3.1. Установки для электрохимической очистки суспензий. Электролизеры, электрохимические коагуляторы и электрофлотационные установки

Электролизеры

Устройства, в которых проводят те или иные процессы электрохимиче­ского воздействия на водные растворы, имеют общее название — электролизеры. Общая принципиальная схема таких устройств представлена на рис. 3.1.

Рис. 1. Схема электролизера:

1 — внешняя цепь; 2 — емкость; 3 — анод; 4 — катод; 5 — источник питания.

Вода поступает в емкость 2, в которую погружены два электрода 3, 4, соединенные с источником тока 5. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к отрицательному электроду — катоду, а отрицательно заряженные ионы — к положительному электроду — аноду. На электродах происходит переход электронов. Катод отдает электроны в раствор, и в приэлектродном пространстве происходят процессы, связанные с присоединением электронов к реагирующим частицам — восстановление. В прианодном пространстве протекают процессы переноса электронов от реагирующих частиц к электроду — окисление.

Иногда схему усложняют, разделяя полупроницаемой перегородкой (диафрагмой или ионообменной мембраной) катодное и анодное пространства. Тогда поступающая на обработку жидкость либо последовательно проходит каждую из двух образовавшихся камер, либо циркулирует в одной из них.

В зависимости от природы процессов, протекающих в таких аппаратах и обеспечивающих извлечение или обезвреживание загрязняющих компонентов, электролизеры разделяют на следующие типы:

• электрокоагуляторы,

• электрофлотаторы,

• электролизеры

• для проведения реакций окисления и восстановления и электродиализаторы.

Электрохимические коагуляторы

Коагуляция суспензий, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, может происходить при пропуске через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в дисперсионную среду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавшимися труднорастворимыми гидроксидами алюминия или железа.

Метод электрохимического коагулирования может быть применен для обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания являются несомненным достоинством метода электрохимической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и металла, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой

сточной воды, ограничивают область применения этого метода.

На рис. 2 приведена схема электрокоагуляционной установки по очистке производственных сточных вод, содержащих взвешенные вещества в

концентрации 0,5…8 г/л.

Рис. 3.2. Электрокоагуляционная установка:

1 –насос; 2 – бункер для осадка; 3 – гидроциклон; 4 – выпрямитель; 5 – выпуск очищенной воды; 6 – уловленные частицы; 7 – вертикальный отстойник; 8 – электродный блок; 9 – выгрузка осадка.

При электрокоагуляции в резервуаре (электрокоагуляторе) через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением 10…18 В. При продолжительности контакта суспензии в электрическом поле 15…30 с и пропускной способности,1,5…3 мз/ч на 1 м2 площади поверхности электродов одного полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные результаты получены также при обработке

сточных вод цеха гальванопокрытий, где расход электроэнергии на 1 м3 обрабатываемой сточной воды составляет 0,4…0,5 кВт.ч.

Электрофлотационные установки

Сущность электрофлотационного способа очистки заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе.

В процессе электролиза на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Основную роль в процессе флотации частиц играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от величины краевого угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструкции.

При применении растворимых электродов (железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно- флотационными. При пропускной способности до 10…15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности — двухкамерными горизонтального или вертикального типа.

Расчет установок для электрофлотации или электрофлотокоагуляции сводится к определению общего объема Vy установки, объемов электродного отделения V_a и камеры флотации V_ф, м3, следовательно, V_у = V_э + V_ф.

Объем электродного отделения определяется из возможности размещения в нем необходимой электродной системы. Так, при расчете горизонтальной установки (рис.3.3) ширина секции В принимается в зависимости от производительности Q:

если Q < 90 м3/ч, то B = 2 м, если Q = 90…180 м3/ч, то В = 2,5…3 м.

Рис. 3.3. Горизонтальный электрофлотатор:

1 — впускная камера; 2 — решетка-успокоитель; 3 — электродная система; 4 — скребки для сгребания пены; 5 - пеносборник; 6, 7 — отвод соответственно обработанной сточной воды и шлама; 8 - отвод осадка

Число пластин электродов n_э, размещаемых в установке,

n_э = (B – 2 a1 + a2)/(δ + a2), (3.1)

где a₁ — величина зазора между крайними пластинами и стенками камеры, равная 100мм; а₂ — величина зазора между пластинами, равная 15…20 мм; δ — толщина пластин, равная 6…10 мм.

Тогда необходимая площадь пластин электродов f_э, м2, будет

f_э = f_а.э/(n_э -1) , (3.2)

где f_а.э — активная поверхность электродов, м2, определяемая по формуле

f_а.э = E Q/i , (3.3)

здесь Е — удельное количество электричества, А.ч/м3; Q — расчетный расход суспензии, м3/ч; i — плотность тока на электродах, А/м2.

