Электрохимическая очистка.

Электрохимическая очистка стоков является разновидностью физико-химического метода утилизации сточных вод. Процесс электрохимической очистки сточных вод происходит под действием электрического тока с использованием растворимых и нерастворимых электродов. Такая очистка стоков относится к безреагентным методам и благодаря применению электрического тока удобна и легко поддается управлению и автоматизации. Теоретические расчеты показывают, что потенциальные возможности электрохимического кондиционирования воды (очистки, умягчения, опреснения, обеззараживания и т.д.) более чем в 100 раз превосходят фильтрационные, сорбционные и ионообменные методы по экономичности, скорости и качеству. Электрохимические методы позволяют без дополнительных затрат химических реагентов эффективно очищать отработанные водные стоки, загрязненные маслами, жирами, белками, нефтепродуктами, поверхностно-активными веществами, красителями, пестицидами, фенолами, солями тяжелых металлов и прочими токсичными веществами, до технологических параметров водных растворов, обладающих практически любыми необходимыми функциональными свойствами. Процессы электролиз, электродиализ и электродеионизация лежат в основе электрохимической технологии очистки воды, соответственно названия установок, где происходит протекание вышеперечисленных процессов, – электролизеры, электродиализаторы, электродеионизаторы. Электрохимическими характеристиками обладают системы с подвижными ионами (растворы, твердые электролиты или их расплавы). Электролиты – жидкие или твердые системы, в которых присутствие ионов обуславливает прохождение электрического тока. Раствором электролита является вода, поскольку в воде содержатся минеральные соли, диссоциирующие на ионы при растворении. Для обессоливания воды используют электродиализаторы. Простейший электродиализатор представляет емкость, разделенную анионообменной и катионообменной селективными мембранами на три камеры, в крайних камерах располагают анод и катод. Особенностью селективных мембран является способность под действием электрического тока пропускать ионы только одного знака. За счет селективных свойств мембран ионы, переместившиеся к катоду или аноду, остаются в двух крайних камерах, а в центральной камере находится обессоленная вода. Для обессоливания большого объема воды используют многокамерные электродиализаторы, которые состоят из множества питаемых постоянным током ячеек. Камеры, концентрация солей в которых снижается, называют дилюатными, а камеры с обогащенной солями водой во время электродиализа называют рассольными. Удаление дилюата и рассола из электродиалитической установки осуществляется раздельно. Из-за селективности мембран данный вид электродиализа называют однонаправленным или классическим, недостатком этого метода является быстрое загрязнение мембран. Процесс обессоливания приходится останавливать довольно часто, чтобы очистить мембраны и электроды. Для частичной компенсации этого недостатка используют асимметричные токи или изменение полярности прилагаемого электрического поля. Для более глубокого обессоливания воды используется электродеионизация, которая объединяет два метода очистки воды: электродиализ (устранение ионов с помощью катионо- или анионоселективных мембран) и деионизацию с помощью специальных ионообменных смол, при этом нет необходимости применять химикаты при регенерации ионообменных материалов. Процесс электродеионизации приводит к удалению нежелательных минеральных веществ, и эффективность технологии зависит от исходных концентраций примесей, подаваемого тока и предварительной водоподготовки. Электродеионизацию обычно проводят после очистки воды с помощью систем обратного осмоса. Из электрохимических методов наиболее эффективными и распространенными признаны методы электрохимической коагуляции (электрокоагуляции) и электрохимической флотации (электрофлотации). Эти методы применяются для очистки как промышленных и бытовых сточных вод, так и стоков производств пищевой отрасли. Электрокоагуляция. В зависимости от состава сточных вод применяемые для электрокоагуляции электроды изготавливаются из следующих металлов и сплавов: алюминия, железа, свинца и др. металлов, ионы которых, выходя в раствор при электролизе, обладают хорошими коагулирующими свойствами.

