Использование пакета параллельных растворимых электродов в очистке питьевой воды
Рассматриваемый способ направлен на решение следующей задачи: создать простой, удобный для применения в бытовых условиях способ дополнительной очистки питьевой, преимущественно водопроводной, воды, позволяющий максимально улучшить ее потребительские свойства и уменьшить количество содержащихся в ней вредных примесей.
Технический результат данного способа электрохимической очистки питьевой воды (улучшение потребительских свойств воды и упрощение способа) достигается тем, что обработку воды, преимущественно водопроводной, проводят в непроточном режиме пакетом параллельных растворимых электродов при энергозатратах 1000-1200 Дж/л воды, после отключения электродов воду перемешивают токопроводящим предметом, а фильтрование осуществляют после образования крупных хлопьев коагулянта.
Метод электрохимической очистки воды путем ее обработки пакетом параллельных растворимых электродов (метод электрокоагуляции) широко применяется для очистки сточных, промышленных, природных вод, в том числе и питьевой воды. При этом достигаются различные технические результаты: увеличение степени очистки воды от примесей, взвешенных частиц, обеззараживание воды, улучшение ее химических свойств и др. Обработку воды проводят, преимущественно, в проточном режиме. Обработка воды в непроточном режиме (статических условиях) позволяет осуществить в одном объеме все виды электрокоагуляционных процессов: поляризационную, электрохимическую, гидродинамическую и концентрационную коагуляции.
В обычных (проточных) реакторах для осуществления поляризационной коагуляции необходимо создавать условия для небольшой скорости потока очищаемой воды, так как в противном случае цепочечные агрегаты неустойчивы. В рассматриваемом способе условия для поляризационной коагуляции оптимальны. Для осуществления электрохимической коагуляции в непроточном режиме создаются идеальные условия, так как вследствие газообразования между электродами имеется очень слабое течение, перемешивающее воду на первой стадии обработки. Электролитическая коагуляция протекает в зависимости от тока и в случае заявляемого способа также идет в идеальных условиях. Гидродинамическая коагуляция отнесена к заключительному этапу очистки воды и вследствие энергичного перемешивания воды токопроводящим предметом после отключения электродов протекает совместно с концентрационной коагуляцией на стадии созревания коагулянта, что способствует укрупнению агрегатов до 1,5-2,5 мм. Поскольку все процессы идут при перенапряжении, образующиеся приэлектродные газы не только создают течение жидкости в объеме, но и после отключения электродов и перемешивания токопроводящим предметом способствуют транспорту агрегатов к поверхности и их уплотнению. Таким образом, обработка воды в непроточном режиме обеспечивает создание условий, при которых достигается получение требуемого результата: улучшение потребительских свойств питьевой воды и повышение степени ее очистки.
Энергозатраты на очистку питьевой воды в диапазоне 1000-1200 Дж/л установлены экспериментально и для водопроводной воды оптимальное значение энергозатрат составляет 1100 Дж/л. Именно при этом значении было достигнуто максимальное улучшение потребительских свойств водопроводной воды и степень ее очистки. При энергозатратах менее 1000 Дж/л процесс проходит более замедленно, значительно снижается количество гидроксидов железа и алюминия и для достижения желаемого результата необходимо увеличивать время обработки воды. При увеличении энергозатрат более 1200 Дж/л возрастает выход по алюминию с нарушением величины предельно допустимой концентрации (0,25 мг/л), а также затрудняется процесс очистки воды из-за большого количества пузырьков газа, оседающих на электродах.
Перемешивание как прием широко используется во всех реакторах, где требуется увеличение числа соударений и ускорение какой-либо реакции. Отличием рассматриваемого способа является перемешивание токопроводящим предметом обработанного объема воды после отключения электродов. При этом кроме ускорения процесса (ожидаемый результат) происходит значительное и быстрое укрупнение частиц коагулянта, вероятно, за счет частичного снятия электрического заряда с мицелл и их активного слипания. Вследствие энергичного перемешивания токопроводящим предметом начинают активно протекать гидродинамическая и концентрационная коагуляции, что способствует укрупнению агрегатов до 1,5-2,5 мм. Поскольку все процессы в непроточном режиме идут при так называемом перенапряжении, образующиеся приэлектродные газы не только создают течение жидкости в объеме, но и по окончании процесса электрообработки (после отключения электродов и перемешивания) способствуют транспорту агрегатов к поверхности и их уплотнению. Следствием процесса флотации, протекающего в непроточном объеме, то есть в идеальных условиях, является быстрое осветление обрабатываемой воды. Однако для упрощения способа фильтрование можно начинать, не дожидаясь окончательного подъема шлама к поверхности обработанного объема, а проводить его на стадии образования крупных
хлопьев коагулянта. Это снижает требования к фильтровальным материалам, в качестве которых могут быть использованы ткани из натуральных волокон с величиной ячейки не более 60 мкм (бязь, фланель) или металлокерамические пористые материалы. Как показали проведенные испытания, фильтрование воды на этой стадии (образования крупных хлопьев коагулянта) обеспечивает получение воды с высокими потребительскими свойствами и значительно уменьшившейся величиной окисляемости.
На рисунке 2.5 дана схема устройства для реализации рассматриваемого способа очистки питьевой воды.
Рисунок 2.5 - Схема устройства
Устройство для очистки питьевой воды состоит из емкости 1 из диэлектрика (например, одно-, двух- или трехлитровая банка) и крышки 2 из изоляционного материала с закрепленным в ней пакетом растворимых электродов 3 и 4 в виде параллельных пластин. Электроды 3 выполнены из сплава алюминия (например, АМГ-2, АМГ-2М), а электроды 4 из сплава железа (углеродистая конструкционная сталь СТ-3). Электроды соединены попарно электрически ("железные" с "алюминиевыми"). Понижающий трансформатор 5, выпрямитель 6 и переключатель 7 образуют блок питания для поочередной подачи на электроды 3 и 4 однополярного напряжения.
Соотношение активных площадей электродов "алюминиевых" к "железным" должно находиться в пределах 4:1-6:1. Размеры электродов определены исходя из того, что они предназначены для использования совместно с емкостями объемами 1-3 л, что весьма удобно в бытовых условиях. Время обработки 1 л воды определялось исходя из известных в литературе данных: безопасное напряжение 36В, оптимальный ток на единицу активной поверхности электродов 0,004А/см2. Активная площадь алюминиевых электродов для указанных объемов воды (1-3 л) составляет 124 см2 (6,2х10х2)[7].