Процесс электрокоагуляционного обезжелезивания природных вод исследован в работах профессора Николадзе Г.И. Им установлено, что в электрокоагуляторе с Al-анодами при плотности тока 0,2-0,3 А/дм2 содержание железа в воде при первоначальном значении 4,6 мг/дм3 снижалось до 0,3 мг/дм3. При этом достигалось улучшение качества воды по мутности, цветности, окисляемости и др. показателям.
С целью предотвращения пассивации и зашламления электродов рядом исследователей [3,6] предложены различные способы: механические скребки и щетки для снятия отложений, наложение однородного переменного тока различной частоты или магнитного поля и засыпка магнитных материалов в межэлектродное пространство, применение импульсного и асимметрического электрического тока, использование вращающихся электродов. Однако эти меры эффективны в отдельных конкретных случаях для относительно постоянного состава сточных вод. Более надежным приемом можно считать поддержание в межэлектродном объеме условий, предотвращающих образование мало- или нерастворимых соединений.
Методом электрокоагуляции удаляются из воды многие загрязнения, в том числе и соединения железа, содержание которого в природных водах превышает допустимые нормы в несколько раз. В соответствии с СанПиНом 10-124 РБ 99 в воде, подаваемой для хозяйственно-питьевых нужд, содержание железа не должно превышать 0,3 мг/дм3. А к воде, используемой в ряде производств (в теплоэнергетике, радиоэлектронике, промышленности искусственных и синтетических волокон и др.), предъявляются еще более жесткие требования к содержанию в ней железа, кремния и солей жесткости.
В Японии электрокоагуляционный метод перспективно развивается для очистки воды от соединений железа и кремния. В установке вода с расходом 2 м3/ч пропускалась через электролизер с алюминиевыми электродами, установленными на расстоянии 13 мм друг от друга. При температуре воды 50-55°С, постоянном токе силой 2,1 А и плотности 1 мА/см2, с наложением переменного тока силой 2,1 А и плотности 0,1 мА/см2 концентрация SiO2 снижалась с 14 до 1,7 мг/дм3. Цуда Акира приводит данные по обработке воды с содержанием железа 5,4 мг/дм3, рН = 6,6 и цветностью 40 град на установке производительностью 35 м3/ч.
Таким образом, проведенные разными авторами исследования показывают перспективность исследуемого метода электрокоагуляции в водоподготовке. Однако отсутствие систематических исследований проведения электрокоагуляционной очистки природных вод применительно для водоемов малой минерализации не позволяет широко внедрить и использовать данную технологию. Имеющиеся данные разрозненны.
Для нас представляло интерес найти условия и параметры эффективной электрокоагуляционной очистки природной маломинерализированной воды в электролизере с растворимым анодом при влиянии на процесс различных внешних факторов.
3. Исследования процесса растворения алюминиевого анода при изменении физико-химических факторов
вода очистка электролиз
В основе электрокоагуляционной очистки природной воды от загрязнений лежит процесс превращения примесей коллоидной степени дисперсности до грубодисперсного состояния под воздействием электрического тока. Коагуляция частиц обусловлена введением положительных многозарядных ионов металла, гидролизующихся с образованием гидроксидов и других промежуточных соединений (1.2, 1.7, 1.8).
Исследования процесса анодного растворения алюминия проводились на экспериментальной электролизной установке (рис. 3.1, 3.2) при одновременном изменении температуры воды и плотности тока. Показатели качества воды, взятой для исследования, приведены в табл. 3.1.
Рис. 3.1 - Схема электрохимической установки
1 - резервуар исходной воды; 2·- электролизер; 3 - выпрямитель тока;
4 - фильтр; 5 - бак очищенной воды
Рис. 3.2 - Электролизер
Таблица 3.1. Показатели качества воды р. Мухавец, используемой в опытах
Температуру воды изменяли в пределах от 5 до 90єС термостатированием. Электроды из алюминия и нержавеющей стали с расстоянием между пластинами 5 мм помещались в устройство из органического стекла вместимостью 1,5 дм3. Общая рабочая поверхность электродов составляла 1 050 см2. Поверхность анодов перед каждым опытом зачищалась мелкозернистой наждачной бумагой, затем обезжиривалась в течение 15 с в растворе 10% NaОН и обрабатывалась в течение 30 с в растворе 30% HNО3. После тщательной промывки электроды высушивались фильтровальной бумагой. Постоянную температуру для исследований поддерживали, помещая электролизер в ультратермостат U-8. Постоянный электрический ток поступал от выпрямителя ВСК-5К, сила тока и напряжение на электродах фиксировались ампервольтметрами с классом точности 0,5. Выход алюминия по току определяли по методике предложенной А.А. Резниковым и др. Водородный показатель определяли электрометрическим методом при помощи иономера И-130.2М.1. Для подтверждения точности результатов, полученных аналитическим определением, в отдельных опытах производили взвешивание анода до и после электролиза.
Результаты исследований представлены в виде кривых и таблиц. Они отражают зависимость выхода алюминия по току от температуры воды при различной длительности процесса электролиза и плотности тока.
Проанализировав полученные зависимости, можно сделать следующие выводы. При повышении температуры воды от 5 до 60°С в первые несколько часов электролиза выход алюминия по току увеличивается (рис.3.2). Одновременно проявляется зависимость процесса от плотности тока: выход алюминия по току тем больше, чем выше плотность тока при данной температуре воды. Особенно это проявляется при изменении температуры от 5 до 40°С.
Рис. 3.2 - Зависимость выхода алюминия по току от температуры воды при плотности тока 2 (1), 5 (2), 10 (3) мА/см2.
