1. Электрокоагуляционная очистка сточных вод

Электрокоагуляционная очистка сточных вод заключается в пропускании воды в межэлектродное пространство электролизера, на электроды которого приложена определенная разность потенциалов. При этом в электролизере могут происходить такие явления, как электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие процессов электролиза друг с другом. Процесс проводят как с использованием растворимых (железо, алюминий), так и нерастворимых электродов (титан, двуокись свинца).

Выбор материала электрода обусловлен агрегативной устойчивостью частиц загрязнений. При невысоком содержании коллоидной фазы и низкой агрегативной устойчивости целесообразно применять нерастворимые электроды.

При высокоустойчивых загрязнениях, требующих для очистки значительных доз коагулянта, лучше использовать растворимые электроды.

В основе электрокоагуляции лежит процесс анодного растворения металла под действием постоянного электрического тока. Перешедшие в раствор катионы гидролизуются и служат активными коагулянтами для дисперсных примесей. Сопутствующее анодному растворению наложение на коагулирующую систему электрического поля и связанный с ним электрофорез частиц играют подчиненную роль. Количество железа, растворяющегося в единицу времени, пропорционально силе рабочего тока и достигает 95-98 % от теоретического количества, определяемого законами Фарадея. Выход алюминия может превышать расчетную величину, что одни исследователи объясняют дополнительным растворением катода (за счет высоких концентраций щелочи в катодном слое), другие образованием промежуточных форм катионов алюминия.

В отличие от обычного коагулирования солями железа и алюминия при электрокоагуляции щелок не обогащается анионами, что сказывается благоприятно на его обработке. В ходе электролиза щелока происходит выделение газов (в основном водорода на катоде), пузырьки которых вызывают флотацию хлопьев и очистку электродов.

Компактность, и простота эксплуатации электрокоагуляторов делают метод электрохимической коагуляции особенно пригодным для обработки щелока при минимальных капитальных затратах.

Для очистки промышленных вод, содержащих высокие концентрации загрязнений, проводят электролиз с использованием растворимых стальных и алюминиевых анодов.

Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа и алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными группами, образуют гидроксиды металлов, что способствует процессу коагуляции:

Fe⁰ – 2e = Fe²⁺,

Fe²⁺ – e = Fe³⁺,

Al – 3e = Al³⁺,

Fe³⁺ + 3OH = Fe(OH)3,

Al³⁺ + 3OH = Al(OH)3.

Одновременно возможен разряд гидроксильных воной или разряд молекул воды:

4OH^- – 4e = O2 + 2H₂О,

2H₂О – 4e = 4H⁺ + O₂.

Образующийся на аноде кислород участвует в окислении ионов двухвалентного железа, а ионы железа соединяются с анионами, образуя в слабокислой и щелочной среде труднорастворимые основные соли и гидраты окислов железа. На катоде протекает электрохимическая реакция образования газообразного водорода:

2H₂О + 2e = H₂ + 2OH^-.

На процесс электрокоагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды, ее температура и состав, напряжение и плотность тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. Уменьшение расстояния между электродами приводит к понижению расхода энергии на анодное растворение металла. Теоретический расход энергии для растворения 1г железа составляет 2,9 Вт·ч, на 1г алюминия 12 Вт·ч. Процесс рекомендуют проводить в нейтральной и слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м2 и расстоянии между электродами не более 20 мм.

Использование импульсного тока с паузами между разнополярными импульсами позволяет потенциалу электрода, за счет его спада во время паузы, находиться в оптимальной зоне потенциалов анодной поляризационной кривой, что не изменяет скорость растворения анода.

Независимое регулирование длительности импульсов позволяет выбрать значение анодного потенциала, при данной длительности катодного импульса с целью регулирования процесса его растворения, без воздействия на процессы, происходящие на катоде, обеспечивая их стабильность и эффективность очистки.

Меньшая длительность импульсов по предлагаемому способу приводит к большей плотности тока в импульсе (при одинаковом среднем значении) и, как следствие, увеличению значения pH прикатодного слоя, что активизирует как анодный, так и катодный процессы и повышает степень очистки. Наличие бестоковой паузы способствует также отводу продуктов электрохимического процесса, что снижает общие расходы электроэнергии.

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

На практике широко используют безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть горизонтальным и вертикальным. Электрокоагуляторы изготавливаются однотопочными смешанными.

При многотопочной схеме движения вода проходит одновременно через промежутки между всеми электродами. При однотопочной схеме вода проходит между электродами последовательно, что уменьшает пассивацию электродов.

Скорость движения воды у однотопочных электрокоагуляторов в (n-1) раз больше, чем у многотопочных (n – число электродов), при одной и той же производительности.

Процесс электрокоагуляции разделяют на стадии:

1. Генерация ионов-коагулянтов анодным растворением металла (наиболее распространённые металлы – железо и алюминий), в сильнокислых средах возможна катодная генерация ионов алюминия;

2. Миграция ионов металла в объём раствора и их гидролиз либо образование других малорастворимых соединений;

3. Взаимодействие ионов металла и продуктов их гидролиза с компонентами раствора с образованием соединений сложного состава, в том числе и восстановительное взаимодействие ионов Fe²⁺ с токсичными соединениями хрома (VI);

4. Совместная коагуляция коллоидных частиц раствора и генерированного коагулянта;

5. Сорбция органических веществ и эмульгирование загрязнений активной поверхностью коагулирующей системы.

Эффективность обработки в случае электрокоагуляции выше вследствие дополнительных электрохимических и физико-химических процессов:

• электрофорез и электродное разрушение коллоидов;

• катодное восстановление растворенных в сточных водах органических и неорганических веществ или их химическое восстановление, а также образование катодных осадков металлов;

• флотация твердых эмульгированных частиц обрабатываемой сточной воды пузырьками газообразного водорода, выделяющегося на катоде.