Содержание
Интенсификацияпроцесса конвективной коагуляции примесей воды
Контактнаякоагуляция
Определениеоптимальных доз реагентов
Электрохимическоекоагулирование
Литература
Интенсификация процессаконвективной коагуляции (в объеме) примесей воды
Рассмотрение задачиинтенсификации процесса конвективной коагуляции примесей воды необходимо начатьс анализа основных факторов, которые существенно на него влияют.
С увеличением дозыкоагулянта до оптимальной скорость хлопьеобразования и декантации гидроксидовалюминия и железа (III) возрастает. Способствует этому процессу также повышениетемпературы и перемешивание воды. В зимнее время при низких температурахочистка воды сульфатом алюминия протекает неудовлетворительно: процессыхлопьеобразования и седиментации замедляются, хлопья образуются очень мелкие, вочищенной воде появляется остаточный алюминий (вода опалесцирует), чтообъясняется увеличением вязкости воды (вязкость воды при 1°С примерно в 2 разавыше, чем при 30°). Во столько же раз, по Стоксу, замедляется и скорость декантациивзвешенных в ней частиц, так как эти величины обратно пропорциональны другдругу. Коагулирование примесей воды в образующейся при гидролизе коагулянтаколлоидной системе — самый медленный процесс, тормозящий осаждение гидроксидаалюминия при низких температурах. Это объясняется тем, что при низкихтемпературах снижаются подвижность коллоидных частиц и частота их соударений,обусловливающих агломерацию. Снижение температуры воды от 30 до 1°С увеличиваетпериод коагуляции примерно в 1,5 раза вследствие уменьшения кинетическойподвижности примесей воды и повышения ее вязкости. Однако, подобное снижениеподвижности частиц и числа их соударений полностью не объясняет наблюдаемоеторможение процесса коагуляции золя гидроксида алюминия при низкихтемпературах. По Е. Д. Бабенкову, подвижность примесей воды и продуктовгидролиза коагулянта при низких температурах больше всего снижается врезультате увеличения степени их гидратации, способствующей росту размеровчастиц. С возрастанием степени гидратации частиц число их соударенийуменьшается, что приводит к стабилизации коагуляции, и система становится болееустойчивой. Подтверждением этого является увеличение объема осадка гидроксидаалюминия при низких температурах обрабатываемой воды.
Подвижность примесейводы в процессе коагуляции увеличивается при ее перемешивании. Так, при 20°Спроцесс коагуляции ускоряется примерно вдвое в результате перемешивания, таккак при этом одновременно происходит перекинетическаяи ортокинетическаякоагуляция*. Оптимальный эффект достигается уже при 5-минутном перемешивании.Значительное улучшение хлопьеобразования наблюдается при перемешивании воды(скорость 0,2...0,4 м/с) с низкой температурой. Возрастание линейной скоростиперемешивания на 0.15...0,30 м/с ускоряет процесс хлопьеобразования примерновдвое, однако, при дальнейшем ее повышении получается отрицательный эффект, чтосвязано с разрушением сформировавшихся хлопьев. При этом существенное значениеимеет температура воды. Так, процесс хлопьеобразования, происходящий при 20ºС,не наблюдается при 2 °С даже при длительном перемешивании. Только в воде соптимальным рН и щелочностью при длительном перемешивании (около 30 мин) можетбыть достигнут прежний эффект хлопьеобразования. Ускорения коагулированияпримесей воды при низких температурах можно достичь удлинением времениперемешивания. Движущийся поток воды влияет на хлопьеобразование лишь приусловии успешного завершения перекинетической коагуляции. Только после этогоперекинетическая коагуляция переходит в ортокинетическую. Если быстрое и полноехлопьеобразование не может быть полностью восстановлено при низких температурахперемешиванием, то это свидетельствует о том, что частицы гидроксида не могутвследствие перечисленных причин достичь размеров, при которых начинаетсяортокинетическая коагуляция.
