Расчет электрокоагуляторов

Исходными данными для расчета электрогенератора коагулянта (ЭКГ), как прави­ло, являются производительность установки (Q, м³/ч), состав исходной воды (тип и кон­центрации примесей, подлежащих удалению), состав воды после обработки или сте­пень очистки воды по основным загрязняющим веществам.

При проектировании ЭКГ осуществляют:

• выбор материала электродов;
• оценку дозы генерируемого коагулянта;
• выбор рабочей плотности тока;
• расчет и оценку рабочего тока - I_раб, и рабочего напряжения - U_pa6;
• подбор источника тока;
• расчет габаритов электролизной ванны;
• расчет газовыделения;
• расчет тепловыделения.

Выбор материала электродов не равнозначен выбору типа коагулянта. Поэтому в каждом конкретном случае рекомендуется проведение пробной коагуляции.

Технологические параметры работы коагулятора

При электрокоагуляции генерация коагулянта происходит за счет растворения ме­таллических рабочих электродов. Электрохимическое растворение металлов включает в себя две основные группы процессов: анодное растворение за счет действия электриче­ского тока и химическое растворение в результате взаимодействия материала электрода с окружающей средой (водным раствором).

Анодное растворение металла под действием электрического тока - это процесс окисления материала анода, приводящий к образованию ионов металла (Ме⁺ⁿ) на грани­це раздела двух фаз: твердой - электрод и жидкой - обрабатываемая среда.

Сила тока определяется величиной потенциала электрода, скоростью отвода про­дуктов реакции и скоростью взаимодействия продуктов реакции с элементами окружа­ющей среды.

Величина рабочего тока (I_раб) может быть определена по формуле

I_раб=M_k*n*F/(M_Me*t*η)

где М_к - масса выделяемого коагулянта; М_Ме - грамм-молекулярный вес металла (алю­миния М_м = 27, железа M_Fe= 56), г/моль; F - число Фарадея, F = 96 500 Асек/моль =26,8 Ач/моль; I_раб - сила тока, А; η - КПД выхода по току (обычно η = 0,8-0,9); n - ва­лентность выделяемых в раствор ионов металла; t= 1 - расчетная время, часы.

Определенный таким образом рабочий ток позволяет в первом приближении оце­нить структуру электрогенератора коагулянта. Например, выполнить его секционным, когда секции, работают параллельно друг другу, если I_раб превышает величину 2500-3000 А.

Рабочее напряжение электрогенератора коагулятора (U_pa6) складывается из следу­ющих основных составляющих: разность между равновесными электронными потен­циалами анода (ф_а) и катода (ф_к) с учетом перенапряжения протекающих анодных (η_а) и катодных (η_к) реакций; падения напряжения на переопределение электрического сопро­тивления обрабатываемого раствора (U_pacт),падения напряжения на материале электро­дов (U_a, U_к), падения напряжения на контактах (U_конт) и токоподводящих шинах (U_ш)

U_раб=(ф_а-ф_к+η_а+η_к) + U_раст+U_a+U_к+U_конт+U_ш

В результате технологического и конструктивного расчета пластинчатого электро­лизера по заданному качеству исходной и очищенной воды и ее расходу определяют: до­зу алюминия, силу тока, необходимую для осуществления процесса электрохимической очистки, площадь и толщину электродов, выбирают систему соединения электродов, определяют размеры электролизера, а также электрические параметры, необходимые для выбора электрооборудования.

Необходимая доза алюминия определяется по его удельным расходам на удаление отдельных загрязнений и уточняется пробным электрокоагулированием.

Толщина электрода принимается по конструктивным соображениям. Ширину од­ного электрода b(м) и его площадь S определяют, учитывая конструктивные соображе­ния и задаваясь определенной скоростью движения воды v (м/ч), расстоянием между электродами l (м) и количеством пластин N.

Падение напряжения в растворе (U_pacm) для бездиафрагменных электролизных ап­паратов вносит наиболее существенный вклад в суммарное падение напряжения.

