27904-1 (Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров), страница 3

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); τ - время обработки, ч; В_T — коэффициент использования тока, доли единицы; п - число пар электродов; =0,418 м^з/(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.

Физико-химические аспекты электрофлотации.

Флотация – процесс, основанный на слиянии отдельных частиц вещества под действием молекулярных сил с пузырьками тонкодиспергированного в воде газа или газов, всплывании образующихся при этом агрегатов и образовании на поверхности флотатора пены. Флотируемость частиц зависит от размеров пузырьков газа, которые определяются поверхностным натяжением на границе газ-вода. С понижением поверхностного натяжения эффективность очистки сточных вод флотацией повышается в отличие от отстаивания и фильтрования. При предварительном коагулировании примесей воды эффект флотации повышается [20,21].

При флотации в жидкости происходят ряд процессов: растворение воздуха, прикрепление воздушных пузырьков к частицам взвеси и всплывание их на поверхность с образованием пены.

Для успешного протекания процесса необходимо, чтобы твердые частицы и пузырьки воздуха прочно прикреплялись друг к другу. При флотации сточных вод пена должна быть достаточно прочной и не допускать обратного попадания загрязнений в воду.

Важной стадией электрофлотационного процесса является также адгезия газовых пузырьков частиц загрязнений, которая происходит на молекулярном уровне.

Выводы из литературного обзора.

Из анализа литературы можно сделать следующие выводы.

1. Большой цикл работ выполнен по электрофлотации-коагуляции с растворимыми анодами, что обеспечивает достаточно высокую степень очистки, но не позволяет регенерировать металлы из промывных вод, организовывать водооборот и характеризуется высокими энергозатратами.

2. Из обзора научной литературы следует, что индивидуально, без специальных добавок Сr (III) и Cr (VI) электрофлотационным методом практически не извлекаются.

На основании результатов исследований разработать технологию очистки сточных вод гальванического производства от соединений хрома.

выбор и обоснование электрофлотационного способа обезвреживания сточных вод.

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 нерастворенными анодами. Флотационный процесс основан на адгезии загрязнений на поверхности электрохимически генерируемого пузырька. Плотность образовавшихся флотокомплексов меньше плотности раствора, поэтому они поднимаются в верхнюю часть аппарата с образованием устойчивого пенного слоя. Электрофлотационный метод обеспечивает извлечение только нерастворимых соединений металлов[22].

Высокая эффективность электрофлотационного процесса по сравнению с обычными методами флотации объясняется малыми размерами пузырьков, радиус которых составляет 5-30 мкм. Большое значение играет также значительный заряд поверхности пузырьков, затрудняющих их коагуляцию. Поверхностный заряд обусловлен адсорбцией ионов Н⁺ или ОН^- в приэлектродной зоне и имеет положительный знак для газов, выделяющихся на аноде и отрицательный – на катоде. Поверхность же большинства гидроксидов металлов заряжена положительно, что обеспечивает эффективный захват частицы пузырьками водорода. Действительно, в катодной камере корректора эффективность коалесценции пузырьков водорода мала и составляет 0,001-0,008. При этом эффективность очистки находится в пределах 90-95%. В электрофлотационной камере происходит одновременное выделение кислорода и водорода, которые эффективно коаллесцируют друг с другом. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что флотация гидроксидов металлов только пузырьками кислорода неэффективна. В то же время скорость электрофлотационного извлечения смесью пузырьков водорода и кислорода неаддитивно больше скорости флотации только пузырьками водорода, что может объясняться взаимодействием пузырька кислорода с флотокомплексом частица-пузырек водорода. В присутствии пузырьков кислорода увеличивается стесненность движения пузырьков водорода, что приводит к увеличению времени их пребывания в аппарате и интенсификации процесса.

Рассмотрим для сравнения классические схемы очистки сточных вод:

Ионный обмен.

Метод ионного обмена является одним из способов извлечения металлов из промывных вод в локальных циклах, позволяющих создать малоотходное производство. Он основан на обмене между ионами, находящимися в растворе и ионами, присутствующими на поверхности ионообменной смолы. Ионный обмен находит широкое практическое применение в технологиях очистки промывных вод ведущих зарубежных фирм ФРГ, Японии, США.

К достоинствам ионного обмена следует отнести высокую эффективность очистки, высокую концентрирующую способность по металлу (в 1000 - 10000 раз), возможность получения извлеченных металлов в виде однокомпонентных растворов солей, простое аппаратурное оформление. Недостатки метода ионного обмена связаны с наличием стадии регенерации ионитов. Использование ионообменной технологии целесообразно при содержании металлов в сточной воде в концентрациях до 1 мг/л. Указанный метод позволяет регенерировать соединения шестивалентного хрома, снизить расходы на очистку воды и переработку осадка.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что в процессах ионообменной очистки сточных вод от хрома (VI) широкое применение нашли иониты на основе сополимера с дивинилбензолом, содержащие группы триметиламина. Однако, существенным недостатком ионитов типа АВ является малая химическая, гидролитическая и термическая устойчивость. Более перспективными сорбентами для целей извлечения хрома из природных и сточных вод, при строго контролируемом составе вод после очистки и повышенной температуре, являются низкоосновные аниониты [17, 18].