Коагулированиепримесей воды с предварительным растворением сернокислого алюминия в небольшомее объеме позволяет значительно интенсифицировать процесс. Необходимое дляобработки всей воды количество сернокислого алюминия растворяется в небольшомее объеме с доведением рН до 4,5 ...4,7, когда при гидролизе сернокислогоалюминия вместо его гидроксида образуются основные сульфаты, обладающие болеевысокой сорбционной способностью. Это позволяет сократить продолжительностьотстаивания воды и соответственно увеличить пропускную способность отстойников.
Предварительнаяобработка воды окислителями также повышает эффективность коагуляции.Это объясняется тем, что окислители разрушают гидрофильные органическиесоединения, стабилизирующие дисперсные примеси воды, и облегчают условияпротекания коагуляции. Особенно эффективно применение окислителей при обработкемаломутных цветных вод. При этом возрастает гидравлическая крупность хлопьевкоагулированной взвеси и интенсифицируется осветление воды.
Уменьшение временихлопьеобразования при низкой температуре воды и снижение дозы коагулянта можетбыть достигнуто введением замутнителей. При замутнении воды большую роль играетстепень дисперсности вводимых частиц. Существенно (на 30 ...60%) ускоряется процессхлопьеобразования. при добавлении частиц размером меньше 3 мкм. Рекомендуетсявводить в воду высокодисперсную глинистую взвесь в количестве 10 мг/л илискоагулированный осадок в количестве- 0,4… 0,6 от дозы коагулянта. Принизких температурах и малой мутности воды резко ухудшаются технологическиепроцессы ее очистки, поэтому использование промывных вод скорых фильтров иосадков отстойников и осветлителей для замутнения обрабатываемой воды особенноважно. Рекомендуется сначала вводить промывную воду в количестве 5...25%исходной воды, затем коагулянт. Использование промывной воды и технологическихосадков в качестве добавки к исходной воде позволяет улучшить качествоочищенной воды, снизить на 25 ...30% расход коагулянта и уменьшить времяпребывания обрабатываемой воды в отстойниках, флотаторах и осветлителях.
Эффективное воздействиеосадка объясняется тем, что он представляет собой уже готовые крупные частицытакого жё- строения, что и выделяющийся гидроксид. Поэтому время, необходимоедля образования сверхмицеллярных агрегатов, сокращается. Таким образом,ускоряется хлопьеобразование, образуются более крупные хлопья, быстрее идет ихдекантация а следовательно, интенсивнее осветляется вода. Для достижениявысокого эффекта осветления рециркулируемый осадок следует вводить в воду за15… 30 с до введения коагулянта. Осадок рекомендуется применять при рНисходной воды не ниже 7,0. Возраст осадка не должен превышать двух суток сотбором его из шламоотводяших труб горизонтальных отстойников.
Коагуляция примесейводы может быть значительно ускорена ее обработкой смесью коагулянтов.Действие коагулянтов, при этом обоюдно усиливается. Такое явление наблюдаетсяпри использовании смеси A12(S04)3иFeCl3 в соотношении 1:1,1:2,2:1 или этих же коагулянтов с силикатом натрия. Подобное улучшение коагуляциидостигается обработкой воды смесью неочищенного и очищенного глинозема всоотношении 3:1 или смесью коагулянтов глинозема и хлорного железа всоотношениях 3:1 и 4:1. В ряде случаев вместо сернокислого алюминия для обработкиводы используют оксихлорид алюминия. Опыт применения этого коагулянта показалхорошие результаты на ряде водоочистных комплексов.
Улучшения коагуляцииможно достичь также обработкой воды сульфатом алюминия или хлорным железом спредварительным выделением их гидроксидов. Сущность этого метода заключается втом, что оптимальная доза сернокислого алюминия и известкового молока вводитсяв промежуточный реактор, куда подается 1 % обрабатываемой воды. В реактореобразуются первичные хлопья гидроксидов основных солей алюминия, которыеобладают высокой сорбционной способностью и хорошо агломерируются в крупныеагрегаты. Затем из реактора эта суспензия подается в поток обрабатываемой воды.
