Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Электрохимическая деструкция примесей сточных вод

 

Реакции электрохимического окисления и восстановления включают в себя широкий круг процессов – от простейшей ионной перезарядки до сложных превращений, лежащих в основе глубокой минерализации содержащихся в сточных водах трудноокисляемых органических примесей.

Существует несколько точек зрения о механизме процессов электрохимической деструкции. Механизм катодного восстановления существенно зависит от потенциала катода. С повышением катодного потенциала, с одной стороны, увеличивается потенциальная энергия и восстановительная способность атомарного водорода, выделяющегося на поверхности электрода. С другой стороны, металлы с низким перенапряжением образуют прочную металл-водородную связь, а с высоким перенапряжением – относительно слабую. Так, восстановление кетона до спирта на ртутном катоде при относительно низком потенциале может быть представлено схемой

O O O OH

½½ ½ ½ H+ -2e ½ Н+

R2C ® R2C + ® R2C ¾® Me ® R2C: ¾® R2CHOH

Заряженная изомерная форма притягивается к катоду, где атом кислорода, имеющий неподеленную пару электронов, соединяется с водородом. Благодаря прочности связи металл-протон заряженная молекула при относительно низком катодном потенциале удерживается на электроде в течение времени, достаточном для перехода двух электронов, в результате образуется спирт.

 

 

При более высоком потенциале катода может протекать процесс

 

O H+ -e OH

R2C ¾¾ R2C· OH OH

O Me R2C ¾ CR2

R2C ¾¾ R2

H+ -e OH

 

При этом заряженная форма благодаря слабости связи металл-протон удерживается на катоде лишь в течение времени, достаточного для перехода только одного электрона к углероду, в результате чего образуется свободный радикал, который, соединяясь с другим радикалом, образует пинакон.



Образование радикалов может происходить и при анодных реакциях электроокисления, в качестве промежуточных продуктов. Анодное окисление во многом аналогично действию сильных окисляющих агентов, однако механизм электроокисления пока еще недостаточно изучен. Наибольшее применение при очистке сточных вод находят процессы окисления органических примесей с использованием нерастворимых анодов. Предполагают, что в водных растворах гидроксидные ионы разряжаются при низком потенциале, образуя гидроксидные радикалы, обладающие сильным окислительным действием:

2OH - 2e ® 2OH· ® окисление

Так, при электролизе на медном аноде реакция окисления формальдегида протекает с образованием водорода:

HCHO + O ® CO2 +H2 + 2

Окисление сложных органических веществ может происходить в несколько стадий, например окисление фенантрена:

Окисление последовательно протекает с образованием фенантрахинона, дифеновой кислоты и до бензойной кислоты. Направление реакции зависит от плотности тока, материалов электродов, природы подвергаемых электролизу исходных продуктов, температуры, состава электролита.

Необходимо учитывать не только реакции, протекающие на электродах, но и химические превращения, происходящие в объеме электролита. При наличии в растворе хлорид-ионов процессы деструкции могут протекать из-за образования при электролизе так называемого «активного» хлора и продуктов его гидролиза ( Cl2, HClO, Cl2O, ClO-, ClO3-).

Важным условием эффективного проведения процесса электрохимической деструкции является выбор материала электродов. В качестве катодов рекомендуют использовать практически любые материалы, обладающие достаточной электропроводностью: нержавеющую сталь, железо и др. При выборе материала анода необходимо учитывать возможность растворения или пассивации большинства металлов в условиях анодной поляризации. Поэтому часто выбирают графит. Однако графит достаточно порист, раствор проникает в поры, процесс электролиза протекает не только на поверхности, но и в самом электроде, что приводит к разрушению электродов. Например, при электрохимической очистке фенолсодержащих стоков износ графитовых анодов достигает 15 г на 1 м3 обрабатываемой воды. Следовательно, требуется очистка воды от диспергированных частиц графита, поэтому рекомендуют применять пропитку анодов смолами. Все большее применение находят малоизнашивающиеся электроды на основе титана, циркония, тантала.

В зависимости от условий работы на аноде могут выделятся: кислород при разложении гидроксид - ионов, хлор при разряде хлорид-ионов или может происходить адсорбция и окисление органических соединений. На катоде в основном происходит восстановление водорода, выделение его в виде газа, а также восстановление катионных групп молекул органических соединений. Образующийся атомарный кислород частично вступает в окислительные реакции с органическими молекулами, частично ассоциируется, растворяется в воде или выделяется в виде газа. Хлор в сильнокислых средах выделяется в виде газа, в слабокислых, нейтральных и сильнощелочных средах гидратируется с образованием гипохлорит-ионов. Возможно образование хлорат- и перхлорат-ионов, обладающих сильными окислительными свойствами.

В нейтральной и слабокислой средах разложение «активного» хлора протекает по механизму

ClO- + HClO ® O2 +2Cl- + H+

HClO + 2ClO- ® ClO3- + 2Cl- + H+

В кислой среде возможны реакции:

2HClO ® 2Cl- + O2 + 2H+

3HClO ® ClO3- + 2Cl- + 3H+

В щелочной среде:

ClO- + ClO- Û ClO2- + Cl-

ClO2- + ClO- Û ClO3- + Cl-

ClO- + ClO- ® 2Cl- + O2

Самоокисление гипохлоритной системы и образование хлората – сравнительно медленный процесс. Условия, при которых разложение гипохлорита с образованием кислорода значительно ускоряется, приводят к быстрому уменьшению концентрации тех составляющих, окисление которых ведет к образованию хлората. Скорость кислородного разложения активного хлора значительно возрастает с повышением температуры, при наличии в растворах легкоокисляемых органических примесей, в присутствии катализаторов. В щелочной среде скорость переноса кислорода в 50 раз меньше, чем в кислой и нейтральной средах, что отражается на процессах окисления. Для создания условий эффективного окисления органических загрязнений необходимо иногда вводить поваренную соль в растворы.

