Оборудование для защиты гидросферы: обоснование, выбор, расчеты (стр. 11 )

Флотационная очистка наиболее целесообразна для извлечения примесей гидрофобного характера. Гидрофобность частиц зависит от свойств полярных составляющих их молекул: неполярные частицы гидрофобны и легко флотируются. Гидрофобные частицы как бы втягиваются в пузырек газа и всплывают с ним наверх, в то время как гидрофильные частицы смачиваются водой и тонут. Для успешного удаления гидрофильных частиц методом флотации необходима предварительная гидрофобизация,

которая осуществляется с помощью флотореагентов. Флотореагенты обычно представляют собой вещества, молекулы которых содержат полярную группу (гидрофильную) и неполярную (гидрофобную). Полярной группой молекулы флотореагента прикрепляются к поверхности удаляемой частицы, а неполярная группа ориентируется в сторону раствора, придавая поверхности частицы гидрофобные свойства и создавая возможности флотации. Газ легко вытесняет воду с гидрофобной поверхности, при этом образуется прочный агрегат: флотируемая частица – пузырек газа.

Кроме флотореагентов (гидрофобизаторов), при флотации могут применяться пенообразователи - вещества, способствующие снижению поверхностного натяжения сточной воды и образованию стойкой пены, удерживающей на поверхности жидкости флотированные частицы загрязнений.

В качестве гидрофобизаторов используют, например, жирные кислоты и их мыла, в качестве пенообразователей - поверхностно-активные вещества.

Электрофлотация рекомендуется для очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты, жиры, масла, детергенты, взвешенные вещества и прочие загрязнения. Эффекты очистки могут составлять: по нефтепродуктам - до 90 %, по взвешенным веществам - до 70 %, по жирам - 80 %, детергенты могут быть удалены на 60-70 %.

Конструкция аппаратов для электрофлотации достаточно проста (рис.12.1).

Рис. 12.1. Электрофлотатор с горизонтальными электродами:

1 - анод, 2 - катод, 3 - подающий трубопровод, 4 - отводящий трубопровод,

5 - карман для сбора пены, 6 - пеногонное устройство, 7- полупогружная перегородка

Электроды, выполненные в виде пластин, располагаются на дне

аппарата горизонтально или вертикально, занимая практически всю площадь днища. Такое расположение предупреждает появление циркуляционных потоков, препятствующих флотированию загрязнений. Выделяющиеся на электродах газы равномерно пронизывают все поперечное сечение флотационной камеры.

Недостатками такой конструкции являются возможность налипания на электродах различных эмульсий, жиров, тяжелых минеральных частиц и коллоидов и связанный с этим непроизводительно увеличивающийся расход электроэнергии, а также необходимость периодического отключения установки для очистки электродов или замены электродного блока.

Продолжительность электрофлотационной обработки сточных вод может варьироваться в зависимости от вида загрязнений в достаточно широких пределах (от нескольких минут до 30-40 минут), расход электроэнергии составляет менее 1 кВт∙ч/м3. Глубина слоя обрабатываемой жидкости от 0,5 до 1,5 м, расстояние между электродами от 0,5 до 2,0 см. Плотность тока может достигать 2 А /.

Электрокоагуляция

Отличительная черта электрокоагуляции (электрохимической коагуляции), как уже было указано, - получение коагулянтов (гидроокисей металлов) в результате растворения металлического анода и дальнейшего гидролиза перешедших в раствор ионов металлов с образованием гидроокисей. Образующиеся при этом непосредственно в обрабатываемой жидкости «свежие» гидроокиси обладают повышенной активностью и адсорбционной способностью, за счет чего эффективно происходит концентрационная и флокуляционная коагуляция взвешенных, коллоидных и других дисперсных частиц с участием продуктов электролиза. Образовавшиеся хлопья коагулянтов вместе с адсорбированными на них загрязнениями или флотируются на поверхность пузырьками электролизного газа, или выносятся из электрокоагулятора потоком обрабатываемой жидкости и задерживаются при последующем отстаивании или фильтровании.

