Исследование электрокоагуляционной очистки природных вод
Введение
Выполнены исследования по электрокоагуляционной очистке природных вод. Рассмотрены теоретические основы электрохимической очистки природных вод в электролизерах с растворимым анодом и современный анализ существующих технологий по электрокоагуляции. Проведены исследования процесса анодного растворения алюминия при изменении физико-химических факторов. Установлено, что активное растворение алюминиевого анода происходит при температуре воды от 5 до 50°С и плотности тока от 2 до 4 мА/см2. Использование более высоких плотностей тока при повышении температуры воды снижает выход алюминия по току и повышает напряжение на электродах. Результаты исследований доказывают экологичность технологии и могут быть использованы для повышения эффективности работы электролизных установок.
В настоящее время среди проблем, стоящих перед человечеством, все чаще на первое место выдвигаются проблемы, связанные с водой, т.к. состояние и развитие биосферы и человеческого общества находятся в тесной зависимости от водных ресурсов. Водные проблемы возникают при: отсутствии или недостаточности воды; неудовлетворительном ее качестве; водном режиме, не соответствующем оптимальному функционированию экосистем и хозяйственных объектов; избыточном увлажнении и при наводнениях. Все эти проблемы характерны и для Беларуси [1].
В последние годы все больше внимания уделяется многоцелевому использованию водных объектов для целей водоснабжения, гидроэнергетики, транспорта, промышленности, сельского хозяйства, рыболовства и др.
Беларусь располагает достаточными ресурсами возобновляемых пресных поверхностных и подземных вод для удовлетворения как текущих, так и ожидаемых в перспективе потребностей в воде. В средний по водности год речные ресурсы Республики Беларусь составляют 57,9 км3, а естественные пресные подземные ресурсы - 15,9 км3, в то время как отбор вод на бытовые и хозяйственные нужды не превышает 5-7% от ежегодно возобновляемых водных ресурсов. Кроме того, более половины от объема забираемой воды после ее очистки повторно сбрасывается в водные объекты.
Но к настоящему времени интенсивная хозяйственная деятельность на территории республики уже привела к серьезной деградации ее водного фонда. Несмотря на принимаемые меры, почти повсеместно сохраняется тенденция ухудшения качества поверхностных и грунтовых вод, учащаются случаи техногенного загрязнения глубоких водоносных горизонтов, в ряде мест природные процессы самоочищения водной среды подавлены. В результате крупномасштабных осушительных работ резко изменился водный режим многих малых рек.
В ряде регионов ощущается реальная нехватка пресной воды питьевого качества. Имеет место расточительное использование воды в коммунальном хозяйстве городов, на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях. Ввиду общих недостатков в природоохранной деятельности существенен вклад сбросов в водные объекты различных загрязняющих веществ с поверхностным стоком (частично организованным в городах и неупорядоченным в сельской местности). Вследствие неравномерного распределения водных ресурсов на территории республики в пределах многих промышленных районов имеет место высокая степень использования эксплуатационных запасов подземных вод [2].
На фоне существующих водных проблем большую актуальность приобретает внедрение новых технологий улучшения качества воды.
Проблема очистки воды охватывает вопросы физических, химических и биологических ее изменений в процессе обработки с целью сделать ее пригодной для питья, т. е. очистки и улучшения ее природных свойств.
Наиболее широко распространенные в мире методы очистки питьевой воды и отработанных водных растворов основаны на моделировании природных процессов - фильтрации, сорбции, ионного обмена. Однако установки, в которых реализованы указанные процессы, нуждаются в регенерации и периодической замене основного рабочего элемента: фильтров, сорбентов, ионообменных смол. При этом возникают проблемы с утилизацией отработанных материалов, а также сохраняется необходимость восполнения их потерь путем производства из не возобновляемых сырьевых запасов новых материалов взамен отработанных. Очевидно, стратегия наименьшего экологического ущерба при сохранении достигнутого уровня жизни населения Земли или при его улучшении должна быть основана на использовании технологий, позволяющих обеспечить минимально возможное вовлечение в производственно-хозяйственную деятельность человека природных минеральных сырьевых ресурсов, которые в естественном состоянии (например, месторождения полезных ископаемых) не представляют угрозы окружающей среде, но после серии различных технологических преобразований рассеиваются в виде растворимых в воде соединений.