Ускорение процессахлопьеобразования достигается применением метода концентрационногокоагулирования, при котором расчетное количество коагулянта вводится лишь вчасть обрабатываемой воды. После смешения с раствором коагулянта потокобрабатываемой воды объединяют (обычно в начале камеры хлопьеобразования) спотоком остальной некоагулированной воды. Описанный метод обладает рядомпреимуществ: распределение всего коагулянта в части обрабатываемой воды создаетусловия для ускоренного хлопьеобразования; после смешения с некоагулированнойводой хлопья, образованные в условиях повышенной концентрации коагулянта,хорошо сорбируют водные примеси. Однако, этот метод не всегда даетположительные результаты, что объясняется изменением свойств обрабатываемойводы и ее примесей.
К физическим методаминтенсификации процесса коагуляции относятся аэрирование, наложениеэлектрического и магнитного полей, воздействие ультразвуком, ионизирующееизлучение. Введение сжатого диспергированного воздуха вобрабатываемую воду в смеситель после добавления коагулянта с некоторымразрывом во времени позволяет удалить из зоны коагуляции образующийся прираспаде угольной/кислоты диоксид углерода. Своевременное удаление свободнойуглекислоты из сферы формирования микрохлопьев значительно ускоряет дальнейшийход коагуляции. Аэрирование в количестве 10… ...30% от расхода обрабатываемойводы позволяет снизить расход коагулянта на 25… 30% и улучшить качествообработки воды.
Благодаря наложениюэлектрического поля ускоряются процессы хлопьеобразования и' осаждениякоагулированной взвеси, повышается степень очистки воды от органических инеорганических примесей фильтрованием; улучшается отделение водорослей.Действие магнитного поля способствует уменьшению структурно-механическойгидратации и g-потенциала частиц.Сорбционная емкость гидроксидов коагулянтов по отношению к гуминовым веществамвозрастает на 30… 40%- При обработке вод, содержащих минеральные взвеси,магнитная обработка позволяет увеличить плотность и гидравлическую крупностьхлопьев скоагулированной взвеси, повысить производительность водоочистных сооруженийI ступени и снизить мутность осветленной воды. Магнитная обработка цветной ижелезосодержащей воды увеличивает плотность скоагулированной взвеси и снижает в2… 8 раз остаточные концентрации примесей. В целях интенсификации коагуляциирекомендуется омагничивать воду за 10… 60 с до ввода коагулянта, скоростьдвижения воды в рабочем зазоре магнитного аппарата поддерживать 1 м/с,количество знакопеременных магнитных контуров в генераторе должно составлять 4… 6, длительность омагничивания — 0,6… 1,0 с. Возможно омагничивание лишьчасти (например, половины) обрабатываемой воды с последующим смешением ее (доввода коагулянта) с.остальной водой. Улучшить ход коагуляции можно такжемагнитной обработкой раствора коагулянта. При этом эффект активации растворазависит от напряженности магнитного поля. Расход электроэнергии приомагничивании 1 м3/ч воды составляет 5… 8 Вт-ч.
Процесс очистки водыкоагулированием можно улучшить наложением электрического поля. По этому методуисходную воду с введенными в нее небольшими дозами коагулянта пропускают междуалюминиевыми электродами, подключенными к источнику тока. При этом сохраняетсяпреимущество метода электролитического коагулирования, а расход электроэнергиине превышает 10 Вт/м3 воды.
Коагуляцию примесейводы улучшает обработка ее ультразвуком. Однако, происходящее при этомразрушение механических примесей, уменьшающее степень полидисперсностисуспензии, иногда сказывается отрицательно. Результаты исследований поультразвуковой коагуляции, проведенные В. Б. Викулиной, показывают, чтооптимальные результаты достигаются при относительно низких частотах ультразвука— 8… 18 кГц при продолжительности озвучивания 1… 3 мин. С увеличениеминтенсивности ультразвука возрастает скорость коагуляции.