На растворимых электродах происходит ионизация металла с переходом в раствор его ионов:

(Mе - nе = Men+ ),которые гидролизуясь, образуют (Men+ + nH2O = Me(OH)n + nH+)

гидрооксиды металлов, являющиеся хорошими коагулянтами загрязнений и адсорбентами для уже скоагулированныхчастиц. Кроме того, при прохождении стоков между электродами под воздействием электрического поля происходит нейтрализация заряда загрязняющих частиц с последующей их коагуляцией. Этот процесс можно назвать электрофлокуляцией и электрокоагуляцией. Метод электрокоагуляции применяется для очистки стоков, содержащих коллоидные и взвешенные частицы, а также растворенные соединения, обладающие высокой адсорбционной способностью к образующимся хлопьям гидроокисей металлов. К ним относятся различные загрязнения: масла, жиры, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов, фенолы, поверхностно-активные вещества, красители, туши, гуаши, акварели и прочие. Эффект очистки стоков составляет:

от поверхностно-активных веществ - 60-70%,

по жирам 75-95%,

по нефтепродуктам - до 95%,

по хрому - 90-98%,

по взвешенным веществам - 90-95%.

Продолжительность электрокоагуляционной очистки стоков может составлять от 3 до 30 мин, расход металла - 5-200 г/м3, энергозатраты от 0,2 до 2,5 квтч/м3. Электрокоагуляционная очистка стоков ведется в электролизерах с вертикальными электродами, выполненными в виде прямоугольных пластин. Электродная система выполняется в виде блока плоских пластин металла, расположенных друг от друга на расстоянии 20 мм. Питание электродной системы выпрямленным током производится от блока питания, обеспечивающего электрические параметры процесса очистки. Вертикальное движение жидкости снизу вверх обеспечивает вынос выделяющихся газов и продуктов электролиза. Электрофлотация. При электрофлотационной очистке стоков газовые пузырьки, образующиеся в процессе электролиза (водород на катоде, кислород и хлор на аноде), осуществляют флотацию загрязнений в объеме сточной воды. В зависимости от состава сточных вод применяемые для электрофлотации электроды изготавливаются из графита или титана с различными пропитками и покрытиями. Электрофлотация используется для очистки стоков, содержащих нефтепродукты, жиры, масла, детергенты, взвешенные вещества и прочие загрязнения.

Эффекты очистки составляют:

по нефтепродуктам - до 90%,

по взвешенным веществам - до 70%,

по жирам - 80%,

по детергентам - 60-70%.

Продолжительность электрофлотационной очистки сточных вод может варьироваться в зависимости от вида загрязнений в достаточно широких пределах (от нескольких минут до 30-40 мин), расход электроэнергии менее 1 кВтч/м3. Глубина слоя обрабатываемой жидкости от 0,630 до 0,655 м, расстояние между электродами 2 см. Плотность тока достигает 2 А/дм2.

Электрохимическая деструкция. Сущность метода электрохимической деструкции заключается в обработке сточной жидкости в электрореакторе с нерастворимыми в условиях анодной поляризации электродами. Глубина минерализации органических загрязнений при этом определяется как электродными редокс-процессами(катодное восстановление и анодное окисление), так и объемными реакциями под воздействием продуктов электролиза. Обеззараживание сточных вод происходит ионами гипохлорита, которые образуются на аноде или полученной при электрохимических процессах перекисью водорода и озоном. При электролизе происходит разложение воды с подщелачиванием обрабатываемой жидкости у катода:

2H2O + 2e = H2 + 2OH- и подкислением у анода

H2O - 2e = 1/2 O2 + 2H+

Гидроксид-ионы разряжаются при низком потенциале анода, образуя гидроксидные радикалы.

2ОН- - 2е = 2ОН* = Н2О2

Последние, соединяясь, дают пероксид водорода, который реагирует с органическим соединением, находящимися в стоке, вызывая их окисление. В процессе электролиза в растворе образуются гипохлориты или хлорноватистая кислота:

Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O

Cl2+OH-=HClO+Cl-

Компоненты активного хлора обладают особенно большим запасом химической энергии в момент их образования и служат сильными окислителями в соотношениях, определяющихся условиями процесса. В большинстве случаев анодные процессы окисления способствуют некоторой дестабилизации, т.е. потере химической устойчивости органических веществ, что значительно облегчает протекание объемных процессов под воздействием продуктов электролиза. Таким образом, при электролизе в присутствии ионов Cl- находящиеся в стоке органические загрязнения разрушаются как вследствие непосредственного электрохимического окисления на аноде, так и вследствие проходящего в объеме обрабатываемого раствора химического окисления "активным" хлором и кислородом. На электролитически нерастворимых анодах молекулы органических соединений подвергаются полному деструктивному окислению с образованием углекислого газа, воды, азота, аммиака и других газообразных продуктов.