Одним из таких естественных процессов, имеющих самое широкое распространение в живой и неживой природе, является электрохимическое преобразование веществ, т.е. окислительно-восстановительные реакции, связанные с удалением или присоединением электрона. Этот природный процесс более эффективен в сравнении с вышеназванными.
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. Кроме того, электрохимические реакции позволяют без дополнительных затрат химических реагентов преобразовать пресную или слабосолоноватую природную воду в высокоактивный технологический раствор, обладающий практически любыми необходимыми функциональными свойствами [3, 4].
1. Теоретические основы
1.1 Электрохимической очистки воды
Разработка и более широкое внедрение электрохимических методов является прогрессивным направлением в технологии водоподготовки. Эти методы позволяют корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, концентрировать и извлекать из нее ценные химические продукты и металлы, обеспечивать глубокую минерализацию органических загрязнений, обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки. Во многих случаях электрохимические методы являются экологически чистыми, исключающими вторичное загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных методов [5].
1.2 Процессы, происходящие при электролизе с применением растворимых анодов
Природная вода представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, включающую грубодисперсные, коллоидные, молекулярные и истинно растворенные вещества. Кроме того, природная вода является электролитом, так как растворенные в ней газы, минеральные и органические вещества в той или иной степени диссоциированы на ионы, а коллоидные и взвешенные вещества в большинстве случаев несут определенный заряд [6].
При погружении в воду электродов и подводе к ним напряжения достаточной величины начинается перенос электрического тока движущимися к электродам ионами в электролите и электронами во внешней цепи (рис. 1.1); на поверхности электродов при этом происходят разнообразные электрохимические реакции [1-А].
В случае применения растворимых металлических электродов электродный процесс сопровождается совокупностью электрохимических явлений и реакций, скорость которых согласно законам электрохимической кинетики определяется общим значением потенциала на границе металл-раствор, составом раствора и условиями диффузии компонентов или продуктов реакции в растворе.
Рис. 1.1 - Схема движения ионов в электролизере
вода очистка электролиз
В результате электролиза происходит процесс восстановления или окисления на электродах компонентов, составляющих электролит, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами реагирующего вещества. В переносе тока принимают участие все находящиеся в воде ионы, а также коллоидные и взвешенные частицы, несущие заряд. Степень участия определяется их относительной концентрацией и подвижностью, выражаемой уравнением (1.1):
, (1.1)
где л - эквивалентная электропроводность, см2/Ом г-экв;
F - число Фарадея (96500 К или 26,8 А-ч);
UK и Uа - абсолютные скорости движения катиона и аниона, см2/Ом г-экв.
Коллоидные и взвешенные частицы в связи с малой подвижностью переносят незначительную часть тока. В основном перенос электричества в природных водах осуществляют катионы К+, Ca2+,Na+,Mg2+ и анионы HCO3-, SO42- и C1-, а также ионы Н+ и ОН-, всегда содержащиеся в воде.
Общую реакцию анодного растворения металла, если образуются простые гидратированные ионы, можно записать в виде уравнения (1.2):
[М] + х·Н2О = Мz+ · х Н2О + z (1.2)
или, если образуются комплексные ионы металла в виде уравнения (1.3):
[М] + хА + уН2О = МАz-xx · уН2О + z (1.3)
Количество металла m (г), растворившегося в воде в результате электролиза, определяется по формуле (1.4):
, (1.4)
где А - атомный вес металла;
F - постоянная Фарадея (96500 К или 26,8 А-ч);
I - сила тока, А;
t - время прохождения тока, с;
з - выход металла по току, %;
n - валентность.
