Электрохимическая очистка сточных вод

В чём заключается суть процесса очистки воды электрохимическими методами? Что может происходить при такой обработке? Получаемая из природных источников и сточная вода – это жидкость, являющаяся электролитом, то есть средой, проводящей электрический ток. В ней содержатся многочисленные примеси и загрязнения, но большая часть объёма – это различные соли, которые подвергаются диссоциации на положительно заряженные ионы, а также имеющие отрицательные заряды части молекул кислот, связанные с атомами H, то есть водорода (последние вещества называются кислотными остатками).

Полезная информация! Вода обладает способностью, предполагающей возможность проводить электрический ток, и она находит применение в разных отраслях, например, в промышленности.
В коллоидных системах входящие в их состав частицы пребывают постоянно во взвешенном состоянии. И эту особенность объясняют три явления: электростатическое отталкивание, стерический эффект, а также хорошо известное в химии и физике броуновское движение.

Малые взвешенные находящиеся в газе или жидкости частицы непрерывно движутся из-за воздействия ударов частиц, относящихся к окружающей среде. Из-за таких постоянных соударений мелкодисперсные элементы никогда не вступают в контакт с молекулами H2O, а также не соединяются друг с другом. Поэтому эффекта осаждения при отстаивании любых коллоидных растворов нет.

Электрохимическая очистка сточных вод – это комплекс химических реакций и превращений, которые протекают под действием постоянного электрического поля. Такие процессы помогают преодолевать силы межмолекулярных взаимодействий и переводить коллоидные растворы в удобные для обработки формы.

Электрохимические установки воздействуют на воду электрофизическим путём и электрохимическим. Это происходит в двойном электрическом слое двух электродов – катода и анода. Через такой слой идёт неравновесный перенос заряда электронами. При этом поддерживаются условия активного дисперегирования в жидкой среде продуктов, формирующихся в результате протекания электрохимических реакций.

При электрохимической водоочистке протекает четыре главных процесса:

• Электролиз. Для электролиза воды характерно электролитическое разложение, обусловленное протекающими на электродах окислительно-восстановительными реакциями. Процессы объясняются постоянным внешним электрическим полем.
• Электрофорез. При нём в электрическом поле постоянно перемещаются частицы и ионы. Заряженные положительно движутся к катоду, а те, которые имеют отрицательный заряд, стремятся к аноду.
• Электрофлотация. При ней происходит образование газовых агрегатов и флоккул, сформированных грубодисперсными водными примесями и мелкодисперсными пузырьками: кислорода на катоде и водорода на аноде.
• Электрокоагуляция. При ней под влиянием электрического поля формируются относящиеся к дисперсной осаждаемой фазе коллоидные агрегаты частиц. Это обусловлено анодным растворением металла и появлением катионов железа, алюминия.

Постоянный ток приводит к тому, что при потенциалах, идентичных потенциалу разложения H2O или превышающих его, вода обретает метастабильное состояние. При нем значения pH, электропроводности, активности электронов и прочих основных параметров становятся аномальными.

Когда через объём воды проходит постоянный ток, запускаются процессы, которые активируют окислительно-восстановительные реакции. А последние вызывают разрушение, коагуляцию коллоидных веществ, деструкцию загрязнений, флокуляцию и флотацию примесей.

Электрохимическая очистка сточных вод имеет большие потенциальные возможности умягчения, обеззараживания, обессоливания, кондиционирования, опреснения, обесцвечивания, комплексной очистки. Такая технология часто включается в схемы многоэтапной подготовки. Причём скорость, экономичность, качество и степень очистки сточных вод часто превышает уровень эффективности механических фильтров, ионообменного оборудования и сорбционных агрегатов.

Электрохимические установки позволяют очищать отработанные стоки с содержанием масел, жиров, нефтепродуктов, белков, цианидов, поверхностно-активных веществ (ПАВ), фенолов, красителей, пестицидов, солей никеля, меди, свинца, ртути, кадмия и других тяжёлых металлов, фтора, хлора, хлоридов, а также других неорганических веществ, органических примесей, в том числе коллоидных частиц.

