WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
УДК 54; 504.064: 628.16.087 ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ВОДОПОДГОТОВКИ Клявлин М.С., Бобков О.В., Кузнецов Л.К.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа Рассмотрены предпосылки применения физико-химических и электрокоагуляционных методов в водоподготовке и использование этих методов в настоящее время.

Ключевые слова: методы обработки воды, электрокоагуляционные методы.

Развитие водоподготовки началось с улучшения органолептических показаний воды. С открытием возбудителей инфекционных заболеваний, передаваемых через воду, стало очевидным, что только органолептические показания ещё не могут свидетельствовать о пригодности воды для хозяйственно – питьевых целей. В результате этого возникла необходимость в дополнительных методах обработки воды помимо традиционно используемого отстаивания. Таким методом явилось фильтрование либо через песочный грунт, либо через песчаные фильтры медленного действия.

Эксперименты, проведенные в США, привели к разработке скорых песчаных фильтров, основанных на коагуляционной обработке воды и позволяющих эффективно снижать мутность, и содержание болезнетворных организмов в воде [1,2], что значительно улучшило качество очистки природных и производственных сточных вод [3].

Коагулирование взвешенных и коллоидных частиц содержащихся в воде, с использованием различных форм сульфата алюминия было известно с XVII века. Для очистки воды использовали сульфат алюминия добавляемый в © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru 2 очищаемую воду в виде раствора. Химические методы очистки природных вод с целью придания им питьевого качества стали применяться с конца XIX века в США. [4].

Так в качестве коагулянта впервые был использован сульфат закиси железа примененный в США в 1903 г. [5]. Совместно с сульфатом закиси железа впоследствии стала использоваться известь, способствовавшая интенсификации процесса хлопьеобразования и осаждения. Первым крупным городом, где использовалась это сочетание реагентов, стали Сент-Луис, Циннцинати и Новый Орлеан [1].

Первоначально в рассматриваемых технологиях коагулянт обычно добавляли в исходную воду после ее поступления в отстойники. Через несколько часов контактирования в отстойнике вода направлялась на скорые песчаные фильтры. Чтобы обеспечить контроль за процессом коагулирования при обработке воды наблюдали за процессом образования хлопьев в отстойнике и добавляли реагент «на глазок».

Другой вехой в истории водоподготовки было использование хлора для обеззараживания воды. Практикуемое в США с начала XX века хлорирование воды обеспечивало значительное снижение количества заболеваний, вызываемых некачественной водой. Такое сочетание коагуляции, отстаивания, фильтрования и обеззараживания позволило уже на ранних этапах водоподготовки обеспечить необходимое качество питьевой воды.

Водоподготовка в нашей стране берет свое начало с постройки первого водопровода в г. Москве [6,7], представляющий собой сооружения для доставки воды от источника к месту потребления с предварительным улучшением качества воды на искусственных песчаных фильтрах медленного действия [8].

Эти фильтры были английского производства, и очищали воду, за счет прилипания взвешенных веществ к поверхности песка в промежутках между © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru частицами и за счет биологической обработки загрязнении в результате жизнедеятельности микроорганизмов образующих биопленки.

К концу XIX в. промышленность России была представлена следующими основными отраслями обработка волокнистых веществ; обработка питательных веществ, обработка животных продуктов; деревообрабатывающая промышленность; писчебумажное производство, что вызвало повышенные требования к машинам по обработке этих веществ и продуктов [9].

Для промышленных предприятий того времени, очистка воды обычно включала ее умягчение для паровых котлов и химических производств, и осветление для писчебумажной, красильно-отбельной и других производств.

Таким образом, способы очистки воды, применяемые в то время, заключались, главным образом, в коагулиационной обработке воды с отстаиванием и фильтрованием.

Отмеченное вызывало необходимость дальнейшего совершенствования и интенсификации процессов водоподготовки. В связи с этим во второй половине XIX века в США были разработаны и стали использоваться скорые фильтры, оказавшиеся эффективными для снижения мутности и содержания бактерий в воде [10]. Вскоре эти фильтры, благодаря своему быстрому действию, вытесняют распространенные ранее в России английские медленные фильтры.

Традиционным коагулянтом является сернокислый алюминий, обладающий некоторыми недостатками, связанными с повышенной чувствительностью к температуре и pH обрабатываемой воды, образуют избыток рыхлых частиц гидроксида алюминия, вызывающих засорение фильтров, или высокое содержание алюминия в очищенной воде [3].