Воздействиеионизирующих у-, р- и рентгеновских лучей проявляется в ускорении окисленияорганических и минеральных примесей растворенным в воде кислородом, врезультате чего вода обесцвечивается, обеззараживается, дезодорируется,ускоряется осаждение взвешенных примесей. Все перечисленные выше процессыулучшают обработку воды коагулянтами, расширяют сферу их применения.
коагуляциявода примесь
Контактная коагуляция
Контактная коагуляция— технологический процесс осветления и обесцвечивания воды, заключающийся вадсорбции ее примесей с нарушенной агрегативной устойчивостью на поверхностичастиц контактной массы. В основе процесса лежат вандер-ваальсовы силымежмолекулярного притяжения. Однако, они определяются только при условиидвижения жидкости, когда мелкие частицы примесей воды сближаются с зернамифильтрующей загрузки, преодолев при этом электростатические силы отталкивания.
В процессе контактнойкоагуляции взаимодействуют частицы, значительно различающиеся своими размерами.Частицы примесей воды имеют микро- и ультрамикроскопические размеры, а частицыконтактной среды — макроскопические. Прилипание агрегативно неустойчивыхпримесей воды к поверхности частиц контактной массы является частным случаемкоагуляции, носящим название адагуляция. Характерной особенностью этогопроцесса является большая скорость в сочетании с высоким эффектом при меньшихзатратах коагулянта. Интенсивность прилипания мелких примесей к относительнокрупным зернам загрузки намного превышает скорость агломерации между собойотдельных мелких частиц в свободном объеме жидкости.
При фильтровании воды,обработанной коагулянтом, через песок с размером зерен 0,5 мм ее осветлениепроисходит за 5— 10 с. Подобная глубина осветления воды при конвективнойкоагуляции частиц с образованием хлопьев достигается за 20— 40 мин. Контактнаякоагуляция отличается не только высокой скоростью процесса, но и большойполнотой извлечения из воды ее примесей, что позволяет при обработке маломутныхцветных вод ограничиваться только одним методом ее кондиционирования. При коагулированиипримесей воды в объеме образующиеся хлопья требуют последующего их выделениятем или иным методом.
Практика показала, чтоэффект контактной коагуляции повышается по мере сокращения интервала междувводом коагулянта в обрабатываемую воду и ее поступлением в слой контактноймассы. За этот короткий промежуток времени в обрабатываемой воде успеваютобразоваться микроагрегаты слипшихся первичных частиц. Далее коагуляция идет засчет коррозии этих микроагрегатов на макроповерхности частиц контактной массы.
Другими особенностямиконтактной коагуляции является независимость процесса от щелочности итемпературы воды, меньшее влияние рН и др.
Водоочистныесооружения, работа которых основана на принципе контактной коагуляции, называютконтактными осветлителями, контактными фильтрами, осветлителями со слоемвзвешенного осадка.
Определение оптимальныхдоз реагентов
Доза коагулянтадля вод разного состава не одинакова и устанавливается путем пробногокоагулирования исходной воды в лаборатории. Оптимальная доза коагулянтавызывает образование крупных, быстро декантирующих хлопьев и не даетопалесценции воды. Существует методика определения показателя коагулируемостиводы, под которым понимается способность к коагуляции грубодисперсных иколлоидных примесей, присутствующих в воде, при обработке ее коагулянтом —сернокислым алюминием, проводимой как без подщелачивания воды, так и с ееподщелачиванием. Для ориентировочных подсчетов дозу коагулянта следуетопределять по СНиП 2.04.02—84, которая в пересчете на безводные A12(S04)3;Fe2(S04)3;FeCl3 при обработкемутных вод принимается (в зависимости от содержания примесей) от 25 до 80 мг/л.При коагулировании воды с повышенной цветностью доза коагулянта находится поформуле ДК=4Ц0'5, где Ц — цветность воды, град.
