5. Электрохимические методы

Основы электрохимических методов. Для проведения электрохимических процессов используют электролизеры. В простейшем виде это два электрода (электронные проводники), погруженные в раствор электролита (ионный проводник), который находится в ванне. Через электроды пропускают обычно постоянный ток. На катоде, т.е. электроде, подсоединенном к отрицательному полюсу источника напряжения, протекают процессы электрохимического восстановления положительно заряженных ионов раствора, т.е. катионов. На инертном аноде, т. е. электроде, подсоединенном к положительному полюсу источника напряжения, протекают процессы электрохимического окисления отрицательно заряженных ионов раствора, т.е. анионов. На растворимом аноде происходит окисление материала анода с переходом его растворимых соединений в раствор. Процессы электрохимического восстановления и окисления количественно описываются известным законом Фарадея.

В зависимости от природы электрохимических процессов, используемых для удаления примесей из сточных вод, различают методы электрохимического окисления и восстановления, электрокоагуляции и флотации, электродиализа.

Электрохимическое окисление и восстановление. Методы электролиза применяют при небольших расходах сточных вод, содержащих повышенные концентрации примесей. Минимальная концентрация солей должна быть не менее 0,5 г/л, чтобы электропроводность сточной воды была достаточной для электролиза. Анодным окислением можно очищать сточные воды от цианидов, аминов, альдегидов, сульфидов, меркаптанов, красителей, нитросоединений, превращая их в СО₂, воду, азот, аммиак. Катодным восстановлением можно удалять ионы тяжелых металлов: свинца, ртути, меди, мышьяка, хрома и т. п.

В качестве анодов применяют нерастворимые материалы: графит, магнетит, титан. Катоды: легированная сталь, сплавы железа, свинца, цинка. Для разделения катодного и анодного пространства применяют керамические, полиэтиленовые, стеклянные диафрагмы. Электропроводность раствора увеличивают добавлением 5–10 г/л NaCl. Анодная плотность тока составляет 100–150 А/м², межэлектродное пространство – 3 см. Эффективность очистки – до 80–100%.

Электрокоагуляция и электрофлотация. В этом методе используют растворимые аноды из железа (стали), алюминия, которые при анодном окислении образуют ионы Fe³⁺ и Al³⁺.

Катионы железа и алюминия: а) коагулируют заряженные коллоиды, б) образуют в воде гидроксиды железа или алюминия в виде хлопьев, в) способствуют соосаждению примесей на них. Если напряжение на электролизере достаточно для параллельного разложения воды, то пузырьки газов водорода H₂ и кислорода O₂, образующиеся при электролизе на катоде и аноде, будут обеспечивать флотацию примесей. Такие электролизеры с растворимыми электродами называют электрокоагуляционно-флотационными.

Электроды в электролизерах располагают в виде набора пластин с расстоянием между ними для стальных электродов 5–10 мм, для алюминиевых – 12–15 мм. Анодная плотность тока 150–250 А/м² для стальных электродов и 80–120 А/м² для алюминиевых электродов. Скорость движения воды между электродами от 0,03 до 0,5 м/с. По направлению движения воды и флотирующихся газов электрофлотаторы разделяют на прямо- и противоточные, по располо-жению электродов – на горизонтальные и вертикальные.

Электрокоагуляцию с алюминиевыми анодами применяют для обработки сточных вод, содержащих эмульсии масел, жиров и нефтепродуктов с начальной концентрацией не более 10 г/л. Эффективность очистки от масел 55–70%, от жиров до 92–99%. Стальные электроды используют для электрокоагуляции хроматов, тяжелых металлов, фосфатов, полимеров.

Электродиализ (гр. dialysis – отделение). При электродиализе разделение ионов раствора М⁺ и Х^– происходит под воздействием разности концентраций частиц и разности потенциалов, создаваемой в электродиализаторе по обе стороны мембран. Простейший электродиализатор представляет собой ванну, разделенную на три камеры двумя диафрагмами или мембранами (рис. 23).

Рис. 23. Схема электродиализатора: 1 – анионитовая мембрана; 2 – катионитовая мембрана

В качестве диафрагм используют инертные пористые природные и синтетические материалы: асбест, стеклоткань, полихлорвиниловую ткань и др. В качестве мембран применяют иониты. От средней камеры анионитовая мембрана 1 отделяет камеру с анодом, а катионитовая 2 – камеру с катодом.

При пропускании через электродиализатор постоянного тока на аноде происходит окисление анионов, обычно ОН^–, или выделение кислорода при разложении воды:

2ОН^– → О₂↑ + 2Н⁺ + 4е^–;

2Н₂О → О₂↑ + 4Н⁺ + 4е^–.

Образующиеся катионы водорода Н⁺ не могут переходить через анионитовую мембрану в среднюю камеру. Они увеличивают кислотность в анодной камере. Уменьшение концентрации анионов по сравнению с концентрацией катионов ведет к росту разности потенциала и концентрации анионов между анодной и средней камерой. Это увеличивает скорость перехода анионов Х^– из средней камеры в анодную камеру через анионитовую мембрану или диафрагму.

Аналогичное явление, но противоположное по знаку, наблюдается в катодной камере, где происходит катодное восстановление катионов водорода или воды:

2Н⁺ + 2е^– → Н₂↑;

2Н₂О + 2е^– → Н₂↑+ 2ОН^–.

Раствор в катодной камере обогащается ОН^– – ионами, возрастает его рН, дефицит катионов, разность потенциалов. Ускоряется переход катионов М+ из средней камеры в катодную.

Таким образом, при пропускании через электродиализатор постоянного тока анионы Х^– из средней камеры переходят в анодную, а катионы М⁺ – в катодную камеру, практически до полного их удаления. Применение ионитовых мембран позволяет создавать в анодной камере кислую среду, а в катодной – щелочную. Диафрагмы же не мешают переходу Н⁺– ионов из анодной камеры и ОН^– – ионов из катодной камеры в среднюю камеру. В ней они взаимодействуют, образуя воду. Поэтому рН в камерах практически не изменяется.

Аноды и катоды изготавливают из инертных материалов: графита, магнетита, платинированного титана. Число камер в электродиализаторах достигает 100–200. На снижение содержания солей с 250 до 5 мг/л расходуется 7 кВт-ч/м³.