Электрохимические методы

Электрохимическая очистка загрязненных природных и сточных вод основана на использовании электрической или химической энергии. Электрохимические методы основываются на процессах двух типов:

а) электролиз водных растворов (рис. 1.5)

Ионы под действием электрического поля перемещаются к катоду и аноду. Достигая электродов, катионы получают от него недостающие электроны, а анионы отдают электроны, ионы становятся нейтральными атомами или молекулами. На границе раздела "электрод-раствор" происходит переход от электронной проводимости к ионной, причем прохождение тока через раствор сопровождается выделением на электродах продуктов электрохимических реакций. Реакция между ионом и электроном на границе раздела "электрод-раствор" определяет превращение электрической энергии в химическую. Химические превращения в растворе электролита за счет внешней электрической энергии реализуются в электролизерах.

б) генерация электрической энергииЭлектрическая энергия образуется засчёт протекающих в растворе химических превращений в электрохимических источниках тока (рис. 1.6).

В отличие от обычной гомогенной химической реакции, протекающей во всех точках объема раствора, где есть реагирующие вещества, электрохимическая реакция идет на границе раздела между электродом и раствором, то есть является реакцией гетерогенной. Стадии массопереноса и разряда - ионизации присутствуют во всех без исключения электродных процессах.

При электролизе протекают окислительно-востановительные процессы:

1) на катоде:

· выделяющиеся на катоде пузырьки Н₂ способны транспортировать нерастворимые примеси из объема жидкости на ее поверхность (флотация);

· процессы разряда металлических ионов, сопровождаемых осаждением твердой фазы;

· разряд ионов металла без выделения твёрдой фазы происходит по реакции:

Мп³⁺ + ē " Мп²⁺ (Fe³⁺ + ē " Fe²⁺);

· разряд молекул органических соединений, которые превращаются в органический анион: R + ē " R^-; далее произойдет нейтрализация аниона с образованием продукта гидрирования: R^- + Н⁺ " RH;

2) на аноде:

· образование на нерастворимых анодах газообразного О₂ и Cl₂, возможно образование H₂O₂, O₃– веществ, которые являются сильными окислителями и обладают значительным запасом химической энергии в момент их образования;

· электролитическое растворение при использовании металлических анодов с переходом в раствор ионов этих металлов, образующих при определенных условиях нерастворимые гидроксиды – электрокоагуляция;

· окислительные процессы в прианодной области, приводящие к деструкции органических соединений до CO₂, H₂O, N₂, NH₃ с образованием обычно нетоксичных продуктов;

3) в объёме:

· направленное движение дисперсий как свободных заряженных частиц и их концентрирование у поверхности электродов;

· поляризационная коагуляция дисперсных частиц;

· упаковка первичных агрегатов и флокуляция;

· флотация пузырьками газов, полученных при электролизе;

· электрокорректировка рН и Eh, позволяющая изменить валентное состояние примесей воды, приводит к их взаимодействию, изменению их фазово-дисперсионного состояния, что обеспечивает очистку воды от растворенных и коллоидных загрязнений.

· электроразряд, обеспечивающий глубокую минерализацию органических соединений и бактерицидный эффект.

§ Электрофлотация – способ очистки сточных вод от взвешенных частиц при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды: кислорода на аноде, водорода на катоде. Пузырьки газа, полученные таким путем, обладают высокой адсорбционной и адгезионной способностью. Поднимаясь вверх, они захватывают диспергированные твердые и жидкие частицы, образуя на поверхности воды флотошлам - устойчивую пену. Кроме того, во время обработки на аноде и в растворе происходит деструкция растворенных органических веществ, изменяется химический состав воды и физико-химические свойства извлекаемых соединений.

§ Электрокоагуляция – метод очистки, в основе которого лежит 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. Электрокоагуляция описывается законом Фарадея.

Электрохимическое растворение металлов включает две стадии: растворение за счет тока в цепи и химическое растворение за счет взаимодействия с окружающей средой. На процесс растворения электродов влияют химические, электрические и гидродинамические факторы: рН среды, солевой состав электролита, температура, материал электрода, плотность тока, скорость движения воды в межэлектродном пространстве. Влияние побочных процессов учитывается коэффициентом выхода по току

Материал анода выбирают из условия возможности образования нерастворимого гидроксида металла при данном значении рН среды. На практике распространение получили аноды алюминиевые, железные, а также из сплава алюминия (20% - 30%) и железа (80% - 70%).

Протекание процесса растворения анодного металла тормозится:

· адсорбцией органических и неорганических веществ;

· выделением газообразных продуктов;

· электрофорезом заряженных частиц в межэлектродном пространстве;

· зашламлением межэлектродного пространства;

· отложениями солей жесткости на катоде;

· деполяризацией, то есть уменьшением поляризации электродов побочными реакциями;

· пассивацией электродов за счет окисления поверхности анода, что увеличивает сопротивление в цепи и уменьшает анодную плотность тока.