Таким образом, процессы, наблюдаемые в электрокоагуляторе при наложении электрического поля, происходят в следующей последовательности: электрофоретическое концентрирование, т. е. направленное движение дисперсии как свободно заряженных частиц и концентрирование их у поверхности электродов; одновременно происходит образование гидроокиси металлов; затем наблюдается поляризационная коагуляция дисперсных частиц, и по мере накопления частиц гидроокисей идет упаковка первичных агрегатов и флокуляционная коагуляция, после чего происходит флотация образовавшихся агрегатов пузырьками электролитического газа.

Метод электрокоагуляции зачастую оказывается более эффективным и экономичным по сравнению с реагентной коагуляцией. Однако в отдельных случаях и этот метод требует применения реагентов - регуляторов активной реакции сточных вод, флокулянтов или пенообразователей.

Эффективность процесса электрокоагуляционной очистки сточных вод зависит от материала электродов, скорости движения тока, состава обрабатываемой воды и др. На процесс электрокоагуляции влияет также анодная пассивация электродов - появление на электродах окисных пленок.

В зависимости от состава сточных вод применяемые для электрокоагуляции электроды изготавливаются из следующих металлов и сплавов: алюминия, железа, сплавов алюминия, цинка, олова, меди, свинца, и т. д.

Метод электрокоагуляции целесообразнее применять для очистки сточных вод, содержащих коллоидные или взвешенные частицы, а также растворенные соединения, обладающие высокой адсорбционной способностью к образующимся хлопьям гидроокиси металлов. К ним относятся различные загрязнения: масла, жиры, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов, фенолы, поверхностно-активные вещества, красители, туши, гуаши, акварели и пр.

Эффект очистки стоков от поверхностно-активных веществ близок к 60-70 %, по жирам – 75-95 %, по нефтепродуктам – до 95 %, по хрому - 90‑98 %, по взвешенным веществам – 90-95 %. Продолжительность электрокоагуляционной обработки может составлять от 3 до 30 минут, расход металла - 5-200 г/м2, энергозатраты – от 0,2 до 2,5 кВтžч/м3.

В результате электрокоагуляции образуется рыхлый влажный осадок. Обезвоживание осадков осуществляется как и при механо-химической очистке сточных вод. Электрокоагуляционная очистка ведется в электролизерах с вертикальными или горизонтальными электродами, выполненных главным образом в виде прямоугольных пластин. Электродная система выполняется в виде блока плоских пластин металла, расположенных друг от друга на расстоянии 15÷20 мм. Толщина электрода 6÷10 мм. Соединение электродов в камере электрокоагуляции возможно по монополярной, биполярной и комбинированной схемам.

Наиболее целесообразно применение комбинированной схемы (комбинированное соединение нескольких блоков по моно - или биполярной схеме) с целью снижения общего потребляемого тока электрокоагуляционных установок и максимального использования к. п.д. выпрямительных агрегатов.

Питание электродной системы выпрямленным током производится от источника постоянного тока или выпрямленного тока, обеспечивающих электрические параметры процесса очистки. Общее напряжение на электрическую ячейку при любом способе электрохимической очистки сточных вод не должно превышать 36 В с целью обеспечения правил техники безопасности.

По схеме прохождения обрабатываемой воды через электрокоагуляторы последние подразделяются на однопоточные, многопоточные и смешанные. Направление движения жидкости может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Вертикальное движение снизу вверх предпочтительнее, т. к. при этом с потоком выносятся выделяющиеся газы и продукты электролиза.

Напорный электрокоагулятор со смешанной схемой движения воды в вертикальном направлении, разработанный в США, показан на рис.12.2. Аппарат состоит из корпуса 1, разделенного на четыре секции 7,9,10,12 перегородками 2 с отверстиями 3,8,11, что позволяет воде проходить сверху вниз и обратно. Внутри каждой секции помещены электроды 6. Исходная воды подается насосом 5 в секцию 7, направляясь сверху вниз к отверстию 8. затем, поступив в секцию 9, вода идет снизу вверх к отверстию 3 и совершает такой же путь, как в первой секции и т. д.