Электрохимическое растворение металлов включает в себя две основные группы процессов: растворение за счет внешнего тока (или анодное растворение металлов) и химическое растворение в результате взаимодействия с окружающей средой. Так, на алюминиевом аноде могут протекать химические реакции, непосредственно не связанные с протеканием электрического тока (1.5, 1.6):
Аl - 3>Al3+, (1.5)
А13+ +3ОН->А1(ОН)3 (1.6)
Установлено, что процессу химического растворения алюминия способствует наличие в воде ионов-депассиваторов, повышение скорости движения жидкости по отношению к поверхности металла, наложение постоянного электрического тока и другие факторы. В связи с этим выход алюминия по току может достигать 130-140 %.
Аномально высокие скорости растворения металлов обычно сопровождаются отрицательным дифференц-эффектом. Характерным признаком растворения, сопровождающегося отрицательным дифференц-эффектом, является приобретение анолитом восстанавливающей способности.
Согласно теории электрохимической коррозии при использовании в качестве анода алюминия или железа наиболее вероятными реакциями в природной воде могут быть следующие (1.7…1.16):
- анодное растворение -
А1 - 3>А13+, Fe->Fe2+ (1.7)
- образование гидроокисей -
А13+ +3ОН->А1(ОН)3 (1.8)
На алюминиевом или железном катоде в природной воде могут протекать следующие электрохимические процессы:
- деполяризация мигрирующими ионами -
Н++>Н, или Fe3+ +>Fe2+;
- деполяризация нейтральными молекулами -
О2 + 4 + 2Н2О>4ОН- - в щелочной среде,
О2 + 4Н+ + 4 > 2Н2О - в кислой и нейтральной среде, (1.11)
или С12 + 2>2С1; (1.12)
- восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, например, окислов -
Fe2+ + 2+ Fe°, (1.13)
Fe3O4 + Н2О + 2>3FeO + 2ОН-, (1.14)
- восстановление органических соединений -
RO + А + 4Н+ > RH2 + H2O, (1.15)
R + 2+ 2Н+ > RH2, (1.16)
где R -- радикал или органическая молекула.
Из перечисленных катодных процессов в природной воде в основном протекает кислородная и водородная деполяризация, причем, каждая из этих реакций в зависимости от условий может превалировать.
Кроме того, на алюминиевом катоде возможно протекание химической реакции взаимодействия алюминия с водой (1.17):
2А1 + 6Н2О = 2А1(ОН)3 + 3Н2^ (1.17)
Эта реакция становится возможной благодаря значительному повышению рН (до 10,5-12) в прикатодном слое во время электролиза и растворению защитной пленки Аl2О3 в щелочной среде. Повышение рН связано с разрядом на катоде водородных ионов и уменьшением их концентрации в растворе. Это приводит к диссоциации новых молекул воды, и у катода скапливаются гидроксильные ионы. Выделение водорода на поверхности алюминиевого катода также способствует переходу металла в активное состояние.
Электролиз также сопровождается выделением на электродах пузырьков газа (водорода, кислорода и др.), которые способны переносить вещество из жидкости на ее поверхность («электрофлотация»). Перенос осуществляется, как правило, пузырьками водорода, выделяющимися на катоде. Степень насыщения жидкости в пузырьками водорода прямо пропорциональна плотности тока i мА/см2 и обратно пропорциональна скорости подъема пузырьков водорода V, см/с (1.18):
, (1.18)
где k - электрохимический эквивалент водорода, г/К;
з - выход по току, %;
сг - плотность газовых пузырьков.
Под действием внешнего электрического тока происходит движение в воде взвешенных твердых частиц, пузырьков газа, капель другой жидкости и коллоидных частиц. Это явление получило название электрофореза.