Физико-химическая сущность процессов

Электрокоагуляционный метод электрохимической обработки воды обеспечивает потерю кинетической и агрегативной устойчивости дисперсных систем.

В инженерной практике электрокоагуляторы используют для генерации и дозиро­вания в воду коагулянта, образующегося за счет электрохимического растворения ме­таллических электродов. Растворенные в воде минеральные и органические вещества и газа и чаще всего диссоциированы на ионы, а коллоидные и взвешенные вещества име­ют определенный заряд. Эти свойства обосновывают зачисление воды к электролитам.

При погружении в такую воду металлических электродов и подводе к ним напря­жения достаточной величины на поверхности электродов происходят электрохимичес­кие реакции, скорость которых определяется значением потенциала на границе «ме­талл - раствор», составом раствора и условиями диффузии в нем.

Схема движения ионов в электролизере

Выделение водорода на поверхности алюминиевого катода способствует переходу металла в активное состояние.

Протекание электрохимических процессов на металлических электродах сопро­вождается адсорбцией на них неорганических и органических веществ, которые могут замедлить или ускорить скорость электрохимических реакций.

Если электролиз сопровождается выделением на электродах пузырьков водорода или кислорода, то возможен перенос части легковсплываемых веществ из жидкости на ее поверхность. Такое явление называется «электрофлотация». На процесс растворения металлических электродов влияют pH, солевой состав и температура среды, состав эле­ктрических электродов, плотность тока, частоты смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространстве. В кислых и нейтральных средах наибольшую скорость электрохимического растворения имеют сплавы, в состав которых входит до 1% меди и марганца.

Последнее явление связано с образованием на поверхности алюминия окисной пленки в соответствии с реакцией

Степень активности алюми­ниевого электрода повышается при присутствии в воде хлор-ио­нов и, наоборот, с повышением концентрации сульфатов в воде приводит к уменьшению активи­рующего действия хлор-ионов.

С увеличением температуры воды скорость растворения пас­сивной окисной пленки возраста­ет, что способствует ее удалению с поверхности электрода. На рисунках приведены харак­теристики зависимости выхода алюминия по току от температуры воды и плотности тока. Химичес­кий состав обрабатываемой воды оказывает отрицательное влияние на растворение алюминия. В таблице приведены опытные данные выхода алюминия по току в %, в зависимости от материалов анода и катода электрокоагулятора и состава электролита.

Зависимость выхода алюминия по току от температуры при разных плотностях тока

1 - i - 2 ма/см²; 2 - i = 10 ма/см²

Зависимость выхода алюминия по току от плотности тока при разных температурах воды

1 - Т = 40^оС; 2 - Т = 2^оС

Влияние материала и солевого состава воды на растворение алюминиевого катода

Изменения анионного состава электролита оказывает влияние на процесс катодного растворения. Более быстро по сравнению с анодным протекает растворение катода в сульфатных и хлоридных растворах.

Переключение (последо­вательная смена) полярности способствует активации по­верхности электродов.

Количество металла, рас­творенного в каждой ячейке электрокоагулятора, уменьша­ется с увеличением числа элек­тродов. Однако удельные за­траты электроэнергии на рас­творение металла увеличива­ются с количеством электродов за счет увеличения потерь.

Опыты, проведенные в ИКХХВ АН Украины, показали, что при постоянных значениях концентрации электролита и рабочей плотности тока увеличение расстояния между эле­ктролитами от 5 до 50 мм не влияло на скорость катодного растворения алюминия. Ка­тодные отложения обычно представлены в процессах электрокоагуляции карбонатными соединениями. При повышении температуры воды происходит выпадение солей жест­кости в осадок.

Са(НС0₃)₂ → СаС0₃↓ + С0₂↑ + Н₂0,                                                     

Mg(HC0₃)₂ → MgC0₃↓ +C0₂↑ +Н₂0.                                                       

Наличие в воде катионов Na²⁺способствует образованию переходной области NaOH, реагирующей с бикарбонатами кальция и магния с образованием Na₂C0₃. Обра­зующаяся при этом сода вступает в реакцию с сульфидами, что приводит к образова­нию, в свою очередь, нерастворение солей типа СаС0₃. Воздействия и увеличения вы­хода по току в электрокоагуляторах достигают переключением полярности.

В последние годы используют электроды сложного состава - сплавов различных металлов или композиций различных металлов. Электрохимическое растворение спла­вов характеризуется большими, нежели для чистых компонентов, выходами по току.