Как видно из рис.3.2, выход алюминия по току также значительно повышается при температуре воды от 5 до 40°С, при повышении температуры до 50°С - увеличивается незначительно, при дальнейшем повышении температуры (выше 50°С) процесс несколько замедляется.
Объяснить увеличение выхода алюминия по току можно следующим: при повышении температуры воды увеличивается скорость химического взаимодействия алюминия с водой на активных участках поверхности, а именно, в местах с разрушенной оксидной пленкой. Увеличение плотности тока также интенсифицирует в начальный период процесс электролиза. Замедление и понижение выхода алюминия по току при температуре воды более 60 °С, по мнению проф. А.Ф. Богоявленского и В.Т.Белова, связано с объемным уплотнением коллоидного гидроксида алюминия в макропорах алюминиевого анода за счет его гидратации и набухания. При этом происходит сужение межмицеллярных пространств и частичное капсулирование макропор.
Изменяется в процессе электролиза и расход электроэнергии на обработку единицы объема воды. Так, при постоянной плотности тока 2 мА/см2 и повышении температуры воды от 5 до 90°С он уменьшается с 4,0 до 1,1 Вт-ч/м3 воды соответственно (табл.3.2).
Таблица 3.2. Зависимость расхода электроэнергии от температуры воды
На рис.3.3 показана зависимость изменения выхода алюминия по току при различной длительности работы электролизера от температуры воды и плотности тока.
Активное растворение алюминиевого анода, как показывают данные исследований, происходит при плотности тока от 2 до 4 мА/см2 в пределах исследованных температур от 5 до 45°С. При таких параметрах и длительности работы электролизера в пределах 200 часов выход алюминия по току остается почти неизменным, при этом поверхность анода растворяется равномерно, на ней образуется множество мелких питтингов. Выход алюминия по току начинает резко уменьшаться через некоторое время после начала электролиза при плотности тока 5 мА/см2 и выше при повышении температуры до 45°С.
Так, при плотности тока 5 мА/см2 и температуре воды 5°С выход алюминия по току за 150 часов процесса электролиза снижается плавно и уменьшается лишь на 1%, а за 200 часов электролиза при этой же температуре - на 18,5%. При той же плотности тока и температуре воды 45°С выход алюминия по току уже за 35 часов снижается на 18,5%, а через 100 часов процесса электролиза выход алюминия по току полностью прекращается. При плотности тока 10 мА/см2 снижение выхода алюминия по току происходит резко за более короткое время. Так при температуре воды 45°С выход алюминия по току через 15 часов процесса электролиза снижается на 120%, а через 100 часов полностью прекращается.
Рис .3.3. Зависимость выхода алюминия по току от плотности тока (i) и температуры (t) воды при различной длительности работы электролизера ():
1,2,3 - i= 2 мА/см2, t=5, 20 ,50°С;
4,5,6 - i=10 мА/см2,t=5, 20, 50°С.
Одновременно с уменьшением выхода алюминия по току при повышении температуры воды и плотности тока возрастает напряжение на электродах. Это приводит к нагреванию раствора и перерасходу электроэнергии.
Исследования процесса анодного растворения алюминия при изменении температуры воды показали, 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.
Заключение
Водные ресурсы являются важнейшим компонентом природной среды, которые определяют возможность устойчивого развития любого крупного региона, от них зависит уровень жизни и здоровье населения. Вода играет исключительно важную роль в геологических процессах, жизнедеятельности человека, разнообразии природных экосистем и в их функционировании. С ростом городов, развитием различного рода водоемких отраслей промышленности, увеличением расхода воды на производство продуктов сельского хозяйства проблема обеспечения высококачественной водой с каждым годом усложняется [1].
Существенным преимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки воды является их экологичность - возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений. Эксплуатацию установок можно значительно упростить, т.к. электрохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматизации. Электрокоагуляция позволяет осуществлять процесс очистки воды в компактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках и особенно удобна для небольших автономных объектов (на судах речного флота, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т.д.) [6].
Проведенные исследования процесса анодного растворения алюминия при изменении физико-химических факторов показали, 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 могут быть использованы для повышения эффективности работы электролизных установок на небольших автономных объектах, в детских лагерях, сельских поселках и др.
Список использованных источников
вода очистка электролиз
1.Водные ресурсы Брестской области. Волчек А.А., Калинин М.Ю. - Мн.: Издательский центр БГУ, 2002 - 440с.: ил.
2.Щербаков Г.А. Состояние загрязнения поверхностных и подземных вод в РБ. / Журнал «Строительство и недвижимость». - 2005. - №2. - С.22.
3.Кудельский А.В. Экология и национальная безопасность / Беларуская думка. -1997. - № 7.
4.Гуринович А.Д. Современные стратегии повышения эффективности систем водоснабжения и водоотведения населенных мест, сельскохозяйственного и промышленного производства / Журнал «Вода». - №9. - 2005. - С.4.
5.Ганбаров Э С. Безреагентная очистка поверхностных вод с использованием электрохимического окисления и сорбции. /Журнал «Водоснабжение и санитарная техника» №2, 2003, с.21.
6.Технология очистки природных вод. Кульский Л.А., Строкач П.П.- К.:Вища школа, 1986.- 352 с.
7.Седлуха С.П., Софинская О.С., Доценко О.Т. Вопросы обезжелезивания подземных вод не теряют своей актуальности / Журнал «Вода». - №11.- 2005. - С.21.
8.Вурдова Н.Т., Фамичев В.Г. Электродиализ природных и сточных вод. - М.: Изд-во АСВ, 2001. - 144 с.: ил.
9.Яловая Н.П. Перспективы электрокоагуляционной технологии очистки природных вод для небольших автономных объектов // Вестн. Брест. госуд. техн. ун-та. - 2006. - №2(38). - С.70-73.