УДК 628 - Московский государственный университет

УДК 628.168
МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
В.Н. Кокоулин, В.Ф. Сторчевой – д-р техн. наук, проф.
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
В данной научной статье изложены методы электрохимической очистки воды,
устройство блока электрохимического окисления, применяемого в системах комплексной
водоочистки.
The given scientific article is about methods of electrochemical water treating, and also is
told about the block of the electrochemical oxidation applied in systems of complex water
purification.
Проблема очистки загрязнений водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых вод и
т.д.) является наиболее актуальной, так как без воды человек и все живое на Земле не
может нормально жить, существовать и развиваться. Одной из причин заболеваемости
человека является неудовлетворительное качество воды, которую мы употребляем в
течение всей жизни. Качество воды зависит от растворенных в ней веществ органической
и неорганической природы.
В настоящее время для обработки воды эффективно используют электрохимические
методы, которые подразделяют на три группы: методы превращения, методы разделения и
комбинированные методы (рис. 1.).
Первая группа методов обеспечивает изменение физико-химических и фазоводисперсных характеристик загрязнений с целью их обезвреживания или более быстрого
извлечения из воды. Превращение примесей может протекать через ряд последовательных
стадий, начиная с электронного уровня взаимодействия растворимых соединений и
заканчивая изменением каких-либо электроповерхностных или объемных характеристик
грубодисперсных веществ. Взаимодействие примесей при наложении на дисперсную
систему электрического поля является достаточно сложным процессом. Здесь наряду с
воздействием поля существенное влияние оказывают продукты электродных реакций, а
также окислительно-восстановительные реакции на электродах.
Вторая группа методов предназначена для концентрирования примесей в локальном
объеме электролита без существенного изменения фазово-дисперсных или физикохимических свойств, извлекаемых веществ. Разделение примесей и воды происходит в
основном за счет флотации электрогенерируемыми пузырьками газов или силового
действия электрического поля, обеспечивающего транспорт заряженных частиц в
жидкости.
Рис. 1. Классификация электрохимических методов обработки воды
Третью группу составляют комбинированные методы, которые предполагают
совмещение одного или нескольких методов превращения и разделения загрязнений в
одном аппарате.
На основании предложенной классификации методов электрообработки следует
осуществлять и выбор типа электрореактора.
В зависимости от электролитического эффекта подбирается материал и принимаются
соответствующая конфигурация и конструкция электродов, камеры электролиза.
Гидродинамическая обстановка в электрореакторе зависит от его конструкции и
фазово-дисперсного состояния продуктов электродных реакций и извлекаемых
загрязнений.
Соединение электродов определяется электрическими параметрами процесса
электролиза и существующим выпрямительным оборудованием, что позволяет
максимально использовать его КПД.
Выбор материала электродов зависит, в первую очередь, от вида получаемых
продуктов электродных реакций и их взаимодействия между собой и примесями воды.
При нейтрализующем влиянии продуктов электродных реакций или их ингибирующем
действии, на процесс очистки, продукты отделяются от объема обрабатываемой воды
диафрагмами.
Конструкция электрореактора должна выбираться в каждом конкретном случае с
обязательным учетом исходного состава и концентрации загрязнений, а также с учетом
взаимодействия их между собой и продуктами электролиза.
1.
Методы превращения:
Электрокоагуляция – метод превращения примесей коллоидной степени
дисперсности до грубо дисперсного состояния, характеризуется протеканием следующих
процессов:
электростатическая
коагуляция,
электрохимическая
коагуляция,
электролитическая коагуляция, гидродинамическая когуляция и концентрационная
коагуляция.
Электрохимическая деструкция процесс электрохимического окисления и
восстановления как органических, так и неорганических соединений, широко
используется при очистке сточных вод.
Электрокристаллизация – процесс характеризуется возникновением твердой фазы на
поверхности электродов или в объеме раствора при протекании электродных реакций.
Наиболее часто в практике водоочистки используется катодное восстановление ионов
металлов, в результате которого образуется кристаллическая твердая фаза.
Процесс электрокристаллизации также широко применяется при извлечении
металлов из сточных вод гальванических цехов.
2.
Методы разделения веществ:
Электрофлотация – получение газовых пузырьков, которые всплывая в объеме
жидкости, взаимодействуют с частицами загрязнений, в результате чего происходит их
взаимное слипание, обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой
частицы и пузырька газа на границе раздела фаз «жидкость-газ». Плотность
образующихся агрегатов меньше плотности воды, что обусловливает их транспорт – на
поверхность жидкости и накопление там флотошлама, который периодически удаляется
из сооружения.
Электродиализ. Разделение и концентрирование ионных примесей в воде
осуществляется методом электродиализа. Сущность метода заключается в использовании
направленного движения ионов в растворе в соответствии со знаками их зарядов под
действием разности потенциалов, приложенной к электродам.
Электрофорез основан на транспорте заряженных частиц в электрическом поле,
может быть применен во многих случаях для концентрирования примесей, но особенно
целесообразен для агрегативных устойчивых коллоидных загрязнений, имеющих высокое
значение электрокинетического потенциала, когда обработка воды другими способами
(например, коагуляцией) не дает хороших результатов. Высокая эффективность метода
подтверждена при очистке воды от солей, суспензий, эмульсий, бактериальных
загрязнений.