В процессе обезвреживания сточных вод достигаются технологические показатели, химические характеристики и требующиеся функциональные свойства, отвечающие и соответствующие действующим нормам и предъявляемым требованиям. Кроме того, возможно извлечение и получение из состава некоторых ценных веществ, используемых на производствах при изготовлении сырья, материалов.

Электрохимические методы очистки сточных вод подходят для удаления разнообразных растворённых примесей, взвешенных частиц и других загрязнителей. Но все элементы и соединения должны обладать высокой адсорбционной способностью по отношению к хлопьям гидроксилов металлов, которые образуются.

Также электрохимические способы корректируют потенциал окисления и восстановления, водородный показатель pH. Данные методы снижают удельное сопротивление, усиливают ферментативную активность используемого в аэротенках ила, обеспечивают отличные условия коагуляции органики и её седиментации.   

Эффективность очистки зависит от нескольких факторов: исходного состава (к примеру, солесодержания) и фактической температуры воды, плотности тока и его напряжения, скорости прохождения потока, расхода электрической энергии, материала изготовления электродов, их размеров и межэлектродного расстояния.

Для достижения наилучших результатов электрохимическую очистку проводят при условии слабощелочной либо нейтральной среды. Оптимальная плотность электрического тока составляет не больше 10 ампер на квадратный метр. Максимальное расстояние между двумя электродными элементами – 2 сантиметра. Вода должна двигаться со скоростью не ниже 0,5 метров в секунду.

Повышение производительности и усиление эффекта наблюдается при разделении катодного пространства и анодного, которое осуществляется выполненными из различных материалов полупроницаемыми мембранами, то есть диафрагмами.

Электрохимическая водообработка может осуществляться разными способами. Рассмотрим методы, которые существуют и используются в разных целях, например, для глубокой очистки, повторной обработки, доочистки, предварительной ступени комплексной системы.

Электролиз

Очистка воды электролизом проводится как при стандартной температуре, так и в режиме с повышенными температурными значениями. Используются нерастворимые аноды или активные, то есть растворимые. Дополнительно могут применяться мембраны.

Аппарат электролизер для водоподготовки функционирует следующим образом: под действием проходящего тока на катоде происходит выделение газообразного водорода. Осуществляется разряд металлов с формированием катодных остатков. Также восстанавливаются определённые органические вещества и отдельные ионы воды. При этом выделяются новые продукты.

На изготовленном из неактивного металла аноде происходит окисление органики и водных ионов. Образуются галогены и находящийся в газообразном виде кислород. Эти процессы протекают в зависимости от условий проведения и солевой концентрации. С использованием растворимых, то есть сделанных из активных металлов анодов (например, из алюминия или железа) запускается их растворение электролитическим способом с переходом в раствор в форме ионов. Последние при оптимальном уровне pH становятся гидратами окислов или трансформируются в основные соли металлов. Такие вещества используются в качестве коагулянтов.

Очистка воды электролизом может проводиться для питьевой водоподготовки. Это связано с тем, что биологические системы обладают свойствами, характерными для водных дисперсий. Седиментационная и агрегативная устойчивость биодисперсий подвергается изменениям, нарушается. А кислород имеет бактерицидный эффект.

Электролизер для обработки сточных вод может запускать перенос, перемещение ионов через полупроницаемые мембраны. При этом протекает процесс обессоливания воды. Формируются и концентрируются кислоты едких щелочей. При наличии в составе эмульгированных и диспергированных загрязнений возникает электрофорез. Также разряжаются и коагулируются коллоиды. А эмульгированные и твёрдые примеси подвергаются флотации с помощью формируемых на электродах пузырьков газа.