Дозу ПАА,считая по безводному продукту, можно определить в зависимости от места еговвода. Так, при вводе перед сооружениями I ступени, согласно СНиПу, взависимости от мутности и цветности исходной воды она варьируется в пределах0,2… 1,5 мг/л, а при вводе перед фильтрами при двухступенчатой очистке —0,05… 0,1 мг/л, при вводе перед фильтровальными сооружениями приодноступенчатой очистке — 0,2…… 0,6 мг/л.
Доза АК,считая по диоксиду кремния, также зависит от места ее ввода: при вводе передсооружениями I ступени при температуре исходной воды свыше 5...7°С она равна2… 3 мг/л, а при температуре воды ниже 5 °С — 3...5 мг/л; при вводе передфильтрами при двухступенчатой очистке — 0,2...0,5 мг/л и при вводе передфильтровальными сооружениями при одноступенчатой очистке — 1...3 мг/л.
Флокулянты следуетвводить в воду через 2...3 мин после ввода коагулянта. При очистке мутных воддопускается введение в воду флокулянтов до коагулянтов или одновременно.
При предварительномхлорировании, которое предусматривается для улучшения ходакоагуляции и обесцвечивания воды, а также для поддержания водоочистныхсооружений в надлежащем санитарном состоянии, доза хлора принимается 2… 4,0мг/л. Реагент следует вводить в воду за 1… 3 мин до наступления коагулянта итщательно перемешивать.
При наличии в исходнойводе фенолов рекомендуется применять ее преаммонизацию путем введения в водуперед хлорированием аммиака или аммонийных солей в количестве 20… 25% (по NH3)отдозы хлора.
При низкой щелочности исходнойводы для обеспечения успешной коагуляции ее приходится подщелачивать, для чегов нее вводят известь или соду в количествах, определяемых по формуле
Дщ = Кщ (Дк/ек— Щ0) + 1
где Дк — максимальная впериод подщелачивания доза безводного коагулянта, мг/л; Щ0 — минимальнаящелочность исходной воды, мг-экв/л; Кщ — коэффициент, равный для извести (поСаО)—28 и для соды (по Na2C03)—53;ек — эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг-эквл, принимаемая для A12(S04)3—57, FeCl3 —54, Fe2(S04)3—67.
При отрицательнойвеличине Дщ подщелачивание не требуется. Щелочные реагенты следует вводитьодновременно с вводом коагулянта или до него.
При дезодорацииисходной воды следует применять: тонко- диспергированный порошкообразный уголь,дозу которого назначают (по углю марки «А-щелочной»), руководствуясьрезультатами технологических исследований, перманганат калия, озон.
Для устранениянежелательных привкусов и запахов возможно комбинированное применение указанныхреагентов, при этом активный уголь следует вводить в воду после окислителей.
Дозу фторсодержащегореагента,мг/л, при фторировании воды следует определять по формуле
Дф = 104(mф*аф- Ф)/(Кф*Сф),
где mф— коэффициент, зависящий от места ввода реагента в воду, принимаемый при вводев фильтрат — 1, при вводе перед фильтровальными аппаратами — 1,1; aф— содержание фтора в обработанной воде, мг/л (для средней полосы России длязимнего периода аф=1 мг/л, для летнего — 0,8 мг/л); Ф — содержание фтора висходной воде, мг/л; Кф — содержание фтора в чистом реагенте, %, принимаемоедля кремнефтористого натрия — 61; для фтористого натрия — 45; для кремне-фтористого аммония — 64; для кремнефтористоводородной кислоты — 79; Сф —содержание чистого реагента в товарном продукте, %.
Ввод фторсодержащихреагентов следует предусматривать в фильтрат перед обеззараживанием, возможно,их введение перед фильтрами при двухступенчатой очистке.
Дехлорирование водыпроизводится аэрированием (при небольшом избытке остаточного хлора) илисвязыванием хлора при введении тиосульфата, сульфита и дисульфита натрия,аммиака, сжиженного оксида серы(IV) или ее фильтрованием через гранулированныйактивный уголь. Примерные дозы реагентов определяются следующими соотношениями:на 1 мг хлора требуется тиосульфата натрия 0,8… 7,2 мг, сульфита натрия —2,5… 3,5 мг, оксида серы(1У)—0,9… 1,1 мг, аммиака — около 0,13 мг.
