технологий, обладающих высоким инновационным потенциалом, необходимо учитывать следующие факторы:

• высокую эффективность (степень очистки 98-99%), время обработки жидкости не более 10 мин, остаточная концентрация загрязняющего вещества на уровне ПДК для рыбохозяйственных водоемов;

• обоснованный уровень стоимости технологии и оборудования для данного качества очистки;

• невысокие эксплуатационные затраты на обслуживание оборудования и системы водоочистки;

• низкий расход химических реагентов и других расходных материалов на 1 м³ сточной воды;

• высокую удельную производительность оборудования (объем очищаемой жидкости с площади, занимаемой установкой);

• отсутствие вторичного загрязнения воды и увеличения количества твердых отходов;

• отсутствие высококонцентрированных жидких отходов, образующихся в процессе водоочистки;

• возможность полной автоматизации технологического процесса водоочистки;

• наличие патентов, защищающих интеллектуальную собственность авторов;

• максимальную универсальность технологии удаления широкого спектра загрязняющих веществ разной природы из сточных вод в одной технологической операции;

• опыт промышленной эксплуатации оборудования (не менее 1 года);

• возможность обучения персонала и авторский надзор продавца-производителя за эксплуатацией новых технологий и оборудования.

Учитывая выше изложенные требования, наибольшие трудности возникают при выборе оборудования и технологий для процессов вторичной и глубокой очистки сточных вод. В этом случае наблюдается наибольшее разнообразие процессов.

Выбор технологий очистки зависит от природы основного загрязняющего вещества, его концентрации, объема сточных вод, наличия дополнительных примесей, требований к качеству очистки воды для сброса (нормы ПДК) или ее возврата в технологический цикл (требования ГОСТ),

Необходимым условием для реализации новых технологий очистки является наличие производственных площадей для размещения оборудования, финансовые ресурсы и квалифицированный персонал для обслуживания оборудования. Указанным выше требованиям отвечает только часть известных технологий.

Наиболее широкое распространение за рубежом и в России получили: мембранные технологии, электромембранные, флотационные, флотомембранные, электрофлотомембранные процессы, ионный обмен на синтетических сорбентах, адсорбция на активированных углях, озонирование, биохимические технологии и реагентное осаждение с использованием новых химических осадителей.

 

Электрохимические технологии очистки сточных вод

Общая характеристика электрохимических процессов и аппаратов для очистки сточных вод

Электрохимические процессы в соответствии с общепринятой классификацией относятся к физико-химическим процессам очистки водных систем. Они отличаются многостадийностью и относительной сложностью происходящих в аппаратах водоочистки физико-химических явлений.

Механизм и скорость протекания отдельных стадий зависят от многих факторов, выявление влияния и правильный учет которых необходимы для оптимального конструирования электролизеров и рационального ведения технологических процессов очистки воды. Основываясь на законах физической химии, электрохимии и химической технологии, электрохимические методы очистки сточных вод можно разделить на три основные группы: методы превращения, методы разделения и комбинированные методы (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1. Классификация электрохимических методов очистки сточных вод

Электрохимические методы	Методы превращения	Электрокоагуляция
Электрохимическая деструкция
Электрокристализация
Электроокисление
Электровосстановление
Методы разделения	Электрофлотация
Электродиализ
Электроосмос
Электрофорез
Электрофильтрование
Комбинированные методы	Электрофлотокоагуляция
Электрокаталитическая деструкция
Комплекс электровоздействий
Электроосаждение
Электрохимическое обеззараживание

 

Методы превращения обеспечивают изменение физико химических и фазово-дисперсных характеристик загрязнений с целью их обезвреживания или более быстрого извлечения из воды. Превращение примесей может проходить ряд последовательных стадий, начиная с электронного уровня взаимодействия растворимых соединений и заканчивая изменением каких-либо электроповерхностных или объемных характеристик грубодисперсных веществ.

Методы разделения предназначены для концентрирования примесей в локальном объеме раствора без существенного изменения фазово-дисперсных или физико-химических свойств извлекаемых веществ.

Разделение примесей и воды происходит в основном за счет флотации электрогенерируемыми пузырьками газов или силового воздействия электрического поля, обеспечивающего транспорт заряженных частиц в воде.