Среднее газосодержание межэлектродного пространства составляет Г = 0,01-0,04 и незначительно влияет на электропроводность. Однако при малых расстояниях между электродами (менее 5 мм) влияние газосодержания может резко возрастать и его учет становится обязательным.

Удельное сопротивление и допустимые плотности тока для основных токопроводящих материалов

Схемы подключения электродов

а) монополярная, б) биполярная, в) комбинированная.

Биполярное соединение (расчетное рабочее напряжение находится в пределах 2-5В), сни­жая рабочие токи, требует повышения рабочих напряжений на источнике питания установки. При этом необходимо учитывать, что макси­мальное допустимое напряжение на электричес­кой ячейке не должно превышать 36 В.

Комбинированные схемы позволяют опти­мизировать нагрузки на источнике питания и повысить КПД используемых выпрямительных агрегатов.

Габаритные размеры ЭГК могут быть рас­считаны на базе результатов выбора материала рабочих электродов, подбора необходимой дозы коагулянта - Д_к, г/м³, результатов вы­бора рабочей плотности тока - i_pa6,А/м², расчетного рабочего тока установки I_раб, А, и заданной производительности установки, Q, м³/ч.

Одним из основных условий оптимальной работы электролизера является то, что проходное сечение межэлектродного зазора (S_np) должно при заданной производитель­ности Q обеспечивать турбулентный режим течения жидкости.

Чаще всего на практике для генераторов коагулянта используют проточные аппара­ты с продольным, восходящим или нисходящим направлением движения жидкости и набором плоскопараллельных электродов в рабочей зоне аппарата.

Расчетная схема генератора коагулянта

Кроме аналитического метода, расчета основных параметров аппаратов электрохи­мической генерации коагулянта в практике используют и графические методы расчета.

На рисунках ниже приведены номограммы для определения основных, конструк­тивных параметров электрореакторов в зависимости от необходимой производительно­сти оборудования и основных электрохимических характеристик рабочих материалов.

Использование графического метода расчетов позволяет с достаточной точностью получить необходимые конструктивные параметры аппаратов.

Подбор необходимых источников тока для питания электрогенераторов коагулянта производится на основании величин рабочих токов и рабочих напряжений, необходи­мых для обеспечения нормального фунционирования аппаратов.

В процессе генерации коагулянта на анодах электрохимического генератора коагу­лянта или электрокоагулятора на катодах происходят процессы восстановления присут­ствующих в обрабатываемом потоке компонентов. Такими компонентами могут быть катионы различных металлов, недиссоциированные молекулы примесей или молекулы воды. Последние вносят основной вклад в совокупность протекающих катодных про­цессов. При этом продуктом катодного восстановления является газообразный водород.

Нижний предел взрывоопасной концентрации водорода в смеси с воздухом соответ­ствует 4,0 объемного процента. Предельно допустимая взрывобезопасная концентрация (ПДВК) водорода для производственных помещений, согласно СНиП II-M.2-72, прини­мается равной 10% от нижнего предела взрываемости, т.е. 0,4 объемного процента.

Номограмма для определения основных конст­руктивных параметров элект­рореакторов в зависимости от расхода воды и электричес­ких параметров их работы

Номограмма для расчета скорости движения воды в межэлектродном пространстве электрореактора с плоскопараллельными электродами

Номограмма определения расхода металла электродов

Расчет концентрации водорода в производственном помещении (С_вод) должен учи­тывать объем помещения (V_пом), часовую кратность воздухообмена в нем за счет уже су­ществующей или проектируемой вентиляции (К_в.о) и объем водорода, попадающего в атмосферу при работе электрохимического генератора коагулянта (V_атм).

При достижении температуры воды, недопустимой по техническим или эксплуата­ционным параметрам при работе аппарата, в конструкции электролизера должна преду­сматриваться система охлаждения рабочих потоков (например, охлаждающие рубашки или встроенные теплообменники) и система регулировки температурного режима.