Определив f_э и назначив высоту пластин h_э = 1…1,5 м, найдем их длину l_э = f_э/h_э, а затем подсчитаем длину электродной камеры

L_э = l_э + 2a₁ (3.4)

Тогда объем электродной камеры, м3, составит:

W_э = B H_э L_э , (3.5)

где H_э — рабочая высота электродной камеры, м, равная:

H_э = h₁ + h₂ + h₃ , (3.6)

здесь h₁ — высота осветленного слоя, равная 1…1,5 м; h₂ — высота защитного слоя, равная 0,3…0,5 м; h₃ — высота слоя шлама, равная 0,4…0,5 м.

Объем флотационной камеры

V_ф = Q t_ф , (3.7)

где t_ф — продолжительность флотации, определяемая экспериментально и принимаемая обычно равной 0,3…0,75 ч.

Длину L_ф и высоту H_ф флотационной камеры подсчитывают исходя из ее объема W_ф и ширины В.

При осуществлении процесса электрофлотокоагуляции необходимо определить количество металла электродов, переходящее в раствор, а также срок службы электродной системы:

m_э = k_т Э Е, (3.8)

где m_э — количество металла, переходящего в 1 м3 раствора, г; k_т — коэффициент выхода по току, равный 0,5…0,95 (определяется экспериментально); Э — электрохимический эквивалент, г/(А·.ч), равный для Fe2+, Fe3+, Al3+ соответственно 1,042; 0,695 и 0,336.

Срок службы электродной системы Т, сут,

Т = M _э ·1000/(m_э/Q_сут), (3.9)

где М_э — количество металла электродов, которое растворяется при электролизе, кг:

M _э = ρ k _э f δ n , (3.10)

здесь ρ — плотность металла электродов, кг/м3; k_э — коэффициент использования материала электродов, равный 0,8…0,9; Qcyт — суточный расход сточных вод, м³/сут.

Пример. Исходные данные:

производительность электрофлотационного аппарата Q = 15 м3/ч; время электрофлотации t = 0,6 ч; электрофлотационный аппарат должен работать по схеме "электрокоагуляция - флотация" с одинаковым временем пребывания суспензиина каждой стадии; концентрация алюминия (максимальная), добавляемая в нефтесодержащие

Сточные воды должны пребывать одинаковое время на стадиях электрокоагуляции и флотации, поэтому

V₁ = V₂ = V/2 = 4,5м³,

где V₁ - объем камеры электрокоагуляции; V₂ - объем флотокамеры.

3. Глубина камеры электрокоагуляции и камеры флотации выбирается с учетом проведенных испытаний пилотной электрофлотационной установки. При этом была рекомендована глубина камер электрокоагуляции и флотации в пределах 1,4...1,45 м (h_ср =1,425 м).

4. Площадь поперечного сечения камер электрокоагуляции и флотации

S₁ = S₂ = V/(2.h_ср) = 9,0/(2.l,425) = 3,16 м2.

5. Соотношение длины (а) и ширины (b) камер электрокоагуляции и флотации выбирается как 2:1.

Тогда

S₁= а.b = 2 b₂ = 3,16 м2,

где b = 1,26 м, а = 2,52 м.

6. Один пакет электродов включает n₁ электродов размером a(b - 0,2) м, причем электрическое подключение к пакету электродов - биполярное. Толщина пакета электродов d, как показывают экспериментальные исследования, должна составлять примерно 250 мм.

Расстояние между электродами δ, в качестве которых могут быть применены дюралюминий или сталь Ст. 3, составляет около 20...22 мм в зависимости от толщины электродов d1(d1 = 3 мм). Таким образом число электродов в пакете:

число пакетов электродов:

N= b/d =1260/250= 5;

общее количество анодных электродных пластин

п_а = n₁

N = 10 5 = 50

7 Продолжительность работы τ (сут) анодных электродных пластин может быть определена с помощью соотношения

τ = (n_а ρ S_ан d₁)/(Q D Al(Fe)) ,

где S_ан = a(b - 0,2) - рабочая поверхность анодов; ρ - плотность материала анодов; Q -производительность электрофлотационной установки; DAl(Fe) - доза алюминия (железа).

τ = (50 2,7.103 2,52 1,06.3 10-3)/(15.24.20.103.) = 105 сут.

8. Сила тока, необходимая для поддержания концентрации алюминия в пределах до 20 мг/л:

I = (F n DAl Q)/(η A τ_э),

где I - сила тока, А; F - постоянная Фарадея (96500 Кл); п - валентность, (п = 3); η-выход металла по току (η = 120); А - атомный вес металла (А = 27); τ_э -время электрообработки (τ_э = 24 ч).

I = (96500.3.20.10-3.15.3600.24)/(120.27.24. 3600) = 26,81 А.

9. Плотность тока в камере электрокоагуляции

j = I/S_ан = 26,81/(2,52.1,04) = 10,04 А/м2.

10. В камере флотации графитовый анод располагается на днище аппарата, а сетчатый катод - на расстоянии 20...40 мм от анода. Режим электрофлотации, как показывают эксперименты по очистке нефтесодержащих сточных вод, в большинстве случаевследующий: плотность тока 10...20 мА/см2 (100...200 А/м2); время электрофлотации τ_эф = 0,6/2 = 0,3 ч.