Возможен также транспорт незаряженных частиц в воде при закреплении их на специально вводимом носителе, обладающем определенным зарядом.

К комбинированным относятся методы, которые предполагают совмещение одного или нескольких методов превращения и разделения загрязнений в одном аппарате.

 

2.2.1.1. Классификация аппаратов электрохимической очистки

На основании классификации методов электрохимической очистки воды следует осуществлять и выбор типа аппарата, который определяется в первую очередь видом генерируемого электролитического эффекта в сточной воде (рис. 2.2).

 

Рис. 2.2. Основные виды электролитического эффекта, возникающего в электрохимических аппаратах

 

В зависимости от электролитического эффекта подбирается материал, принимаются соответствующая конфигурация и конструкция электродов, камеры электролиза, а также другие технологические и конструктивные особенности аппаратов.

Простейший электрохимический аппарат (или электролизер) для проведения электролиза с целью получения определенных продуктов представляет собой сосуд, заполненный раствором электролита, в который погружены два электрода, соединенные с источником постоянного тока.

Аппараты для электрохимической обработки сточных вод или электролизеры классифицируются по следующим признакам:

· по организации процесса - аппараты непрерывного и периодиче­ского действия;

· по гидродинамическому режиму работы - напорные и безнапорные;

· по типу реактора - открытые, закрытые, бездиафрагменные и диафрагменные;

· по организации движения воды в межэлектродном пространстве -горизонтальные, угловые, вертикальные с восходящим и нисходящим движением воды;

· по организации движения воды в аппарате - однопоточные, многопоточные и комбинированные;

· по виду воздействия на дисперсную систему - электрическим полем, электродными процессами, электроразрядом, комплексным воздействием.

Конструкция электролизера должна обеспечивать равномерное распределение тока по поверхности электродов и малые омические потери на всех участках электрической цепи. Для изготовления корпусов электролизеров применяют сталь, пластмассу, стекло, керамику и другие материалы. Электролизер может быть снабжен устройствами для охлаждения или теплоизоляции. Гидродинамическая обстановка в электролизере зависит от его конструкции и фазово-дисперсного состояния продуктов электродных реакций и извлекаемых загрязнений.

Для характеристики электролизеров используют экономические и энергетические показатели. Одной из величин, по которой наиболее часто сравнивают электролизеры, является напряжение на электролизере при фиксированной плотности тока.

 

Конструкции электродов

 

Электроды являются важнейшими элементами любой конструкции электролизера, определяющими эффективность процесса окисления или восстановления.

Электроды подразделяют по следующим признакам:

• по конструкции - плоские, сплошные, сетчатые, перфорированные, объемно-насыпные, неподвижные, вращающиеся, псевдоожиженные;

• по материалу - растворимые, нерастворимые, малоизнашиваемые;

• по пространственной ориентации относительно друг друга - вертикальные, горизонтальные, наклонные;

• по взаимному расположению в электролизере - параллельные, перпендикулярные, угловые;

• по соединению - монополярные, биполярные и комбинированные;

• по конфигурации - плоские, цилиндрические, сферические, игольчатые.

 

Катоды изготовляют из графита, стали, никеля, платины и других материалов, аноды - из платины, никеля, нержавеющей стали, а также из титана, покрытого оксидами металлов.

 

К конструкции электродов предъявляются следующие требования:

• обеспечение максимально надежного контакта двух или трех фаз исходного твердого или жидкого вещества, исходного газообразного вещества и электрода;

• обеспечение максимально высокой производительности электролизера, т. е. максимального количества продукта, получаемого с единицы площади, занимаемой электролизером;

• стабильность характеристик электрода в течение длительного периода его эксплуатации;

• надежный подвод тока, обеспечивающий равномерность его распределения по поверхности электрода; свободный отвод жидких и газообразных продуктов электролиза.

 

Конструкция электрода во многом определяется способом его включения в электрическую цепь.

При монополярном включении электродов все катоды присоединены к отрицательной, а все аноды к положительной шинам источника постоянного тока (рис. 2.3, а). В этом случае обе стороны электрода поляризованы либо катодно, либо анодно. Общее напряжение на таком электролизере равно напряжению между одной парой электродов, а общая сила тока равняется силе тока, проходящей через пару электродов, умноженной на число таких пар в электролизере.