Достоинства метода электрокоагуляции: компактность установок и простота управления, отсутствие потребности в реагентах, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН, присутствие токсичных веществ), получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Недостатком метода является высокий расход металла и электроэнергии.

§ Гальванокоагуляция. Этот метод был предложен ещё в 1968 году, однако начал применяться после разработки в 1984 году аппарата для его реализации на промышленном уровне.

Метод гальванокоагуляции реализуется как электрохимическая обработка сточных вод в электрическом поле, которое возникает при контакте электродов с разными электродными потенциалами в водной среде. Для создания гальванопары используются железный или алюминиевый анод и катод из меди или углеродного материала (кокс, графит, активированный уголь). Стандартный электродный потенциал в водных растворах при 25^оС:

Наибольшее распространение получили гальванопары железный и медный скрап или железный скрап и кокс.

Растворение анода осуществляется под действием двух основных групп процессов: химического растворения и анодного. Растворение железа первоначально происходит с образованием только ионов Fe²⁺, для его ускорения вводится электролит, обычно сильная неорганическая кислота.

Процессы осуществляются в проточных непрерывно работающих вращающихся аппаратах барабанного типа – гальванокоагуляторах, куда загружается смесь железного или алюминиевого скрапа с углеродным материалом или медной стружкой. Продукты анодного растворения выносятся потоком очищаемой воды, убыль скрапа должна периодически пополняться. Катодный материал расходуется только за счёт истирания и механического уноса.

Вращение аппарата обеспечивает контакт стружки с воздухом и способствует очистке поверхности от продуктов реакций за счёт трения. Стружка попеременно погружается в поток очищаемой воды и оказывается на воздухе. При контакте с кислородом воздуха происходит окислении двухвалентного железа до трёхвалентного:

В свою очередь, соединения трёхвалентного железа при контакте с железной стружкой восстанавливаются до соединений железа (II), а на катоде (кокс, графит, медь) образуются сорбционные формы железа FeO·Fe₂O₃ (Fe₃O₄) –магнетит.

Очистка сточных вод происходит под действием нескольких факторов:

1) восстановление и осаждение на аноде ионов тяжёлых металлов – основное направление применения гальванокоагуляции;

2) электрохимическая деструкция органических веществ на электродах и в объёме;

3) сорбция и коагуляция свежеобразованными соединениями железа

В результате электрохимической коррозии анода и гидролиза ионов железа в процессе гальванокоагуляции образуются соединения, большую часть которых составляют FeO·Fe₂O₃ (Fe₃O₄) – магнетит чёрного цвета. Магнетит, в отличие от лепидокрокита и гетита, обладает сильными сорбционными свойствами, но он будет преобладать в осадке при высоких значениях pH очищаемого раствора. В связи со снижением процента образующихся сорбционно-активных форм железа имеют ограничение в применении катоды из меди, поскольку при этом восстанавливаются ионы двухвалентного железа.

Метод гальванокоагуляции обладает рядом достоинств:

· из воды удаляется широкий спектр загрязнений: ионы металлов, органические соединения, растворенные и эмульгированные нефтепродукты происходит умягчение воды;

· поступающие в гальванокоагуляторы сточные воды могут быть как кислыми, так щелочными - на выходе аппарата рН стремится к нейтральному значению;

· процесс обладает способностью саморегулирования – при увеличении количества примесей автоматически возрастает скорость необходимой очистки, поэтому гальванокоагуляторы можно применить при различных концентрациях загрязнений

· в гальванокоагуляторах не образуются газообразные продукты, что обеспечивает хорошие санитарно-гигиенические условия на станции водоочистки.

· отсутствует потребность в химических реагентах, что исключает случайное неконтролируемое загрязнение очищенной воды.

К недостаткам относят большие габариты гальванокоагуляторов, значительный уровень шума и сильную вибрацию при их работе, невозможность регулирования параметров процесса.

Среди всех методов, применяемых для очистки воды от нефти и нефтепродуктов нет универсальных. На разных этапах очистка осуществляется с применением методов, различных по принципам разделения, аппаратурному оформлению, области эффективной работы.

Механическая очистка – первый этап, который подготавливает воду для дальнейшего использования биологических и физико-химических методов. Физико-химические методы используются как для доочистки воды до требуемого качества, так и для самостоятельной очистки от различных видов загрязнений.

Биологические методы дают хороший результат, но не по всем видам загрязнений, поэтому часто вода требует доочистки.

Дата добавления: 2015-07-11