Курсовая работа: Исследование электрокоагуляционной очистки природных вод

Известно [1-А], что на процесс растворения алюминия оказывает влияние ряд физико-химических, электрических и гидродинамических факторов: активная реакция среды, ее солевой состав, температура, состав металлического алюминия, плотность тока, частота смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространстве и др. (табл.1.1).

Таблица 1.1 Влияние физико-химических, электрических и гидродинамических факторов на процесс растворения алюминиевого электрода

вода очистка электролиз

Коррозионная стойкость, а также потенциал алюминия и его сплавов в значительной степени зависят от активной реакции среды. Прогнозировать коррозионную стойкость алюминия позволяют диаграммы Пурбе (рис. 1.2). Однако выделенные на диаграммах зоны, вероятно, не могут быть постоянными и изменяются при изменении солесодержания воды и других факторов. Кроме того, скорость коррозии при изменении рН сильно зависит от вещества, которым производится подкисление или подщелачивание среды.

Все металлы, подверженные катодному разрушению, в зависимости от механизма разрушения, условно делят на две группы:

1) элементы главных подгрупп таблицы Менделеева - Sn, Pb, As, Sb, Bi;

2) элементы побочных подгрупп - Ti, Zr, Hf, U, Nb,Ta.

Рис. 1.2 - Диаграмма Пурбе. Области: I - коррозии; II - пассивности; III - катодной защиты.

Растворение алюминия, согласно месторасположению в таблице Менделеева, должно происходить с промежуточной фазой образования интерметаллических соединений. Увеличение скорости растворения алюминия в условиях катодной поляризации в средах с рН 4 и 10 объясняется некоторыми исследователями процессом химического растворения.

Использование инертных катодных материалов, не подверженных интенсивной коррозии, позволяет исключить катодное растворение, в то же время в значительной степени снижает процент полезного использования электроэнергии.

Процесс активного окисления алюминия может осложняться наступлением пассивного состояния. Это связано с образованием на поверхности алюминия окисной пленки.

Протекание электрохимических процессов на металлических электродах сопровождается адсорбцией на них неорганических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлять электрохимические реакции.

Для предотвращения образования осадка рекомендуется менять на электродах полярность тока. Однако смена полярности тока не всегда эффективна; в период переключения полярности резко снижается выход алюминия по току, и трудно удаляются осадки на электродах.

Процесс активного окисления металлов при электролизе осложняется их пассивацией. Например, на поверхности алюминия оксидная пленка образуется в результате реакций (1.19, 1.20):

2Аl3+ + 3О2- > А12О3; (1.19)

2А1 + 30 > А12О3. (1.20)

При этом потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Толщина пленки зависит от условий ее образования.

Оксидная пленка может иметь различные составы, структуру и в связи с этим разные свойства. Например, б-А12О3 имеет гексагональную кристаллическую решетку и плотность 4, г-А12Оз--кубическую и плотность 3,7 и т.д.

Степень активности алюминиевого анода в значительной мере зависит от природы и концентрации присутствующего в растворе аниона. Из всех анионов на активность алюминиевого анода наибольшее влияние оказывает хлор-ион.

Механизм активирующего действия хлорид-ионов связан с их небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результате чего она разрушается.

С1- > Вr- > J- > F- > SO42- > NO3- > РО43- (1.21)

Активация алюминиевого анода хлорид-ионами также объясняется сильным замедлением процесса образования окисной пленки, связанным с адсорбционным вытеснением кислорода. Повышение концентрации сульфатов по отношению к постоянной концентрации хлоридов приводит к полному угнетению активирующего действия хлорид-ионов на окисную пленку. Схема структуры анодной оксидной пленки и механизма ее роста приведены на рис. 1.3. Рост температуры воды препятствует образованию осадков на электродах, увеличивает скорость растворения пассивной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленка становится рыхлой и легко удаляется с поверхности алюминия. Особенно усиливается разрушение окисной пленки в присутствии хлорид-ионов, сорбция которых на алюминии с повышением температуры возрастает [1-А].

Рис. 1.3 Схема структуры анодной оксидной пленки и влияние ионов на процесс ее образования и разрушения в средах:

а - сульфатных; б - хлоридных.

2. Современный анализ технологии электрохимической очистки

Электрокоагуляционный метод очистки природных вод давно привлекает исследователей и практиков разных стран и характеризуется компактностью установок, возможностью автоматизации процесса, легкостью регулирования его параметров, высокой эффективностью, а в ряде случаев исключительной возможностью удаления из воды отдельных загрязнений.

В настоящее время метод электрокоагуляции получил развитие как эффективный и прогрессивный способ подготовки воды для хозяйственно-питьевого, промышленного водоснабжения и для очистки сточных вод.

Электрохимические реакции позволяют без дополнительных затрат на химических реагентов преобразовать пресную или слабосолоноватую природную воду в высокоактивный технологический раствор, обладающий практически любыми необходимыми функциональными свойствами.

Электрокоагуляция может использоваться для осветления, обесцвечивания, обескремнивания, обезжелезивания, обескислороживания, частичного умягчения и других способов обработки воды. Она позволяет во многих случаях не только извлечь загрязняющие вещества, но и вернуть очищенные воды в производство для повторного их использования. При электрокоагуляции удаление ионов тяжелых металлов происходит за счет повышения рН воды и образования гидроксидов железа и других металлов [2-А].