Газы и часть образующихся хлопьев удаляются через клапаны 4. Для обеспечения надежной работы коагулятора его секции продувают воздухом или промывают водой. К недостаткам указанной конструкции следует отнести: движение потоков сверху вниз, обратных потоку выделяющихся газов; отсутствие мер против пассивации; необходимость специальных клапанов для отвода продуктов электролиза.

Рис.12.2. Электрокоагулятор со смешанной схемой движения воды в вертикальном

направлении: 1 - корпус; 2 - перегородка; 3,8,11 - отверстия в перегородках; 4 ‑ клапан; 5 ‑ насос; 6 - электрод; 7,9,10,12 - секции

Одним из недостатков пластинчатых электрокоагуляторов является необходимость применения анодов из листового металла.

Кроме того, следует отметить, что электроды при электрокоагуляционном методе не могут быть использованы до полного их растворения, так как по мере растворения анодов в них образуются каверны, щели, дырки, нарушающие процесс очистки. Электроды используются, как правило, на 60-70 %.

Для замены дефицитного пластинчатого металла анода используют засыпные (комбинированные) электроды из отходов металла – металлической стружки, опилок и т. п. Трудность получения коагулянта в электрокоагуляторе с засыпными электродами состоит в том, что при использовании отходов металла режим работы электрокоагулятора зависит от степени уплотнения опилок и снижение расхода электроэнергии может быть обеспечено при ограниченном числе контактов между отдельными кусками стружки или металла и небольшом расстоянии между электродами, одинаковом по всей рабочей площади электрода.

Оценивая метод электрокоагуляции, можно отметить следующие недостатки: сравнительно большая энергоемкость процесса, значительные расходы фондируемого листового металла, образование на электродах окисных пленок, засорение межэлектродного пространства образующимся осадком. За счет электрофоретического концентрирования частицы дисперсной фазы и агрегаты из гидроокисей создают на поверхности электродов слой осадка, который снижает скорость и эффективность процесса. Образование отложений на электродах – одна из существенных причин, затрудняющих широкое применение электрокоагуляторов. Для предотвращения этого явления межэлектродное пространство барботируется воздухом, устраиваются вращающиеся дисковые электроды, между электродами располагают вращающиеся щетки.

Особое внимание уделяется также борьбе с пассивацией. Для этого осуществляется переполюсовка электродов, добавка в обрабатываемую жидкость анионов, например Сl-, вытесняющих кислород из пассивирующих компонентов и образующих растворимые в воде соединения.

В практике электрохимической очистки сточных вод целесообразно совмещение процессов электрокоагуляции и флотации в одном аппарате. Совмещенный аппарат электрокоагулятор-флотатор может быть горизонтального и вертикального типа со смежно расположенными камерами электрокоагуляции и флотации.

Электрохимическая деструкция загрязнений

В последние годы все большее распространение в различных областях народного хозяйства получает электролиз водных растворов с целью электролитического окисления и восстановления органических и неорганических соединений.

Электролиз стал применяться, прежде всего, для получения химически активных веществ: сильных окислителей (хлора, хлорноватистой соли, хлорноватой, бромноватой, хлорной и других кислот, кислорода и т. д.), некоторых сильных восстановителей и щелочей.

Получающиеся в процессе электролиза окислители обладают особенно большим запасом химической энергии в момент их образования, что часто усложняет ход электросинтеза органических соединений, так как бывает трудно остановить процесс окисления на желаемой стадии. При этом могут получаться продукты более глубокого окисления или даже деструктивного распада в результате разрушения основной углерод-углеродной цепи вплоть до образования углекислого газа и воды.