Анодное окисление с катодным восстановлением

При электролизе сточных водных масс происходит два процесса. Это катодное восстановление, а также анодное окисление. На аноде (электроде с зарядом со знаком «+») ионы отдают свои электроны. Это называется электрохимическим окислением. А на катоде, то есть электроде, заряженном отрицательно, электроны присоединяются. Это восстановительная реакция.

Для выведения из стоков каких примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления? Их работа распространяется на амины, альдегиды, меркаптаны, спирты, цианиды, нитратные соединения и большие количества прочих растворимых загрязнений. Вещества в ходе окисления подвергаются распаду и образуют воду, аммиак и углекислый газ либо нетоксичные, простые элементы, удаляемые иными способами очистки.

Аноды делают из нерастворимых магнетита, марганца, графита, диоксидов свинца. Эти материалы наносятся на поверхность основы из титана. Для изготовления катодов применяют нержавеющие стали, молибден, сплав никеля или железа с вольфрамом, графит и различные металлы с вольфрамовыми или молибденовыми оболочками.

Электрокоагуляция

Установка для электрокоагуляции работает с применением как нерастворимых электродов, так и активных. В первом случае коагуляция представляет собой результат электрофореза, а также формирования кислорода и хлора, которые разрушают сольватные оболочки загрязняющих частиц. Этот вариант целесообразно применять, если вещества неустойчивые, а концентрации взвесей невысокие.

Для промышленных сточных вод, в которых много примесей со значительной устойчивостью, используют растворимые активные электроды: алюминиевые либо стальные. Металлы под влиянием тока растворяются, а их катионы переходят в водный раствор. Тут они контактируют с гидроксильными группами, формируют хлопьевидные металлические гидроксиды. Запускается интенсивно протекающая коагуляция.

Электрокоагуляция сопровождается флотацией твёрдых частиц мельчайшими пузырьками воздуха, электрофорезом, катодным восстановлением, реагированием алюминия и железа с прочими ионами, а также сорбцией на хлопьях гидроксидов металлов ионов загрязнений.

Электрокоагуляторы бывают напорными и безнапорными. Но наиболее часто применяют безнапорные пластинчатого типа. В них предусматривается вертикальное или горизонтальное направление воды. Эти агрегаты бывают много- и однопоточными, а также смешанными. Если схема многопоточная, то поток одновременно идёт через остающиеся между электродами промежутки.

Электрофлотация

При электрофлотации эффективно работают газовые пузырьки, формирующиеся в ходе электролиза. Анод покрывают кислородные пузырьки, а катод – водородные. При внедрении растворимых электродов флотация демонстрирует отличные результаты благодаря образованию коагулирующих хлопьев.

Важнее роль катодных пузырьков, так как по размеру пузырьковые элементы водорода значительно более маленькие, нежели при обработке воды другими методами. Диаметр таких пузырьков находится в пределах 20-100 мкм. И чем элементы мельче, тем выше степень их растворимости. Если сточные воды перенасыщены газами, то пузырьки выделяются на загрязняющих частицах, активируя флотацию.

Электродиализ

При электродиализе происходит разделение компонентов обрабатываемой воды. Оно основано на разнице диффузии через мембрану. Ионизированные вещества разделяются под влиянием электродвижущей силы, которая возникает в растворе по обе части мембранных элементов. Методика подходит для обработки стоков, для опреснения озёрной, морской воды.

Обессоливание выполняется с помощью гетерогенных и гомогенных мембран. Последние – это ионит в форме порошка, содержащего связующие добавки. Электрическое сопротивление мембран не должно быть большим.

Для электродиализа одновременно применяются мембраны двух типов: анионитовая для анода и катионитовая для катода. При таком подходе из среднего отделения с электролитом уходят и анионы, и катионы. Вариант подойдёт для обработки гидрозолей с целью извлечения из них электролитных примесей. Ионообменные диафрагмы делают очистку более эффективной и способствуют снижению расхода электроэнергии.