Типы электрокоагуляторов и принцип их действия

Устройства для очистки воды электрокоагуляцией представляют собой безнапор­ные или напорные пластинчатые электролизеры горизонтального или вертикального ти­па. Пластины металла располагаются вертикально на расстоянии 3-20 мм одна от другой и удерживаются изолирующим вставками.

Безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы

а - горизонтальные; б - вертикальные; 1 - изолирующие вставки; 2 - электродные пластины; 3 - токоведущие вставки

С целью упрощения монтажа электрокоагуляторов и уменьшения потребляемой си­лы тока применяется биполярное подключение электродов, когда подвод тока осуществ­ляется не к каждой, а через несколько пластин. Промежуточные пластины растворяют­ся вследствие поляризации в возникающем электрическом поле.

Пластинчатые электролизеры в зависимости от расположения электродов и на­правляющих перегородок могут работать как многопоточные и как однопоточные. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно все промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). Для борьбы с пассивацией электродов иногда применяют однопоточную схему, при которой вода проходит по лабиринту, об­разуемому электродами (последовательное соединение каналов). В различных конст­рукциях электролизеров могут предусматриваться механическая, пневмогидравлическая или эрозионная (абразивным материалом) очистка электродов от образующихся на них в процессе работы осадков. Засорение межэлектроднго пространства в устройстве предотвращается расположенной внутри корпуса гребен­кой, между зубцами которой проходят электроды. В реакторе-электрокоагуляторе вода через трубу подается в эжектор и циркулирует в пространстве между электродами, охватывающими эжектор. Обработанная вода выходит из аппарата по тру­бе, установленной тангенциально по отношению к его корпусу. Особенности конструк­ции электролизера позволяют уменьшить поляризацию электродов, снизить расходы электроэнергии, улучшить гидравлические и физико-химические условия формирова­ния хлопьев коагулянта и осуществить очистку при помощи периодической подачи воз­духа. Использование в качестве электродов листового металла затрудняет широкое ис­пользование метода электрокоагуляции. Замена листового металла отходами в виде стружек, обрезков достигается при использовании электролизеров с засыпными элект­родами.

1   - корпус; 2 - вращающийся вал; 3 - электроды; 4 - шина; 5 - патрубок; 6 - перегородка

1 - корпус; 2 - эжекторная система; 3 - цилиндрические электроды; 4 - опоры; 5 - трубы для отвода воды; 6 - патрубок для опорожнения аппарата; 7 - труба для подачи воздуха; 8 - конус для отвода газов; 9 - труба для подачи воды; 10 - труба для подачи реагентов; 11 - труба для отвода газов.

Электролизер состоит из ряда ячеек, отделенных одна от другой сепараторами. Каждая ячейка заполняется металлическими опилками. Подвод осуществляется либо только к крайним электродам, либо к каждой ячейке. Предусмотрены специальные при­способления для уплотнения засыпки и смены полярности тока. При эксплуатации эле­ктрокоагулятора сепаратор забивается гидроокисью металла, в связи с чем значительно увеличивается гидравлическое сопротивление ячеек. Одной из разновидностей электро­лизеров с засыпными электродами является электрофильтр. Электрофильтр представляет собой прямоугольную раму, на которой укреплена катодная, стальная сетка с ячейка­ми 5x5 или 2,5x2,5 мм и анодный блок, засыпанный стальной стружкой. Для подвода то­ка к растворяющейся стружке используется сварная решетка из прутьев диаметром 14 мм и расстоянием между ними 20 мм. Засыпной электрод с двух сторон ограничен кап­роновой сеткой с ячейками 2x2 мм. Расстояние между засыпным анодом и сетчатым ка­тодом составляет 20 мм, анодная плотность тока - 2 МА/см².

Электролизер с засыпными электродами

1 - ванна электролизера; 2 - неэлектро­проводные торцевые пластины; 3 - вин­ты для уплотнения засыпки; 4 - диафраг­мы; 5 - засыпка из металлических опи­лок; 6 - токоподводы; 7 - подвод и отвод воды; 8 - циркуляционный насос.

Электрофильтр устанавливают перед камерой флотации поперек потока, и вода, фильтруясь через него, насыщается ионами железа и пузырьками водорода.

Однако применение засыпных электролизеров таких типов для обработки воды имеет ряд существенных недостатков: пассивация анодов и снижение выхода металла по току; накопление между стружками гидроокисей металлов с адсорбированными на них загрязнениями, что приводит к их слипанию и цементации; увеличение напряжения и расхода электроэнергии за счет увеличения сопротивления ячеек и необходимость специальной обработки материала стружек с целью удаления с их поверхности масел и других веществ.

Вернуться к списку