Эффективность электрокоагуляционной водообработки

Многолетний опыт применения электрокоагуляционной и электрофлотационной обработки природных и сточных вод позволяет оценить рациональную область их ис­пользования в различных технологических процессах.

Применительно к очистке природных вод ее используют в основном в промышленно­сти, а также в малодоступных регионах страны, на станциях небольшой производительно­сти и в отдельных локальных установках для целей хозяйственно-питьевого водоснабже­ния. Электрокоагуляция позволяет отказаться от завоза и громоздкой технологии приготов­ления химических растворимых водой реагентов, ускорить процесс хлопьеобразования, совместить их с флотацией и др. Имеются достаточно обширные результаты испытаний электрокоагуляционной обработки цветных вод поверхностных водоисточников.

Исследования по электрохимическому коагулированию маломутных цветных вод в зарубежных странах (Англия, Голландия, США), в России (Ярославский и Санкт-Петер- бургский водопроводы), на Украине (Деснянская станция г. Киева) с использованием железных и алюминиевых (в основном пластинчатых) электродов показали достаточно высокую эффективность этого метода при относительно небольших затратах электрод­ного материала и электроэнергии. При цветности исходной воды в интервале 60-250 °Р1-Со шкалы и мутности 5-15 мг/л, при обработке воды с изменением pH в ин­тервалах 5-10, с дозами по А1⁺³ 1-25 мг/л, плотностях тока i = 1-10 МА/дм², напряже­нии на электродах от 2,1 до 10 В и расходе электроэнергии 0,1-0,5 кВт ч/м³ эффект обес­цвечивания достигает 70-80%. Предварительное хлорирование воды с дозой до 2 мг/л не сказывалось на растворимости и пассивации железных электродов. В то же время ис­пользование железных анодов расход материала наблюдался в 3-5 раз больше по срав­нению с алюминиевыми анодами при остальных одинаковых условиях испытаний. При этом при цветности исходной воды до 90° Рl-Со шкалы и окисляемости до 10-12 мг 0₂/л расход алюминия составил от 4 до 7 г, а электроэнергии - до 40 Вт-ч/м³ воды. На­ибольший эффект снижения цветности и окисляемости наблюдался через 30-40 минут после начала электрокоагулирования.

При повышении температуры воды заметного увеличения эффекта обесцвечивания не наблюдалось. Зато эффект вырастает при более низких значениях pH (3,5-6,5) и уве­личении плотности тока на электродах от 0,1 до 10 МА/см². Помимо обесцвечивания природных вод в практике водоподготовки методы электрокоагуляционной и электроко- агуляционно-флотационной обработки нашли применение при обезжелезивании воды, удалении водорослей, кремния, кислорода. Применение электрокоагуляции эффективно и целесообразно и в тех случаях, когда из воды необходимо удалить не только соедине­ния железа, но и органических взвешенных веществ, водорослей, соединения кремния и др.

Образующиеся в процессе электролиза гидроокиси алюминия способствуют одно­временно осаждению взвешенных веществ и гибели бактерий. Метод обеззараживания воды электролизом реализуют с применением графитовых, платиновых, медных и дру­гих электродов. Установлено, что при электрокоагуляции воды дозами 5-10 мг/л по А1³⁺ происходит уничтожение бактерий (в основном споровых форм) на 90-95%.

Процессы электрокоагуляционной водообработки воды с различным составом при­месей во многом зависят от таких физико-химических параметров воды, как температу­ра и pH.

Так, при pH > 8,2 и дозах алюминия 2,5-5,0 мг/л содержание железа в количестве 10 мг/л после водообработки уменьшилось в 2 раза по сравнению с pH < 7,0 при оди­наковых электрических параметрах работы установки.

При обосновании применения данного метода в конкретных областях водоочистки в любом случае оптимальные конструкции электролизеров и оптимальные параметры их эксплуатации должны определяться на основе технологического моделирования этих процессов на конкретной воде с учетом технико-экономических показателей.

Вернуться к списку