Электрофильтрование – пpoцecc водоочистки, за счет эффектов воздействия на
движущиеся с потоком жидкости частицы примесей однородных и неоднородных
электрических полей, обеспечивающих их отделение от воды и формирование в виде
осадка у поверхности различных коллекторов. При этом в одном аппарате реализуются
совместно во времени и пространстве электрическое воздействие на дисперсную фазу и
фильтрование дисперсионной среды. Роль электрического воздействия сводится в данном
случае в основном к транспортировке заряженных коллоидных частиц к поверхности
коллекторов,
вблизи которых происходит концентрирование частиц и создаются благоприятные
условия для их коагуляции.
3.
Комбинированные методы:
Электрофлотокоагуляция позволяет одновременно осуществлять два процесса:
изменение дисперсного состояния примесей за счет их коагуляции под действием
электрического поля продуктов электродных реакций и закрепление пузырьков
электролитического газа на поверхности коагулирующих частиц, что обеспечивает их
последующую флотацию.
Электрокаталитическая очистка. Снизить затраты и повысить эффективность
очистки можно при использовании катализаторов восстановления активного хлора –
активированных углей, гидроксидов и оксидов металлов переменной валентности.
Наибольшей эффективностью обладают соединения металлов, изменяющие свою
валентность в широком интервале, например марганца.
Процесс электрохимической деструкции с каталитическим окислением органических
примесей осуществляют двумя методами: введением в электродное пространство вместе с
потоком жидкости подвижного или гранулированного неподвижного катализатора и
введением катализатора в поток после электролиза в специальном реакторе.
Обработка комплексом электрических воздействий (КЭВ) – сочетание воздействий
электрических полей напряженностью порядка пробойной –
1…100 кВ/см и
напряженностью электрохимической и поляризационной коагуляции – 1…100 В/см.
Электроосаждение процесс в технологии очистки воды, под которым понимается
взаимодействие заряженных коллоидных частиц, мигрирующих в электрическом поле, с
подложкой, в качестве которой могут служить, в первую очередь, катод и анод.
Электрохимическое
обеззараживание.
Электролиз
водных
растворов
сопровождается образованием в объеме электролита сильных дезинфектантов. Наложение
электрического поля на обрабатываемую жидкость может вызывать необратимое
агрегирование микроорганизмов, что позволяет отделить их на фильтре очистки от
грубодисперсных примесей.
Из вышеперечисленных методов остановимся на методе электрохимической
деструкции. Как было сказано выше, данный метод позволяет расщеплять сложные
химические вещества до более простых и безвредных.
Конструкции аппаратов для проведения электрохимической деструкции
разнообразны. Они различаются количеством электродов, материалом из которого
сделаны электроды, наличием или отсутствием диафрагмы между электродами и д.р.
Остановимся на блоке электрохимического окисления БЭХО, выпускаемым ЗАО
«Экоинжком». Данный блок имеет достаточно простую конструкцию, состоящую из
корпуса и двух электродов – анода, выполненного из титана с рутениевым покрытием
(ОРТА) и катода, выполненного из сетки из нержавеющей стали (рис. 2а). В настоящее
время
серийно
выпускаются
два
блока
электрохимического
окисления
производительностью 1 и 3 м3/ч. Потребляемая мощность данных блоков 4…11 Вт/м3,
потребляемый ток 3А, напряжение 12В. Основное предназначение БЭХО – очистка воды
от ионов тяжелых металлов, ионов железа, сероводорода, удаление сульфитов и
обеззараживания воды.
При работе блока в системе комплексной водоочистки (СКВ) «Надежда»,
производимой ЗАО «Экоинжком», была доказана эффективность его применения. Из
отрицательных аспектов следует отметить отложение продуктов электролиза на катоде
(рис. 2б), что приводит к ухудшению работы, а при сильных отложениях может вызвать
выход блока из строя. Для предотвращения не желательных последствий было
предложено делать переполюсовку электродов. Переполюсовку проводят с применением
специальной электрической схемы (рис. 3), состоящей из следующих элементов:
устройства защитного отключения, многофункционального реле времени и реле
переключателя.
а
б
в
Рис. 2. Электролизная ячейка блока электрохимической очистки воды:
а – электролизная ячейка в сборе (1 – катод; 2 – анод); б – электролизная ячейка после
использования её в системе комплексной водоочистки; в – электролизная ячейка после
проведения переполюсовки
Данные предварительных исследований
показали,
что
при
проведении
переполюсовки наблюдается очищение
катода от продуктов электролиза (рис. 2в).
В настоящее время проводятся более
детальные
исследования,
результаты
которых, пока еще полностью не
установлены.
Выводы
Рис. 3. Электрическая схема системы
переполюсовки
1.
Применение
современных
энергосберегающих
технологий
в
различных отраслях народного хозяйства не
только снижает расходы, но и уменьшает
вредное воздействие на атмосферу, что
актуально в настоящее время.
2. Проводимые в настоящее время
эксперименты показывают, что применение
БЭХО
в
системах
комплексной
водоочистки позволяет повысить их
эффективность, а также снизить стоимость
этих систем.
Библиографический список
1.
2.
3.
4.
5.
Яковлев С. В., Краснобородько И. Г., Рогов В. М. Технология электрохимической
очистки воды. – Л.: Стройиздат, 1987.
Веселов Ю.С., Лавров И. С., Рукобратский Н.И. Водоочистное оборудование. – Л.:
Машиностроение, 1985.
Грановский М.Г., Лавров И.С., Смирнов О. В. Электрообработка жидкостей. – Л.,
1976.
Духин С. С., Эстрела-Льопис В. Р., Жалковский Э. К. Электроповерхностные
явления и электрофильтрование. – Киев: Наукова думка, 1985.
Информационные материалы ЗАО «Экоинжком». 2004.