Применение коагулянтов нового поколения полиоксихлорсульфата алюминия (ПОХСА), полиоксихлорида алюминия (ПОХА) и некоторых других [11-13], ограничивается высокой стоимостью их производства или импорта. В то же время существует ряд методов электрохимической очистки природных и сточных вод, применение которых в отдельности или при совмещении © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru процессов обработки, позволяет добиться необходимого эффекта водоподготовки.

Развитие науки и техники и внедрение их достижений в ведущие отрасли промышленности в конце XIX … начале XX века [14] стимулировало разработку и внедрение прогрессивных технологий и в отраслевую водоподготовку, в частности законы открытые Майклом Фарадеем, определяющие соотношение между массой продукта, образовавшегося на электроде и электрическим зарядом пропущенным через электролит, имеют целый ряд промышленных применений это извлечение и очистка металлов, нанесение гальванопокрытий, анодирование и получение некоторых химических веществ. эти законы безусловно были важны для развития промышленности. В то же время с развитием промышленности, возникало много проблем, связанных с очисткой производственных сточных вод, и в этом случае законы Фарадея послужили основой для создания методов электрообработки воды [15,16].

В нашей стране электрокоагуляционные методы обработки и очистки воды получили значительное развитие в 60-е…70-е годы XX столетия [17].

Электрокоагуляцией принято называть процесс прилипания частиц дисперсной фазы к макроскопическим частицам коагулянта, образованного электрохимическим путем. При этом подразумевается, что растворение анодного материала происходит под действием внешнего источника питания. В общем случае процесс следует называть электрохимической коагуляцией [18].

Важным шагом в развитии электрокоагуляции является гальванокоагуляция [13,19]. Данный метод используется для очистки вод содержащих ионы металлов и эмульгированные нефтепродукты [20,21] в оборотных системах водоснабжения химических, металлургических и машиностроительных предприятий.

Известны несколько устройств различной конструкции, использующих в качестве электродов короткозамкнутые элементы (гальванопары). В качестве © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru электродов наибольшее распространение получили железный и медный скрап или железный скрап и кокс. В результате кратковременного контакта разнородных электродов растворяется железный электрод, ионы железа гидролизуются, образуя хлопья гидроксида железа, сорбирующие на своей поверхности ионы металлов, органические соединения, растворенные и эмульгированные нефтепродукты.

Гальванокоагуляторы можно использовать в широком диапазоне рН от до 14. При подаче кислых сточных вод рН на выходе аппарата возрастает и стремится к нейтральному значению, а в случае щелочных растворов рН на выходе снижается и также стремится к нейтральному значению.

Гальванокоагуляторы можно применить при различных концентрациях вредных примесей в очищаемой воде, поскольку процесс обладает способностью саморегулирования. При увеличении количества примесей автоматически возрастает скорость необходимой очистки. В гальванокоагуляторах отсутствует образование газообразных продуктов, что обеспечивает хорошие санитарно-гигиенические условия на станции водоочистки. Нет необходимости вводить какие-либо химические реагенты, что исключает случайное неконтролируемое загрязнение очищенной воды.

В гальванокоагуляторах не только с высоким эффектом извлекаются тяжелые металлы (98…99%), но и происходит умягчение воды за счет образования комплексных солей с участием солей жесткости. В связи с этим нами предлагается применить данный метод для уменьшения содержания солей жесткости в природной воде при ее подготовке для целей локального питьевого водоснабжения.

Следующим этапом развития методов электрообработки воды явились исследования по электрохимическим методам обработки воды проводимые в 90-е годы XX столетия, позволившие создать электрохимический источник энергии, в процессе работы которого происходит частичное растворение анодного материала для образования гидроксида с последующей очисткой воды [17].

© Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru На основании этих исследований были разработаны установки применительно к конкретным природным и производственным сточным водам позволяющие повысить эффект их очистки.