Учитывая эти факторы, можно полагать, что процесс прямого электрохимического окисления найдет применение в области очистки сточных вод с целью глубокой минерализации содержащихся в них трудноокисляемых органических загрязнений.

Применение прямого электрохимического окисления упрощает технологическую схему очистки сточных вод, снижает эксплуатационные затраты и, как уже указывалось, позволяет интенсифицировать процессы окисления как вследствие большой химической активности окислителей в момент их образования, так и за счет возможности непосредственного электрохимического окисления органических загрязнений. Важным достоинством метода электрохимической деструкции является также то, что этот метод в ряде случаев почти полностью снимает проблему осадков и реагентов.

Степень и выбор способа дехлорирования сточных вод должны быть обоснованы в каждом конкретном случае. При этом прежде всего целесообразно использовать окислительную способность остаточного «активного» хлора. Так, только за счет смешения со стоком, обработанным в электролизере и содержащим 60 ÷ 100 мг/л «активного» хлора, исходный сток цеха производства чернил можно обесцветить на%. Эффект очистки по ХПК при соотношении смешиваемых стоков 2:1 и продолжительности контакта 2 ч составит 70%. Концентрация «активного» хлора в смеси сточных вод после двухчасового контакта не превысит 15 мг/л.

12.3. Методика расчета аппаратов для электрообработки сточных вод

Несмотря на конструктивные различия аппаратов для электрокоагуляции, электрофлотации и электрохимической деструкции, некоторые технологические показатели и отдельные технические указания по их расчету являются общими.

Рассмотрим основные из них.

1.Общее напряжение на электролизере Еобщ может быть определено

по формуле или на основании экспериментально полученных зависимостей между напряжением на электролизере и плотностью тока на электродах (вольт-амперных характеристик), построенных для конкретного вида сточных вод и выбранного материала электродов при определенном

межэлектродном расстоянии.

Е общ = jа +jк + hа + hк + Еэл+ Еа + Ек + Е конт, (12.1)

где jа и jк – равновесные потенциалы анода и катода; hа и hк – перенапря-жение на аноде и катоде; Еэл – падение напряжения на преодоление элект-рического сопротивления электролита; Еа и Ек – падение напряжения в материале анода и катода; Еконт - падение напряжения в контактах, подво-дящих ток к проводам.

Определение можно произвести графически или аналитически, по уравнению регрессии Еобщ – сi + d, где c и d – эмпирические коэффициенты, определяемые при математической обработке данных вольт-амперных характеристик. В табл. 12.1 представлены эти зависимости, установленные при электрокоагуляционной обработке некоторых категорий промышленных сточных вод.

При низком напряжении электролиза (2÷5 В) возможно последовательное соединение отдельных блоков электродной системы с целью получения суммарного напряжения, равного напряжению на клеммах применяемого выпрямителя.

В этом случае падение напряжения на электродной системе слагается из падения напряжений на каждом блоке при неизменной силе тока:

Еэл = Е1 +Е2 +…+Еn, (12.2)

где Е1, Е2, …, Еn –падение напряжения в блоках электродной системы.

Таблица 12.1

Зависимости между плотностью тока и напряжение на электродах

при электрокоагуляции сточных вод (межэлектродное расстояние 2 см)

Категория сточных вод	Материал электродов	Аналитическое выражение зависимости
Общий сток меховых фабрик	Ст. 0	Е= 0,514i + 0,51
Сырьевой сток меховых фабрик	Ст.0	Е = 0,544i + 0,41
Общий сток кожзаводов	Ст.0	Е = 0,29i + 0,79
Общий сток кожзавода без зольника	Ст.3	Е = 0,33i + 0,55
Общий сток молокозаводов	Алюминий	E = 16,6i + 5,0
Общий сток заводов искусственной технической кожи	Алюминий	E = 70,0 i + 0,1
Общий сток мясокомбинатов	Дюралюминий	E = 0,42i + 0,83

При одинаковых размерах блоков

Еэл = N´En, (12.3)

где N - число последовательно соединенных блоков электродной системы.