Так, окисление гипохлорит-ионом можно иллюстрировать следующими примерами:

цианиды

CN- + ClO- = CNO-+ Cl-

CNO- + ClO- = CO2 + N2 + Cl-

мочевина

CO(NH2)2 + 3ClO- = N2 + CO2 + 3Cl- + 2H2O

фенол

C6H5OH + 8ClO- = (CHCOOH)2 + 8Cl- + 2CO2 + H2O. Как видно из последней реакции, при окислении фенола гипохлоритом происходит разрыв бензольного кольца с образованием малеиновой кислоты и углекислого газа. В очищенном стоке: не образуется осадок; стабилизируется рН; уменьшается концентрация взвешенных веществ. Такая вода может быть принята в городскую канализацию, сброшена в открытые водоемы или даже использована повторно в других технологических производствах.

Электрохимическая очистка производственных сточных вод в ряде случаев имеет преимущества перед обработкой сточных вод хим. реагентами и др. физ.-хим. способами, т.к. позволяет извлечь из воды ценные хим. продукты и металлы, значительно упростить техно-логич. схему очистки, уменьшить производств, площади, необходимые для размещения очистных сооружений. Эффект очистки производств, сточных вод зависит от их исходного хим. состава (рН, общее содержание минер, солей), применяемых электродов и расстояния между ними, плотности тока, уд. расхода электричества, интенсивности перемешивания в процессе электролиза, температуры. Эффект очистки возрастает в случае разделения анодного и катодного пространств полупроницаемыми диафрагмами из различных материалов. Применение электрохимической очистки наиболее целесообразно при относительно высокой их электропроводности, обусловленной наличием в сточных водах минер, кислот, щелочей или солей (при значениях рН сточных вод, лежащих в нейтральной области, их общее солесодержание должно составлять не менее 0,3 г/л). Электрохимические способы очистки сточных вод, основан, на анодном окислении или катодном восстановлении содержащихся в них органич. и неорганич. в-в, могут применяться на локальных установках при относительно небольших расходах воды. В нашей стране электрохим. способы применяют для очистки сточных вод от цианидов на предприятиях машиност-роит. и металлообрабат. профиля, для удаления красителей и поверхностно-активных в-в из сточных вод предприятий легкой пром-сти и предприятий по прошву товаров бытовой химии, а также для электрохим. извлечения меди и др. цветных, а также драгоц. металлов из высоко-и малоконцентриров.сточных вод. Технологии электрохимической очистки могут быть использованы для:

очистки стоков предприятий мясомолочной промышленности;

очистки стоков, содержащих моющие растворы;

очистки гальваностоков;

очистки нефтесодержащих сточных вод;

регенерации технологических растворов обезжиривания и подготовки моющих растворов, не содержащих хлорорганических соединений;

очистки сточных вод коммунального хозяйства от органических

и неорганических загрязнителей.

Преимущества электрохимической технологии по сравнению с другими способами очистки сточных вод:

более высокая степень очистки;

меньшие энергозатраты;

простота эксплуатации и обслуживания;

отсутствие реагентов

возможность создания оборотных систем водоснабжения

Вывод Электрохимическая очистка воды базируется на окислительно-восстановительных реакциях и представляет собой, собственно, воздействие электрического тока на сточные воды. Электрохимическая очистка воды достаточно экономична и весьма распространена в России в связи с тем, что может быть довольно продуктивной при очень маленьких финансовых затратах. Тем не менее, за рубежом, подобный метод не используется для бытовых вод, а применяется исключительно для промышленной очистки воды. Электрохимическая очистка воды позволяет уничтожить все микроорганизмы, но при этом, она может негативно повлиять на различные органические вещества. В связи с тем, что в воде могут содержаться совершенно разные микроорганизмы и вещества, а точный анализ сточных вод, как правило, не делается, результат воздействия тока на эту воду никто предсказать не сможет. Соответственно, из-за непредсказуемой реакции веществ в воде, в ходе ее очистки могут получиться не очень безопасные соединения.