Отличие метода электрохимической коагуляции и метода электрокоагуляции состоит в том, что метод электрохимической коагуляции относится к энергосберегающим технологиям. Обработка воды в этом случае заключается в переходе частиц из центров вызывающих разряд к энергетически выгодным для продукта реакции участкам поверхности электродов. Это позволяет перейти от затрат электроэнергии к её генерации. Кроме того, электрохимический метод наиболее перспективен по следующим причинам: в электрохимических коагуляторах пространственно разделены катодная и анодная области, что позволяет реализовывать электрохимическое окисление и восстановление извлекаемых веществ, изменить реакцию среды рН, окислительно-восстановительный потенциал Eh; в электрохимических коагуляторах не проявляются эффекты пассивации и деполяризации; образуется два потока – католит и анолит – за счёт свойств которых возможно нарушение устойчивости дисперсной системы; возможно использование католита в качестве щелочного агента для заводнения нефтяных месторождений;

возможна последовательная обработка воды в анодной и катодной камере, что позволяет интенсифицировать процесс растворения анодного электрода; возможно использование кислородсодержащего газа для интенсификации процесса; возможно применение катионоактивных и анионоактивных мембран, что позволит производить обессоливание воды либо извлекать избирательно катионы и анионы загрязняющих веществ; возможно электрохимическое растворение некоторых минералов для подщелачивания воды [16].

Нами разработан метод умягчения природной воды, использующий в качестве электродов короткозамкнутого гальванического элемента дюралюмин и активированный гранулированный уголь. В качестве электролита служит природная вода с растворенными в ней солями жесткости, содержащая ионы натрия, калия, сульфат- и хлорид-ионы.

© Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru Взаимодействие электродов гальванопары и химические реакции способствуют интенсивному образованию нерастворимых осадков карбоната кальция и гидроксида магния, а также образованию дисперсных частиц Al(OH)3. Последние адсорбируют ионы Ca2+ и Mg2+. Таким образом, образуются мицеллы {m[Al(OH)3]·nOH-1/2(n-х)Ca2+}1/2хCa2+ и {m[Al(OH)3]·nOH-1/2(nх)Mg2+} 1/2хMg2+. Чем больше таких мицелл, тем меньше ионов Ca2+ и Mg2+ остается в воде, что приводит к уменьшению некарбонатной жесткости.

Рис. 1. Устройство гальванокоагулятора для умягчения природной воды 1-корпус устройства; 2-верхняя часть корпуса устройства; 3-нижняя часть корпуса устройства;

4-электродвигатель; 5-редуктор; 6-патрубок для подачи исходной воды; 7-патрубок для отвода отстоянной воды;

8-желоб для отстоянной воды; 9-емкость с катодным материалом; 10-емкость с анодным материалом;

11-патрубок для подачи воздуха.

© Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru Устройство для гальванокоагуляционного умягчения природной воды показано на рис. 1. Оно состоит из корпуса 1, в верхней части 2 которого расположен гальванокоагулятор, а в нижней части 3 отстойник. Над верхней частью устройства смониторован электродвигатель 4 с редуктором 5.

Гальванокоагулятор устройства оборудован патрубком 6 для подачи природной умягчаемой воды, а отстойник оборудован патрубком 7 для отвода из желоба умягченной отстоянной воды. Внутри корпуса находятся емкости с катодным и анодным 10 материалом. Емкости с анодным материалом закреплены на патрубке 11 для подачи воздуха в место контакта электродов электрохимического коагулятора.

Наличие насыпных электродов позволяет: избежать появления мути при использовании углеродсодержащих катодов; обеспечить минимальные энергозатраты для работы механизма взаимодействия электродов для кратковременного разряда в водной среде; постоянно обновлять поверхность соприкосновения электродов путем их взаимного перемещения в оптимальном режиме, изменяющимся в зависимости от исходной жесткости; уменьшить истирание менее прочного материала электрода и обеспечить возможность быстрой замены только катода и только анода путем извлечения кассеты с анодом или емкости с катодом из корпуса гальванокоагулятора; обеспечить доступ кислорода именно в место контакта электродов гальванокоагулятора.

Конструкция гальванокоагулятора позволяет регулировать степень умягчения природной воды за счет изменения частоты вибрации анода при контакте с катодом.

На основе результатов исследований работы пилотных установок предложено аппаратурное оформление процесса и конструктивные решения основных узлов и механизмов, а так же регулировка частоты вибрации катодных и анодных областей гальванокоагулятора в зависимости от жесткости и расхода природной воды.

© Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru Технологические параметры гальванокоагулятора для умягчения природной воды приведены в таблице 1.

На основании дальнейшего поиска методов интенсификации электрокоагуляции нами предложен принципиально новый подход, основанный на создании электрохимического источника энергии.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.