Дәріс № 19. Электрокоагуляция және электрофлотация әдістері. Коагулянттар және оларды суды тазалауда қолдану.

Жоспары:

1. Электрокоагуляция және электрофлотация әдістері

2. Коагулянттар және оларды суды тазалауда қолдану.

1. Электрокоагуляция және электрофлотация әдістері. Су құрамындағы коллойдты ластағыш өте ұсақ бөлшектерді каогуляциялау үшін қажетті алюминий және темір иондарын, металдық алюминий немесе темірді қышқылдарда еріту немесе металдық алюминий мен темірдің электрохимиялық анодтық еріту арқылы алуға болады. Ол үшін, суды алюминий немесе темір анодтары бар электролизер арқылы өткізу керек. Электролиздерді токпен қамтамасыз ету әдетте тұрақты ток көздерінен жіберіледі.

Ток көзінің оң полюсіне қосылған метал пластинкасы ионизацияланып, ерітіндіге иондар күйінде өтеді. Егер, электролиздерде темір анодтары қолданылса, суға екі валентті темір иондары өтеді. Олар коллоидты бөлшектердің теріс зарядының азаюына ықпал етіп, коагуляцияға жағдай жасайды.

Суда еріген хлор немесе оттегі бар ерітіндіге өткен екі валентті темір тотығып, темір тотығының гидраты түзіледі. 1г-экв (27,9 г темір немесе 9г алюминий) металдың электролиттік еруі үшін электр энергиясының шығыны сағатына 26,8 Асағ.

Коагуляцияға қажетті метал анодының еруі төменгі ток тығыздығында жүреді. Электродтардың ара - қашықтығы 10-20 мм. Электрод ретінде темірді қолданғанда оның анодтық еруіне - 3 В, ал алюминидің еруіне –4 В-ке жуық кернеу беру керек.

Электрокоагуляциялық қондырғы арқылы коагулянттарды алу кезінде электр энергиясын үнемді пайдалану үшін, электродтағы ток тығыздығы – 10 А/м², электродтар арақашықтығы - 20 мм, электрод аралығындағы су ағыс жылдамдығы- 0,5 м/сек, су құрамындағы тұз мөлшері - 20 мг/л, электролизердегі кернеуді 3 В, периодты түрде электродтардың полюстерін ауыстырып отыруы қажет. Темір электродының 1 грамм мөлшерін еріту үшін қажетті теориялық электр энергиясының шығыны 26,8^.327,9 = 2,9 Вт/ сағ-қа тең.

Металдық темір мен алюминийдің салыстырмалы түрде жоғарғы құны, электролиттік еріту арқылы коагулянт алуда көп қолдана бермейді. Алайда табиғи және ағызынды сулардың құрамында сульфат және хлорид иондарының мөлшері өте жоғары болса, тұз түрінде коагулянт қосу су сапасына кері әсерін тигізетін болғандықтан, электрохимиялық тәсілмен коагуляция процесін жүргізу іс-жүзінде кең қолданылып жүр .

Электрокоагуляция және электрофлотация әдістері ағызынды сулар құрамындағы зиянды заттарды бөліп алып қана қоймай, көп жағдайларда тазаланған суды өндіріске қайта пайдалануға мүмкіндік беретіндіктен қазір өндірісте кең қолданысқа ие болуда.

Электрокоагуляция әдісінің негізі тұрақты токты су арқылы өткізу және темір электродын қолдану нәтижесінде анодты екі валентті иондарға айналуынан және рН 5,6 кезінде ОН^- иондарымен әрекеттесіп Fe⁺² иондарының өнімімен де іске асады:

Fe⁺³ + е^-  Fe⁺² (10)

Fe⁺² + 2(OH)^-  Fe (OH)₂ (11)

Электролиз кезінде жоғарыда келтірілген процестер нәтижесінде сутегі ионының азаюынан ағызынды судың рН мәні жоғарылайды сондай-ақ, электрохимиялық реакция нәтижесінде бөлінген сутегі газы флотациялық қызмет атқарады. Бұл кезде ағызынды су құрамындағы ауыр және Fe(ІІ), Fe(ІІІ) гидроксидтерінің, хром гидроксидінің түзілуі жүреді. Өңделген судың рН мәні 79 аралығында ауыр метал иондарының толық тазалануы өтеді.