Последовательностьввода реагентов и их экспозиции надлежит принимать, руководствуясь указаниямитабл. 3.6. При невозможности соблюдения указанных рекомендаций между вводомреагентов в трубопроводы перед водоочистным комплексом и смесителем допускаетсяустройство контактных емкостей или дополнительных смесителей, конструкциикоторых исключали бы вероятность седиментации суспензий дозируемых реагентов.
Таблица 3.6.Характеристика воды Применяемые реагенты для обработки воды Последовательность введения реагентов в воду 1 2 3 Не имеющая запахов и привкусов Хлор, коагулянт Первичное хлорирование, через 2… 3 мин коагулянт С запахом и привкусом, с хлорфенсильным запахом
1. Коагулянт, озон
2. Хлор, перманганат калия, коагулянт, флокулянт
3. Хлор, активный уголь, коагулянт, флокулянт
4. Хлор, пермангаиат калия, коагулянт
Коагулянт, озон перед фильтрами или в фильтрованную воду Первичное хлорирование, через 10 мин перманганат калия, через 2… 3 мин коагулянт, через 2 мин флокулянт:
а) первичное хлорирование, через 10… 15 мин активный уголь, через 10 мин коагулянт, через 2 мин флокулянт
б) первичное хлорирование, через 2… 3 мин коагулянт, активный уголь дозой до 5 мг/л перед фильтрами Первичное хлорирование, через 10 мин перманганат калия, через 10… 15 мин активный уголь, через 10 мин коагулянт С запахом и привкусом, при хлорировании появляется хлорфенольный запах
1. Аммиак, хлор, коагулянт
2. Коагулянт, озон
3. Пермангаиат калия, хлор, коагулянт
4. Аммнак, хлор, пермангаиат калия, коагулянт, Флокулянт
5.Пермангаиат калия, хлор, активный уголь, коагулянт, флокулянт
Аммиак, через 2… 3 мии первичное хлорирование, через 2… 3 мин коагулянт Коагулянт, озон перед фильтрами или в фильтрованную воду Пермангаиат калия, через 10 мин хлор, через 2...3 мин коагулянт
Аммиак, через 2… 3 мин хлор, через 10 мин перманганат калия, через 2… 3 мин коагулянт, через 1 мин флокулянт. Перманганат калия, через 10 мин хлор, через 10...15 мин активный уголь, через 10 мин коагулянт, через 2 мин флокулянт С недостаточным щелочным резервом Известь, сода, едкий натр До или одновременно с вводом коагулянта Содержит патогенные бакгернн Хлор, хлорная известь, гипохлорит кальция или натрия, озон, перманганат калия, аммиак Обеззараживание путем введения одного из перечисленных окислителей в фильтрованную воду, иногда с преаммонизацией, когда аммиак вводится за 1… 2 мин до ввода окислителя С недостаточным содержанием фтора Кремнефтористый натрий или аммоний, фтористый натрий Фторирование введением раствора фторсодержащего реагента в воду до или после фильтровальных аппаратов; независимо от места ввода хлора для обеззараживания С повышенной жесткостью Железный коагулянт, хлор, известь, сода, едкий натр, тринатрийфосфат, гидроксид бария, углекислый барий При реагентом умягчении воды, предварительное хлорирование, через 2… 3 мин коагулянт, через 3… 5 мин реагент для умягчения воды Высокая цветность Хлор и его производные, озон, коагулянт, перекись водорода Предварительное хлорирование или озонирование, через 3… 5 мин коагулянт Избыток хлора в фильтрате Тиосульфат, сульфит и дисульфит натрия, оксид серы (IV), аммиак Дехлорирование указанными реагентами не менее, чем через 30… 40 мин после ввода хлора для обеззараживания
Электрохимическоекоагулирование
Для осуществленияпроцесса коагуляции в воду могут быть введены вместо коагулянтов ионы тяжелыхметаллов, полученные электрохимическим путем. Для этого воду пропускают черезэлектролизер — аппарат с опущенными в него электродами — анода (из алюминия илижелеза) и катода. Питание электролизера осуществляется от постоянного илипеременного источника тока. При применении растворимых металлических электродовэлектродный процесс сопровождается рядом электрохимических явлений и реакций.Их скорость по законам электрохимической кинетики определяется общим значениемпотенциала на границе металл—раствор, составом воды и условиями диффузии в нейкомпонентов или продуктов реакции. В процессе электролиза на электродахвосстанавливаются или окисляются компоненты электролита. В переносе токапринимают участие все находящиеся в воде ионы, а также имеющие заряд коллоидныеи взвешенные частицы.
