Что такое электрокоагуляция воды

Ускоренный темп роста количества производственных предприятий в 21 веке требует оптимизации технологических процессов очистки оборотных и сточных вод в промышленных объемах. Обработка воды до получения потребительских качеств с помощью электрохимических способов - альтернатива физическим и биохимическим методам очистки воды. Автоматизированные установки электрокоагуляции, электрофлотации, электродеструкции отличаются компактностью, простотой обслуживания и достаточной производительностью. Их применение в очистительных комплексах - один из путей оптимизации технологических процессов водоподготовки.

Очистка воды методом электрокоагуляции

Электрокоагуляция воды - это прогрессивное технологическое направление избавления воды от загрязняющих субстанций путем ее очистки в электролизере с растворимыми электродами. При нахождении водного раствора под влиянием постоянного электрического поля происходит разрушение грубодисперсных загрязнений, агрегация коллоидных примесей, что стимулирует процесс разделения фаз и очистки воды от определенного типа соединений. Метод электрокоагуляции воды показывает отличные результаты при очистке технической воды от мелкодиспергированных органических мономеров и полимеров, эмульсий, продуктов нефтепереработки. Эффективен при избавлении водных растворов от избытка фосфатов и хроматов.

Электрокоагуляция используется для:

• осветления и уменьшения цветности природных вод;
• уменьшения жесткости;
• выведения фтора, мышьяка, кремния;
• связывания органических загрязнений (ПАВ, фенола);
• корректирования рН водного раствора;
• увеличения ферментативной способности активного ила;
• улучшения условий обезвоживания осадков путем уменьшения удельного сопротивления воды;
• для очистки сточных вод.

Особенности водоподготовки с помощью электрокоагуляции

Во время электролиза на металлических электродах происходят процессы окисления и восстановления составных компонентов электролитов. При использовании растворимых электродов (алюминиевых, железных) процесс представляет собой комплекс электрохимических реакций. Быстрота их протекания зависит от величины электрического потенциала на линии раздела фаз раствор - металл, биохимического состава воды, условий диффузии продуктов электролиза в водном растворе. Электричество передается всеми ионами, находящимися в воде, заряженными взвешенными частицами и коллоидами. Но из-за небольшой подвижности частичек примесей главными переносчиками электричества являются катионы К⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, анионы SO4^2–, HCO^₃–, Cl^– и ионы Н⁺ и ОН^–, которые постоянно содержатся в воде.

Электрохимическое растворение протекает по двум типам реакций:

1. растворение под воздействием внешнего тока - анодное растворение металлов;
2. химическое взаимодействие металлов с окружающей водной средой.

При использовании в качестве анода алюминия или железа происходящие в водной среде реакции можно описать следующими уравнениями:

• Al – 3e → Al³⁺; Fe – 2e → Fe²⁺ (анодное растворение);
• Al³⁺ + OH–→ Al(OH)₃; Fe²⁺ + OH– → Fe(OH)₂; 4Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O → 4Fe(OH)₃ (образование гидроксидов).

На железном или алюминиевом катоде, помещенном в водный раствор, могут протекать следующие электрохимические процессы:

• Н⁺ + 1е → Н; Fe³⁺ + 1e → Fe²⁺ (деполяризация движущимися ионами);
• О₂ + 4е + 2Н₂О → 4ОН^– (деполяризация нейтральными молекулами в щелочной среде);
• О₂ + 4е + 4Н⁺ → 2Н₂О (в кислой и нейтральной среде);
• Fe²⁺ + 2e → Fe; Fe₃O₄ + H₂O + 2e → 3FeO + 2OH^–; 2Al + 6H₂O→ 2Al(OH)₃ + 3H₂(восстановление металлов и их нерастворимых оксидных пленок);
• RO + 4e + 4H⁺→ RH₂ + H₂O;R + 2e + 2H⁺ → RH₂ (восстановление органических соединений, R - радикал или молекула).

Протекание электрохимических процессов на стальных и алюминиевых электродах сопровождается адсорбированием на них неорганических и органических примесей, которые влияют на скорость электрохимических реакций выделением вблизи электрода пузырьков газа (О₂, Н₂). Перенос ими веществ из жидкости на поверхность называется электрофлотацией, а диффузия в водном растворе взвешенных примесей, пузырьков газа, коллоидов носит название электрофорез.

Хлопья гидроксидов металлов выпадают в осадок и обладают коагулирующей активностью. Процесс дальнейшего агрегирования аналогичен введению в водный раствор соответствующих реагентов, но при электрокоагуляции вода не насыщается сульфатами и хлоридами, предельно допустимое содержание которых является одним из параметров, контролируемых при проверке очищенных оборотных вод перед дальнейшим использованием. Также метод электрокоагуляции широко применяется и для очистки сточных вод.

Типы электрокоагуляторов для очистки воды

Электрокоагуляцию можно разделить на три вида по механизму протекающих процессов.

Электростатическая коагуляции подразумевает поляризацию коллоидных примесей при нахождении в постоянном или переменном электрическом поле и последующую агломерацию диполей. Необходимость использования больших напряжений электрического поля (15 - 40 кВ/м) делает этот метод мало применимым в чистом виде и востребованным при обработке обессоленных сточных вод.

Электрохимическая коагуляция основана на электролитическом растворении железных или алюминиевых электродов под воздействием внешнего источника тока, при котором в водный раствор переходят ионы металлов, образующие нерастворимые гидроксиды и основные соли. Они в свою очередь коагулируют коллоидные примеси сточных вод. В это же время на катоде протекают реакции восстановления растворенных в воде неорганических и органических соединений. Изменяя силу тока, можно регулировать количество растворяемого металла.