Формулы справедливы также для биполярной схемы соединения электродов, при этом Е1, Е2, …, Еn составляют падение напряжения на каждой ячейке электролизера, а N равно числу ячеек (n-1).

Падение напряжения в проводниках (шинах, металлических частях конструкции и электродах) определяется по формуле

Епр = Iпр ´ , (12.4)

где Iпр – величина тока, протекающего по проводнику, А;rпр – удельное сопротивление материала проводника, (величина rпр приведена в табл. 12.2.); l – длина проводника, м; S – его поперечное сечение, мм2.

Таблица 12.2

Удельное сопротивление и допускаемая плотность тока в токопроводах

Наименование материала	Удельное электрическое сопротивление,	Допускаемая плотность тока, А / мм2
Алюминий	0,026 – 0,029	2,0
Медь	0,0175 – 0,018	3,0
Сталь	0,103 – 0,140	1,5
Цинк	0,053 – 0,062	-
Латунь	0,031 – 0,079	-

Падение напряжения в контактах определяется по формуле:

Еконт = i конт ´ r конт, (12.5)

где i конт и r конт – соответственно плотность тока (А / мм2) и удельное сопротивление (Омžмм2) в контактах. Величина r конт зависит от удельного давления в контакте, характера обработки поверхности материала и температуры контакта. При удельном давлении 50 кг/см2 и температуре 25 0С

r конт принимает следующие значения: для контакта «медь-медь» - 0,05; «алюминий - алюминий» - 0,5; «графит - медь» - 1,25; «титан - медь» - 0,1.

2.Величина тока, который необходимо пропускать через электролизер, может быть принята по выбранному типу выпрямительного устройства (согласно табл. 12.3), определена по заданной анодной плотности тока с учетом общей площади анодов или ориентировочно найдена по формуле:

I = - , (12.6)

где q – общее количество электричества, которое необходимо пропустить через сточные воды, Кл; t – продолжительность обработки сточных вод, с; V – объем сточных вод в электролизере, м3; c – исходная концентрация загрязняющего компонента в сточных водах, г/м3; D - теоретическое количество электричества, необходимое для очистки сточных вод от 1 г загрязнения, Кл.

3. Вычисленные значения Еобщ и I позволяют подобрать необходимый тип выпрямительных устройств (см. табл.12.3).

Таблица 12.3

Рекомендуемые выпрямительные агрегаты для электрохимической очистки сточных вод (Быстровский электротехнический завод)

Тип агрегата	Режим работы	Выход мощности, кВт	Выпрямленное напряжение, В	Выпрямленный ток (наименьший – номинальный), А	Вид охлаждения	Размеры, мм	Вес, кг
Высота	Длина	Ширина
ВАКГ- 18/9*32	I II	5,76 2,88	12-8 3-9	35-320	Воздушное	1662	480	870	300
ВАКГР- 12/6*630	I II	7,56 3,78	9-12 3-6	50-630	Воздушное	1492	590	882	380
ВАКГ- 12/6*630	I II	7,56 2,88	9-12 3-9	75-320	Воздушное	1662	480	870	350
ВАКГ- 12/6*1600	I II	19,2 9,6	9-12 3-6		Воздушно-водяное	1717	758	910	650
ВАКГ- 12/6*3200	I II	38,4 19,2	9-12 3-6		Воздушно-водяное	1717	882	910	850

Источник постоянного электрического тока должен быть снабжен регулировочным устройством, позволяющим изменять величину тока и напряжение в электрической цепи, а также устройством для периодического реверсирования тока. Величина тока в электрической цепи может совпадать с максимально возможной для используемого источника тока или быть ниже в том случае, когда напряжение на полюсах источника тока не превышает максимально возможного для него напряжения. При максимальном напряжении на полюсах источника тока величина тока в электрической цепи обычно ниже максимально возможной для этого источника тока и определяется электрическим сопротивлением сточных вод, а также электродов и токоподводов.