По С. В. Яковлеву и Я.Д.Раппопорту коллоидные и взвешенные частицы в связи с малой подвижностьюпереносят незначительную часть электричества. В основном перенос электричествав природных водах осуществляют катионы Са2+, Mg2+,Na+, К+и анионы S042-, НС03-и С1~, а также ионы Н+ и ОН~, всегда содержащиеся в воде.
Количество металла т,перешедшего из анода в воду в результате электролиза, определяют из выражения
/>
гдеА— атомная масса металла; F—числоФарадея (96500 Кл); I — силатока, A; t—времяпрохождения тока, с; г) η — коэффициент выхода металла по току, %; п —валентность металла.
По П. П. Строкачу,электрохимическое растворение металлов состоит из двух основных процессов —анодного и химического растворения в результате взаимодействия с окружающейсредой. Растворению металла анода способствуют повышение температуры воды, присутствиев ней ионов-депассиваторов, наложение постоянного электрического тока,повышение скорости движения воды по отношению к поверхности металла. Поэтомувыход алюминия по току может достигать 120% и более. В соответствии с теориейэлектрохимической коррозии при использовании в качестве анода железа илиалюминия природной воде протекают реакции анодного растворения и образованиягидроксидов этих металлов. На катоде из железа или алюминия в природной водепроисходят деполяризация мигрирующими ионами, деполяризация нейтральнымимолекулами, восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, а такжеорганических соединений. На алюминиевом катоде при рН 10… 12 в прикатодномслое вероятна реакция взаимодействия алюминия с водой с образованием гидроксидаалюминия и водорода во время электролиза и растворения защитной пленки оксидаалюминия. Из вышеуказанных катодных процессов в природной воде главенствующим являетсяводородная и кислородная деполяризация.
Электрохимическиепроцессы на металлических электродах сопровождаются адсорбцией на нихнеорганических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлятьэлектрохимические реакции, выделением на электродах пузырьков водорода,кислорода, которые способны выносить вещество из жидкости на поверхность(электрофлотация), электрофорезом (движение в воде взвешенных твердых иколлоидальных частиц, пузырьков газа) и другими явлениями.
С. В. Яковлев и П. П. Строкач,Я.Д. Раппопорт указывают, что на процесс растворения электродов влияютфизико-химические, электрические и гидродинамические факторы: активная реакциясреды, ее солевой состав, температура, состав электрода, плотность тока,частота смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространствеи др. Важное значение при электрокоагуляции имеет плотность тока. Наиболееэффективна работа электролизера при высоких плотностях тока, поскольку при этомболее полно используется их емкость и рабочая поверхность электродов. Вместе стем при повышении плотности тока возрастают поляризационные явления ипассивация электродов, что приводит к увеличению напряжения и потерямэлектроэнергии на побочные процессы. С увеличением плотности тока возрастаетскорость химического растворения алюминия и тем в большей степени, чем меньшеего частота. Рекомендуется плотность тока в пределах 0,5...