При биполярном включении электродов постоянный ток подводится лишь к крайним электродам, которые являются монополярными (рис. 2.3, б). Остальные электроды, расположенные между крайними электродами, являются биполярными. Одна сторона таких электродов поляризована анодно, а другая катодно. В этом случае общее напряжение на электролизере равняется произведению напряжения между одной парой электродов и общим количеством пар, а общая сила тока, равняется силе тока, проходящей через пару электродов.

 

а	б

 

Рис. 2.3. Схема электролизера монополярного (а) и биполярного (б) типа

 

Плоские электроды выпускаются в виде плит или металлических листов (рис. 2.4). В некоторых случаях плоские электроды изготовляются из отдельных элементов, например, стержней (рис. 2.4, а, б). Для облегчения отвода газообразных продуктов электролиза электродные листы или плиты перфорируются (рис. 2.4, в, г). Перфорация может быть различной формы.

 

 

Рис. 2.4. Конструкция плоских электродов:

а - из круглых стержней; б - из четырехугольных стержней; в - из листа с просечной перфорацией; г - из листа с перфорацией круглыми отверстиями

 

Отверстия и просечки в перфорированных электродных листах и плитах могут быть круглыми, квадратными, щелевидными и т. д.

С целью повышения производительности электролизеров прибегают к развитию поверхности электродов. Один из приемов развития поверхности катодов представлен на рис. 2.5. Катод, изготовленный из плетеной сетки, натянут на металлический каркас и образует сложную рельефную поверхность в виде гребенки, между зубьями которой помещают аноды.

 

 

 

Рис. 2.5. Конструкция гребенчатых катодов:

а - двухрядная; б - двухрядная со сдвинутыми пальцами; в - четырехрядная;

г – однорядная

В последнее время уделяется большое внимание повышению эффективности процесса электролиза за счет увеличения электродных плотностей тока. В процессах, скорость которых контролируется доставкой вещества к поверхности электрода, существенное значение имеет перемешивание сточной воды, подвергаемой электролизу. Известны различные способы создания в электролизере турбулентного режима, обеспечивающего высокую скорость подачи сточной воды и удаления продуктов электролиза с поверхности электрода.

Уменьшение диффузионных ограничений скорости электрохимической реакции дает возможность повысить электродную плотность тока, а следовательно, и производительность электролизера.

Можно выделить два пути интенсификации процесса электролиза за счет перемешивания сточной воды: создание электролизеров с вращающимися электродами и проведение процесса при интенсивной прокачке сточной воды через электролизер.

Схема электролизера с вращающимися (1800 об/мин) цилиндрическими катодами и анодами представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема электролизера с вращающимися электродами:

1 - корпус; 2 - диафрагма; 3 - анод; 4 - вращающийся электрод; 5 - подача сточной воды; 6 -отвод очищенной воды

 

Использование вращающихся электродов позволяет проводить электролиз как гомогенных сточных вод, так и эмульсий или суспензий исходного вещества. При скоростях вращения электрода 2-2,5 м/с поток сточной воды переходит в турбулентный режим.

Благодаря скорости массопередачи обеспечивается быстрое удаление продуктов реакции из приэлектродного слоя, что снижает вероятность нежелательных более глубоких электрохимических превращений конечных продуктов.

Значительной интенсивности процесса можно достигнуть при использовании электролизеров с псевдоожиженными электродами. Псевдоожиженный электрод состоит из токопроводящих частиц (металлических или неметаллических шариков, гранул, покрытых токопроводящим материалом), которые поддерживаются во взвешенном состоянии потоком сточной воды.

Схема электролизера с псевдоожиженным электродом приведена на рис. 2.7. Поток сточной воды, подвергаемой электролизу, направлен снизу вверх и разбивается с помощью пористого распределителя 1 на отдельные потоки, поступающие в электролизер 2. Частицы находятся в сточной воде во взвешенном состоянии между концевыми токоподводящими электродами 3 и 4, образуя псевдоожиженный электрод 5. Сторона частицы, обращенная к отрицательному электроду, является анодом, а сторона, обращенная к положительному электроду, - катодом.