6.6.3.2. Электрокоагуляция.

Электрокоагуляционные методы очистки сточных вод используются в отечественной практике для выделения хрома. Кроме того, в некоторых случаях он может быть применен и для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. При реализации этого метода протекают следующие физико-химические процессы: электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

Соединения хрома присутствуют в сточных водах в виде бихромат-ионов (Cr₂O₇^2- ) и хромит-ионов (CrO₄ ), которые восстанавливаются в электрокоагуляторе катионами двухвалентного железа, образующегося в результате растворения стальных анодов по реакции:

Fe - 2e^-  Fe²⁺ ( 6.0)

Восстановление Сr⁶⁺ двухвалентным железом протекает с достаточно высокой скоростью в кислой, нейтральной и щелочной средах в соответствии со следующими уравнениями:

Cr₂O₇^2- + 6Fe²⁺ + 14H⁺  6Fe³⁺ + 2Cr³⁺ + 7H₂O ( 6.0)

CrO₄^2- + 3Fe(OH)₂ + 4H₂O  Cr(OH)₃ +3Fe(OH)₃ + 2OH^- ( 6.0)

Кроме того, восстановление Cr⁶⁺ происходит в результате протекания следующих электрохимических реакций:

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^-  2Cr³⁺ + 7H₂O ( 6.0)

CrO₄^2- + 4H₂O + 3e^-  Cr(OH)₃ + 5OH^- ( 6.0)

Fe³⁺ + e  Fe²⁺; Fe²⁺ + 2OH^-  Fe(OH)₂ ( 6.0)

причем продукты последних двух электрохимических реакций участвуют в реакциях (6.117), (6.118).

Оптимальные величины рH электрокоагуляционной очистки хромсодержащих сточных вод составляют 3-6.

Важно контролировать конечное значение рН обработанной воды, которое должно превышать 5,5, т.к. в противном случае не достигается достаточно полное осаждение Cr(OH)₃ и обработанная вода содержит Cr³⁺ ионы.

Электрохимическая очистка от хрома целесообразна при исходном солесодержании сточных вод  0,3 г/л. Если концентрация солей ниже указанного значения к сточным водам добавляют электролиты (обычно NaCl), повышающие электропроводность сточных вод, в результате чего снижаются удельные затраты электроэнергии на их обработку. Существенное влияние на эффективность процесса электрокоагуляции оказывает концентрация взвешенных веществ, при значениях этого параметра 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. Процесс электрокоагуляции обычно проводят при плотности тока не более 10 А/м², расстоянии между электродами не более 20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с.

Схема установки для проведения процесса электрокоагуляции представлена на рис.6.31.

Рис. 6.60. Схема электрокоагуляционной установки:

1 - усреднитель, 2 - бак для приготовления раствора, 3 - источник постоянного тока

(выпрямитель), 4 - электрокоагулятор, 5 – отстойник, 6 - аппарат для обезвоживания осадка.

Основные конструктивные параметры электрокоагулятора рассчитывают следующим образом: Полезный объем ванны (м³) электрокоагулятора (объем сточных вод, постоянно находящихся в аппарате) равен:

V= Q ( 6.0)

Расход железа на процесс

G_Fe = dcV_n ( 6.0)

Ток (I, а), обеспечивающий растворение за время τ равен:

( 6.0)

Рабочая поверхность анодов (S, м²) и их общее число определяют из соотношений:

S = I/i , n=S/S₁ ( 6.0)

Общее число электродов (катодов и анодов) составляет:

n_э = 2n_a + 1 ( 6.0)

Общий объем ванны электролизера равен:

Vэл = Vn + Vэ ( 6.0)

где

Q- расход сточных вод, м³ /ч;

 - время процесса, ч;

d - удельный расход железа на удаление определенного загрязнения, г/ч ;

с - исходная концентрация иона металла, загрязняющего воду, г/м³;

k- электрохимический эквивалент железа, равный 1,042 г/ (Aч);

- выход железа по току, % (при обработке воды с рН 3-5 близок к 100%);

i - оптимальная плотность тока, А/м²;

S₁ - площадь одного анода, м² ;

V_э - объем всех электродов, м³;

Эффективность электрокоагуляционной очистки от хрома составляет 90-95%.

Как уже указывалось выше, при обработке общего стока гальванического производства, содержащего кроме хрома ионы тяжелых металлов, достигается очистка и от этих ионов (степень очистки 90-95%).

Это достигается вследствие соосаждения гидроксидов хрома и железа (при соответствующих значениях рН сточных вод), а также сорции ионов тяжелых металлов гидрооксидами железа и хрома.

Исходная величина рН при очистке сточных вод от ионов цинка и меди должна составлять  5,5, при очистке от кадмия и никеля  6,5.

Ориентировочный удельный расход для осаждения 1г. цинка, меди, кадмия и никеля при представленных выше значениях рН сточных вод составляет соответственно: 2,5-3, 3-3,5, 4-4,5 и 5,5-6 т.

При оптимальных параметрах очистки степень очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов достигает 90-95%.

Представляет интерес рассмотреть в качестве примера использование метода электрокоагуляции сточных вод предприятий полупроводниковой промышленности, содержащих мышьяк.

Для проведения процесса используется электрокоагулятор с железными анодами. Степень осаждения мышьяка возрастает с увеличением плотности тока и уменьшением межэлектродного расстояния. Способ применим для очистки сточных вод, имеющих рН 6-8 (нейтральные сточные воды).

Показатели процесса:

Концентрация мышьяка в сточных водах, г/л:

нейтральных (3  5) x 10^-3

очищенных (0,025  0,05) х 10^-3

Плотность тока, А/дм² 0,2

Продолжительность процесса, мин. 10

Расход железа, кг/дм³ 0,1

Расход электроэнергии, кВт ч/м³ 0,7

При очистке кислых сточных вод указанного процесса этим способом основные параметры процесса изменяются, к тому же выделяется токсичный арсин (АsH₃ ).

Показатели процесса.

Концентрация мышьяка в сточных водах, г/л:

кислых 0,55

очищенных 3 x 10^-3

Плотность тока, А/дм² 10

Продолжительность процесса, мин. 60

Количество мышьяка, переходящего

в газовую фазу в виде токсичного

арсина, %(по массе) - 40

При использовании медного катода и свинцового анода выделение мышьяка не сопровождается выделением токсичного арсина (АsН₃ ).

Метод электрокоагуляции может быть использован для очистки сточных вод от различных эмульсий, масел, жиров. Эффективность очистки составляет: нефтепродуктов и масел 54-68%, от жиров 92-99%.

К основным достоинствам электрокоагуляционного способа очистки следует отнести универсальность метода и компактность установки, простоту управления ей. Недостатками указанного способа очистки является существенный расход электроэнергии и металлического железа (алюминия), а также пожаро- и взрывоопасность установки за счет выделения в процессе ее эксплуатации водорода.