При гальванической коагуляции железо растворяется за счет разности потенциалов, возникающей при взаимодействии стальных электродов с медью или коксом. Количество растворенного железа зависит от рН и состава обрабатываемого водного раствора, на его концентрацию нельзя повлиять регулированием силы тока как при методе электрохимической коагуляции. Гальванокоагуляционный метод характеризуется большой чувствительностью к присутствию анионов в водных растворах, которые пассивируют поверхность железа и уменьшают эффективность коагуляции.

Реагентная коагуляция воды

Выбор способа обработки оборотных и сточных вод зависит от их состава и режима поступления, концентрации загрязнений, необходимости дальнейшего использования очищенной воды. Применение метода электрокоагуляции для очистки сточных вод экономически обосновано для локальных систем очистки оборотных и сточных вод объемом 40 - 60 м³/ч, поскольку способ обработки воды в электролизере энергоемкий и требует затрат на покупку листового металла.

Реагентный метод простой коагуляции, основанный на инициировании процессов агломерации коллоидов введением веществ, дестабилизирующих изоэлектрическое состояние водного коллоидного раствора, широко используется для интенсификации осаждения и фильтрации загрязняющих веществ на крупных промышленных предприятиях, в системе коммунального водоснабжения и водоотведения.

Назначение и особенности электрокоагуляторов для воды

Большинство установок для электрокоагуляции водных растворов выполнены в виде ненапорных электролизеров пластинчатой формы вертикального или горизонтального вида. Металлические пластинки устанавливают на расстоянии 4 - 25 мм друг от друга. Удерживают их в таком положении изолирующие вставные элементы. Электрический ток подается на каждую пластину. Чтобы упростить сборку установки электрокоагуляции и уменьшить потребляемую силу тока, электроды подключают биполярно (подводят ток через несколько пластин одновременно). Промежуточные металлические пластины растворяются за счет поляризации в созданном электрическом поле. Пластинчатые электрокоагуляторы могут работать многопоточно и однопоточно в зависимости от расположения электродов и направляющих перегородок. Многопоточная схема предусматривает прохождение воды сразу через все промежутки между электродами (параллельное соединение). Такой тип электролизера отличается простотой конструкции, но скорость потока в нем низкая. Однопоточное устройство установки электрокоагуляции предусматривает прохождение воды по лабиринту последовательно соединенных электродов. В таком варианте вода движется значительно быстрее.

Время очистки воды в электрокоагуляторе зависит от природы и свойств загрязняющих компонентов и составляет 30 сек - 5 мин. Для повышения эффективности электрокоагуляции и уменьшения скорости засорения межэлектродного пространства водные растворы перед направлением в электролизер необходимо подвергать предварительному фильтрованию для избавления от крупнодиспергированных примесей. Эффективность очистки воды в электрокоагуляторах достигает 55 - 67% при избавлении от продуктов нефтепереработки и масел, и 98% при связывании жиров.

Достоинства и недостатки электрокоагуляции воды

Простота конструкции установок электрокоагуляции и универсальность способа, эффективно избавляющего оборотные технические воды от нефтепродуктов, тяжелых металлов и взвешенных примесей, обуславливают использование метода электрокоагуляции в промышленной практике.

Несомненными преимуществами метода электрокоагуляции являются:

• универсальность применения;
• высокие показатели степени очистки природных и сточных вод;
• простое конструктивное устройство электролизеров;
• отсутствие побочного образования хлоридных и сульфатных солей как при реагентной коагуляции;
• дополнительное обеззараживание воды кислородом, который образуется при протекании электрохимических реакций на электродах в растворе.

Достоинства электрокоагуляционного способа обработки оборотных и сточных вод интенсифицировали внедрение этого метода в производственные процессы. Но при адаптации технологии электрокоагуляции на практике выявились недостатки, которые сдерживают повсеместное применение этого способа в промышленных масштабах:

• ограниченная производительность;
• высокое энергопотребление;
• большое количество листового металла;
• быстрая пассивация металлических пластин электроустановок;
• засорение межпластинного пространства осадками гидроксидов и основных солей металлов и снижение эффективности очистки;
• образование трудно утилизируемых отходов;
• повышенная взрывоопасность установок за счет выделения на катоде Н₂.

Сегодня продолжаются исследования в области оптимизации процессов электрокоагуляции, поиска новых материалов с целью совершенствования конструкции электрокоагуляторов для очистки воды.

Электрокоагуляция как метод очистки воды

Электрокоагуляционный метод показывает высокий процент удаления из воды примесей и загрязняющих соединений в виде взвешенных составляющих органической, биохимической, минеральной природы, коллоидных соединений кислорода, кремния, железа, элементов, влияющих на цветность воды, а также растворенных компонентов, находящихся в ионном и молекулярном состоянии. Большая сорбционная емкость получаемого электрохимическиAl(OH)3 и Fe(OH)3 по отношению к водным загрязнениям позволяет успешно использовать способ электрической коагуляции для обработки технических, оборотных, питьевых и сточных вод, соблюдать высокие требования к качеству воды. Электрокоагуляция как и электрофлотация дает возможность проводить очистку воды в автоматизированных, компактных электролизерах, так как электрохимические реакции легко поддаются управлению. Особенно эффективен процесс для обслуживания небольших автономных объектов.