Важно! Главным минусом такой электрохимической очистки посредством электродиализа является концентрационная поляризация. Она вызывает осаждение на поверхности диафрагм солей. Это негативно сказывается на качестве обработки.

Электродеионизация

Такая методика применяется для подготовки технологической воды для фармацевтической и химической промышленности, для теплоэнергетических комплексов. Очищенный пермеат отвечает высоким требованиям.

Оборудование для электродеионизации оснащается ионоселективными специальными мембранами. Образующееся между ними пространство заполняется ионообменной загрузкой – смолой, тоже поглощающей ионы. Процессы поглощения и регенерации идут безостановочно, что является достоинством метода.

Гальванокоагуляция

Такой способ применяется для извлечения хрома из хромсодержащих сточных вод. Для очистки растворяют железо, что достигается гальванохимическим путём из-за различающихся потенциалов, обусловленных контактами Fe с медью либо коксом. Ионы данного двухвалентного металла запускают восстановление шестивалентного хрома, превращая его в трёхвалентный. Образуется гидроксид хрома, который далее удаляется.

Электрохимическая деструкция

Суть такой деструкции – это обработка стоков в электрореакторе. В нём используют электроды, которые при анодной поляризации не растворяются. Глубину, на которую осуществляется минерализация органических примесей, определяют протекающими под влиянием электролизных продуктов объёмными реакциями, а также редокс-процессами, то есть окислением и восстановлением.

Для обеззараживания применяют ионы гипохлорита, формируемые на аноде озоном и перекисью водорода при протекании электрохимических процессов. Вода разлагается с подщелачиванием у участка катода.

Очистку сточных вод электрохимическими методами используют в разных сферах. Это:

• производство мясной, молочной и кисломолочной продукции;
• стоки с содержанием моющих средств и растворов;
• продукты нефтедобычи, нефтепереработки;
• гальваностоки;
• восстановление технологического водного сырья;
• стоки коммунального хозяйства, содержащие неорганические и органические примеси;
• металлообработка;
• централизованные системы водоснабжения;
• добыча руд;
• фармацевтическая, пищевая, лёгкая, химическая промышленность;
• машиностроение.

Очистка сточных вод регламентируется законами, поэтому она обязательна. Электрохимические способы широко применяются там, где неэффективно биологическое окисление, а также при повышенных концентрациях щелочей, кислот, солей.

Основные достоинства:

• Эффективность. Очистка позволяет удалять многие загрязнения.
• Экономичность с точки зрения затрат на оплату электроэнергии. Расход электричества действительно меньше, чем при некоторых других способах очистки.
• Несложное обслуживание. Современные установки максимально автоматизированы, имеют блок управления и работают по предварительно устанавливаемым настройкам.
• Отсутствие токсичных, опасных реагентов. Используемые вещества полностью безопасны.
• Низкая чувствительность к изменениям режима эксплуатации, к составу воды.
• Качественный шлам. Он обладает отличными механически и структурными свойствами.
• Отсутствие опасных побочных продуктов, требующих специальной сложной утилизации.
• Достаточно компактные установки. Они не занимают много места, поэтому подходят даже для малых предприятий.

Единственный недостаток метода – потребление электричества, а также значительное расходование металлов, из которых производят аноды.

Эффективными способами электрохимической очистки нефтесодержащих вод являются перечисленные в статье электродиализ, электродеионизация, электрокоагуляция и другие методы. Они особенно хорошо работают в случае высокого общего солесодержания, присутствия тяжёлых металлов, жиров, масел, различных токсичных веществ.

Для выбора наиболее подходящей технологии следует узнать состав стоков, концентрацию в них примесей. Для полного удаления многих загрязнений не всегда достаточно одного метода. Иногда необходимо после электрохимической установки и до неё предусмотреть дополнительные ступени обработки. Если при выборе способа очистки возникли проблемы, что часто бывает при отсутствии соответствующих знаний, то получить ответы на все вопросы лучше у специалистов.