20 мА/см2, расстояниемежду электродами 10… 15 мм. По мнению Л. А. Кульского, П. П. Строкача и В.А. Слипченко эффективной плотностью тока для удаления из воды большинствазагрязнений может быть 1...4 мА/см2, рабочее напряжение на электродах установокне должно превышать 40 В.
Для предотвращенияобразования осадка на электродах рекомендуется менять на них полярность тока,что не всегда эффективно, так как в период переключения полярности резкоснижается выход алюминия по току и трудно удаляются осадки на электродах.
Окисление металловэлектродов при электролизе осложняется наступлением пассивного состояния врезультате формирования оксидной пленки. При этом потенциал анода смещается всторону положительных значений. Активность алюминиевого анода в значительноймере зависит от природы и концентрации присутствующих в воде анионов. Из всеханионов на активность алюминиевого анода более всего влияет хлорид- ион.Сущность активизирующего действия хлорид-ионов связана с их небольшимигеометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результатечего она разрушается. Катализация растворения алюминиевого анода хлорид- ионамитакже объясняется сильным замедлением процесса образования оксидной пленки,связанной с адсорбционным вытеснением кислорода.
Повышение концентрациисульфатов по отношению к постоянной концентрации хлоридов приводит к полномуугнетанию активизирующего действия хлорид-ионов на оксидную пленку.
Повышение температурыводы препятствует формированию осадков на электродах, повышает скоростьрастворения пассивной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленкастановится рыхлой и свободно удаляется с поверхности алюминия. Значительновозрастает разрушение оксидной пленки в присутствии хлорид-ионов, сорбциякоторых на алюминии с повышением температуры увеличивается.
Растворение 1 гметаллического алюминия эквивалентно введению в воду 12,3 г A12(S04)3*18Н20,растворение 1 г металлического железа — введению 4,8 г FeCl3*6H20или4,9 г FeS04*7H20.Большинство аппаратов для очистки воды электрокоагуляцией представляет собойбезнапорные пластинчатые электролизеры. горизонтального или вертикального типа.Пластины или кольца металла располагают вертикально на расстоянии 3...20 ммодна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электрический токподводится к каждой пластине(рис. 3.6). Для упрощения монтажаэлектрокоагуляторов и уменьшения потребляемой силы тока применяют биполярноеподключение электродов, т. е. подвод тока не к каждой пластине, а черезнесколько пластин. Промежуточные пластины растворяются вследствие поляризации ввозникающем электрическом поле.
Метод электрокоагуляцииобеспечивает высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей(минерального, органического и биологического происхождения) коллоидов(соединений железа, веществ, обусловливающих цветность воды и т. д.), а такжеотдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях. Существеннымпреимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки водыявляется возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений,занимающих значительные производственные площади. Эксплуатация установок можетбыть значительно упрощена вследствие того, что электрохимические процессы легкоподдаются механизации, управлению и автоматизации. Электрокоагуляция позволяетосуществлять процесс очистки воды в компактных, автоматически действующих и легкообслуживаемых установках и особенно удобна для небольших автономных объектов(на судах речного флота, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т. д.).
Современное развитиетеплоэнергетики, радиоэлектроники, целлюлозно-бумажного, текстильного и другихпроизводств предъявляет повышенные требования к качеству воды, особенно ксодержанию в ней соединений кремния, железа, кислорода, органических и другихвеществ. Однако, еще нет достаточно простых и высокоэффективных методовпредварительной подготовки воды. Высокая сорбционная способностьэлектрохимически получаемого гидроксида алюминия по отношению к загрязнениямводы и другие преимущества метода электрокоагуляции позволяют использовать егодля очистки технических, питьевых и сточных вод.
К числу недостатковметода следует отнести повышение расхода электроэнергии и металла на единицуобрабатываемой воды.
Литература
Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшениекачества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.
Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутыесистемы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.,1984.
Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производствои применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.
Вейцер Ю. М., Мииц Д. М.Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М.,1984.
Егоров А. И. Гидравлика напорныхтрубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.
Журба М. Г. Очистки воды на зернистыхфильтрах. Львов, 1980.