Темір анодының бетінің пассивациясын болдырмау үшін өңделетін суға депассиваторлардың аз мөлшерін қосу қажет, мысалы ас тұзының NaCІ 0,5 г/л мөлшерін қосу ағызынды сулардың электр өткізгіштігін жоғарылауымен бірге электродтардың пассивтелінуін тежейді, әрі өңдеуге қажетті электр энергиясының меншікті шығынын төмендетеді катодтық процес нәтижесінде түзілген ОН- иондарының әсерінен ерітіндінің рН мәнін жоғарылатады, нәтижесінде метал гидроксидтері тұнбасы бөлшектерінің коагуляциясы жылдамдап өңделген судың мөлдірленуін тездетеді.

Электрокоагулятордан өткен ағызынды суды екі сағат тұндырғанда түзілген тұнба мөлшері жалпы көлемнің 5 – 6 % -ын құрайды. Процестің негізгі көрсеткіштері: ток тығыздығы, ағызынды судың электродтар аралығында болу уақыты, яғни меншікті электр энергиясының мөлшері мен ондағы Cr⁺⁶ иондарының концентрациясы мен басқа да ауыр метал катиондарының мөлшеріне тәуелді. Тазалау процесінен шыққан тазаланған су құрамындағы иондардың қалдық мөлшері әдетте ЗЖЖК - дан төмен болғандықтан оны су көлшіктеріне немесе қалалық тастанды су бөгеттеріне тастауға болады.

Гальваникалық цехтардың ағызынды суларын электрокоагуляциялық тәсілмен тазалауды тәжірибеде кең қолданатын өндірістердің қазіргі кездегі нақты көрсеткіштері: ток тығыздығы 0,6  2,0 А/дм² кезінде өңдеу уақыты 0,5  5 мин., ал меншікті электр энергиясының шығыны 3 12 кВтсағ/м³ мөлшерінде екендігі анықталған.

Электрокоагуляциялық өңдеу кезінде ерітіндінің рН көп жағдайларда елеулі өзгеріске ұшырайды.

Ауыр метал иондарының мөлшерлі тұнбаға түсуі төмендегі рН аралықтарында жүреді: Fe⁺² – 5,0  7,2; Cr⁺³ - 4,5  7,5; Cu⁺²- 5,5  8,0; Nі⁺² - 6,5 9,4 және Zn⁺² - 6,5  10,0. Реагентті әдіспен көрсетілген рН мәнінен жоғары аралықтарында никель ионы тазаланбаса, электрокоагуляция әдісінде рН= 8,4 мәнінде никельдің қалдық концентрациясы  0,1 мг/л құрайды.

Электрокоагуляциялық тазалау тиімділігінің жоғарылығы түзілген гидроксидтердің тұнбаға түсуі, электрохимиялық түзілген гидроксидтердің өзінің құрылымы бойынша сорбциялық қасиетінің реагенті тәсілде түзілген гидроксидтерден жоғары болатындығын көрсетеді. Электротұндырылған кездегі тұнба дисперстілігі өте ұсақ, олардың өлшемі 0,7 мкм мен 1,4 мкм аралығында болады және тұнба біртекті дисперсті ұсақ болады.

Белгіленуі: 1- қондырғы корпусы; 2- электродтар.

Сурет 28. Еритін пластинкалы электродты тік бұрышты электрокоагу- лятор қондырғысының принципиальды схемасы

Темірдің(ІІ) және (ІІІ) валентті гидроксидтерінің сорбциялық қасиеттерін пайдаланып ағызынды суларды тазалаудағы электрокоагуляциялық процесті екі сатыға бөледі бірінші саты, активті темір гидроксидін алу, ал екіншісі ластанған суды тазалау кезінде алдын-ала алынған сорбентпен әрекеттестіру. Бұндай тәсілмен тазалау классикалық электрокоагуляциямен салыстырғанда әрқайсысының тиімділігін жасанды түрде дайындалған құрамында хром, никель, мырыш және мыс ерітінділермен зерттелінді. Екі валентті темір гидроксидін алу үшін анодтары Ст.3 құрыштарынан жасалынған электрокоагуляторлар қолданылды, электродтар өз-ара 0,001 м арақашықтықта орналасқан.