В последние годы появляется ряд работ, указывающих на возможность применения данного метода для удаления из воды соединений железа, кремния, марганца, кобальта, никеля, селена, стронция, органических веществ, кислорода, водорослей, бактерий и других загрязнений, относящихся ко всем четырем группам классификации примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию [6].

Анализируя литературные данные, следует отметить, что метод электрокоагуляции в последние годы довольно активно внедряется в производство.

К его преимуществам можно отнести:

1) очистка воды до нормативов ПДК;

2) использование очищенной воды в обороте;

3) исключение расхода реагентов;

4) незначительные площади под оборудование.

Недостатками электрокоагуляционного метода являются:

1) расход металла на растворимые аноды;

2) пассивация анодов;

3) невозможность очистки концентрированных сточных вод без их разбавления [8].

Электрокоагуляция может использоваться для осветления, обесцвечивания, обескремнивания, обезжелезивания, обескислороживания, частичного умягчения и других способов обработки воды [9].

Первые исследования по применению метода электрокоагуляции для очистки воды были проведены инженером А.Д. Абрамкиным. При плотности тока 10 А/м2, расходе железа 2 г и электроэнергии 1 кВт-ч на 1 м3 воды высокоцветная вода, содержащая 16,5 мг/дм3 гидрокарбоната железа и 25 мг/дм3 оксида кальция, проходя через электролизер с цилиндрическими железными электродами, полностью осветлялась, обесцвечивалась, обезжелезивалась и становилась пригодной для питья, а при повышенных расходах электродного материала и электроэнергии (до 20 кВт-ч/м3) становилась пригодной для питания паровых котлов.

Значительные исследования по электрокоагуляционной очистке питьевых вод с применением алюминиевых и железных электродов описаны в работах А.И. Изъюровой и И.П. Овчинкин. При использовании алюминиевых анодов, силе тока 0,35 А, напряжении 6 В и расходе алюминия 15 мг/дм3 достигалось снижение цветности воды с 72 до 6 градусов американской шкалы и увеличение ее прозрачности через 1 час с 1,6 до 4,5 см, через 3 часа - до 22 см, через 4 часа - до 36 см. Исследователи указывали, что электрокоагулированием достигалось осветление даже такой устойчивой мутности, которая создается коллоидной глиной.

Исследования по очистке питьевых вод в электролизерах с алюминиевым анодом проводились и за рубежом американскими исследователями Фредом Е. Стюартом и Чарльзом Ф. Бониллой. Очистка воды электрокоагуляцией поверхностных источников с различными цветностью, содержанием взвешенных веществ и жесткостью, показала, что необходимая степень осветления и обесцвечивания воды достигалась при расходе алюминия 7 г и электроэнергии 0,286 кВт-ч на 1 м3. Методом электрокоагуляции снижалась цветность с 70 до 14 град сильнощелочной, с повышенной жесткостью воды г. Майами.

Высокую эффективность метода электрохимического коагулирования воды показали исследования, проведенные в Англии, Голландии и США с использованием железных и алюминиевых электродов при небольших затратах электродного материала и электроэнергии.

С.П. Колосков и А.Ф. Комаров указывают, что электролитическим коагулированием при расходе 1,1 г алюминия и 0,005 кВт-ч электроэнергии на 1 м3 воды достигается удаление взвешенных веществ на 93%.

Исследованиями З.Я. Ярославского установлено, что электрокоагулированием при плотности тока от 1 до 20 мА/см2 эффективно снижалась мутность, высокая цветность, содержание железа и число бактерий в воде. Расход алюминия составлял 3,75-6,68 г, а электроэнергии 0,034-0,04 кВт-ч на обработку 1 м3 воды.

В.Д. Дмитриевым с сотрудниками установлено, что методом прерывистой электрокоагуляции может быть достигнута высокая эффективность снижения цветности воды в разные месяцы и сезоны года (цветность воды снижалась с 112,5 до 12,5 град). В результате обработки воды в проточном электролизере производительностью 35 м3/ч с использованием алюминиевых и медных электродов концентрация железа снижалась с 5,4 до 0,03 мг/дм3, достигалось полное осветление воды, удаление аммонийного и нитритного азота и снижение на 20% концентрации SiO2. Расход алюминия составлял 0,16 мг/дм3, электроэнергии 0,04-0,06 кВт-ч на 1 м3 воды.

Исследования по удалению коллоидных примесей железа, кремния и мышьяка, содержащихся в растворах при гидрометаллургическом производстве цинка были проведены проф. В.Д. Пономаревым и Д.А. Тараскиным. Обработка растворов с исходным содержанием до 4,3 г/дм3 SiO2, около 140 мг/дм3 мышьяка и 2 г/дм3 железа осуществлялась постоянным током на установке с алюминиевым или железным анодом при низких значениях рН и температуре 50-73°С. При плотности тока 1,0-1,3 А/м2 и расходе электроэнергии 19,5 кВт-ч/м3 остаточное содержание SiO2 составляло 1,5 г/дм3, мышьяка - 80 мг/дм3.

Методом электрокоагуляции проводилась очистка воды р. Неман. При дозе алюминия 7,8 мг/дм3 окисляемость исходной воды снижалась на 50%, жесткость - на 18,7 %, железо удалялось полностью. При производительности электрокоагуляционной установки 120 м3/ч экономический эффект электрохимической коагуляции во много раз превышал реагентную обработку.

Исследования по очистке воды, проводимые в Институте коллоидной химии и химии воды Академии Наук Украины, показывают возможность получения до 250-500 м3/ч качественной питьевой воды на электрокоагуляционных установках при напряжении до 12 В и силе тока 10-20 А.