Әдеби деректерге сүйенсек ағызынды суларды тазалау процесінде темір гидроксидінің шығынын жоғарылатқанда ауыр метал иондарының тазалануы жоғарылайды. Гальваникалық өндірістерден шығып жатқан ағызынды сулар құрамында көптеген тұздар мен әртүрлі қоспалар болуымен бірге бірнеше түрлі металдар болатындығы белгілі. Осы күрделі қоспа түріндегі нақты өндіріс суын классикалық электрокоагуляция әдісімен залалсыздандырылған еңбектер белгілі. Мысалы, Cr(VІ) 0,036 кг/м³, Nі(ІІ) 0,0047 кг/м³; Zn(ІІ) 0,014 кг/м³ және суда натрий, магний қоспаларымен бірге органикалық заттар болғанда реагентті тәсілмен өңдеу барысында темірдің шығымы 190 кг/м³10³ кезінде электр энергия шығыны 1,25 кВтс/м³ тең болғанда, тазаланған судағы хром иондарының мөлшері толық жойылып никель және мырыш иондарының қалдық концентрациясы сәйкесінше 2,0 кг/м^3.10³ мәндерін құраған. Дәл осы жағдайда электрокоагуляция тәсілімен өңдегенде никельдің концентрациясы 0,825 кг/м³, ал мырыштікі 0,87 кг/м³ дейін тазаланған. Бұл тәжірибеден электрокоагуляция тәсілін қолдану тиімді жүретіндігін көрсетті.

Электрокоагулятор қондырғыларының конструкциялық ерекшеліктеріне авторлары сүйене отырып талдау жасалынған. Су тазалау тәсілі бойынша электрокоагулятор, электрофлотаторлар, электрофлотокоагуляторлар деп жіктесе, жұмыс істеу қағидасына байланысты үздіксіз, жартылай үздіксіз деп жіктейді. Сол сияқты электрокоагуляторлардың бір камералы және көп камералы түрлері кездеседі.

Коагуляциялық қондырғылардың конструкциялық ерекшелігіне байланысты электролиздік ванналар айналмалы, барабанды, колонкалы, трубалы және т.б. түрлеріне жіктелсе; электродтық блоктар бойыша қозғалмайтын, жылжитын, айналмалы және тербелмелі электродтар деп бөлінеді. Электродтардың орналасуы бойынша электрокоагуляторлар көлбеулі, тік, қиғашты болып бөлінсе, электрод бетінің түріне байланысты пластиналы, цилиндрлі, стерженьді, түйіршікті деп бөлінеді. Қолданылған энергия түріне байланысты- тұрақты токты, айнымалы токты т.б. болып түрленеді.

Бұдан басқа авторлар тазалынатын сұйықтықтың электрокоагуляторға жеткізілуі бойынша және оның қондырғыдағы қозғалысы бойынша жіктеуге болатындығын көрсеткен.

Электрокоагулятордың негізгі кемшіліктерінің бірі электродтардың пассивтелінуі мен олардың қалдық тұнбаларымен бүркеленуіне байланысты электр тогының электродта қиындап өтуі. Электрокоагуляциялық процестің жетілдіру бағыттарының бірі темір қаңылтыр анодтарын металдарды механикалық өңдеу қалдықтарына метал жаңқаларына алмастыру болып табылады. Темір жаңқалары алдын-ала жуғыш ерітінділерде майдан тазартылады.

Көптеген әдебиеттерде электрокоагуляциялық тазалау әдістерінің өндіріске енгізілуі мен оның экономикалық тиімділіктері келтірілген.

Электрокоагуляциялық әдісті қолдану ағызынды суларды тазарту процесін айтарлықтай оңайлатады. Әдіс күрделі реагентті шаруашылық бөлімшелерін құрастырудан құтқарып, майлау-суыту сұйықтарын тазалауға да мүмкіндік береді.

Әдебиеттік деректер бойынша қазіргі кезде электрокоагуляция және электрофлотация әдістерінен басқа өндіріс орындарында кең қолданыс тапқан басқа әдістердің жоқтығын келтірілген. Гальваника өндірісінде, сонымен бірге қалдықсыз технологияларды қолданғанда электрокоагуляция әдісі басқа тәсілдермен бірге қосарланып жүргізіледі.

Бақылау сұрақтары:

1. Электрокоагуляция әдісі.

2. Электрофлотация әдісі.

3. Коагулянттар және оларды суды тазалауда қолдану

4. Электрокоагулятор қондырғыларының конструкциялық ерекшеліктері.

Әдебиеттер:

1. Баешов А., Журинов М.Ж., Баешова А.К. Электрохимия негіздері. Оқулық. -Түркістан: ХҚТУ, 2001. – 182 б.

2. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник в 2-х томах. Под ред М.А. Шлугера, М.: Машиностроение. 1985

3. Лайнер Р.И. Современная гальванотехника.-М.: Химия, 1989. -244с.