Процессы электрохимической деструкции могут использоваться для разрушения красителей, ПАВ, фенолов, цианидов и т.д. Например:

 

CN- + ClO- ® CNO- + Cl-, CNO- + ClO- ® CO2 + N2 + Cl-,

CH ¾ COOH

C6H5Cl + 8ClO- ® ½½ + 8Cl- + 2CO2 + 2H2O,

CH ¾ COOH

CO(NH2)2 + 3ClO- ® CO2 + N2 + 3Cl- + 2H2O

При окислении красителей основная часть их минерализуется до CO2, H2O, азота или аммиака, сульфат-ионов, часть – до ароматических веществ. Например, кислотный ярко оранжевый краситель может окислиться и до хлоранила и соли Шеффера.

Необходимо отметить, что концентрация активного хлора после электролиза составляет 60 - 100 мг/л, сток обесцвечивается на 90 - 95 %, ХПК уменьшается на 70 % за 2 ч. Остаточное содержание Cl2 после процесса достигает 15 мг/л, что требует дехлорирования воды.

 

Электродиализ

 

Разделение и концентрирование ионных примесей в водных растворах может проводиться методом электродиализа. Сущность метода состоит в использовании направленного движения ионов в растворе в соответствии со знаками их зарядов под действием разности потенциалов, приложенной к электродам.

Принцип метода можно проиллюстрировать на примере аппаратов с тремя камерами. Разделение аппарата производится с помощью двух селективных мембран. Две крайних камеры являются электродными камерами, концентрирующими соответствующие ионы. Таким образом можно получать очищенную воду в среднем отделении (рис. 6.5). Процесс электродиализа объединяет явления электролиза, включающего разряд ионов и их транспорт к поверхности электродов, диализа и осмоса.

В растворе поваренной соли происходит электролиз, электрические заряды от катода к аноду переносятся ионами OH- и Cl-, а от анода к катоду – ионами Na+ и H+. Ионы Na+ и Cl- уходят из среднего отделения в электродные камеры, а ионы OH- и H+ поступают соответственно из анолита и католита в среднее отделение, что приводит к опреснению воды в этом отделении.

Рис. 6.5. Схема изменения концентрации растворов в ячейках трехкамерного аппарата для электрохимического обессоливания воды

 

Через мембраны может происходить диффузия как электролита из среднего отделения в электродные камеры, так и кислоты и щелочи в обратном направлении. Количество вещества, диффундирующего в единицу времени, зависит от коэффициента диффузии и разности концентраций по граням мембраны. По мере увеличения щелочности и кислотности в электродных камерах в процессах переноса все в большей степени начинают принимать участие ионы OH- и H+, образующие в среднем отделении воду. В практических условиях часть тока расходуется на обратный перенос ионов, а также повторный вывод этих ионов из среднего отделения, что снижает выход по току.

Повышение эффективности обессоливания воды может быть достигнуто за счет высоких ионоселективности и проводимости мембран, малой скорости свободной диффузии, низкой осмотической проницаемости мембран. Такими качествами обладают ионообменные мембраны с фиксированными зарядами: мембраны, имеющие отрицательный заряд и проницаемые для катионов (катионитовые), и мембраны с положительным зарядом и проницаемые для анионов (анионитовые). Мембраны изготавливаются из органических ионообменных смол без основы или на основе капроновых, нейлоновых и других тканей. Это – практически нерастворимые в воде соли, кислоты или основания, активные группы которых способны к обменным реакциям. Они могут быть гомогенными, гетерогенными и пропиточные. Гомогенные, в свою очередь, подразделяются на поликонденсационные, полимеризационные, активированные и пленкообразующие. Гетерогенные изготавливаются прессованными и пропиточными.

В капиллярах мембран, находящихся в электрическом поле, могут происходить электроосмотические явления. Это – движение жидкости относительно неподвижной перегородки, несущей заряд. Направление переноса жидкости определяется знаком заряда стенки капилляров мембраны. Если анодная мембрана заряжена положительно, то будет происходить перенос жидкости из среднего отделения в анодную камеру, а при отрицательном ее заряде - в обратном направлении. Электроосмос изменяет не только объем раствора в среднем отделении аппарата, но и приводит к изменению его концентрации, так как электроосмотически переносится не только чистая вода, но и раствор электролитов.

Скорость удаления ионов из среднего отделения при электродиализе выражается уравнением

, (6.18)

где – объем жидкости; J – сила тока; – коэффициент диализа; – площадь мембран; DC – разность концентраций.

Из этого уравнения может быть определена продолжительность электродиализа

(6.19)

где – рабочий объем раствора.

Приведенное уравнение допускает, что электричество полностью расходуется на удаление ионов электролита. Однако в переносе электричества через мембраны принимают участие не только анионы и катионы электролита, удаляемые из среднего отделения, но и ионы OH- и H+, поступающие из электродных камер. По этой причине выход по току снижается. Он определяется по формуле

(6.20)

Электродиализные установки применяются в первую очередь для опреснения морской воды, частично для очистки стоков и отработанных растворов, например травления сталей.

 

Электрофорез

 

Электрофорез применяется для очистки воды в целях удаления различных компонентов: органических веществ, ПАВ, взвешенных частиц, масел, водорослей, оксидов железа и других загрязнений. Электрофорез рекомендуют использовать для доочистки сточных вод после биологической очистки. Электрофоретический метод основан на транспорте заряженных частиц в электрическом поле и особенно ценен для агрегативно устойчивых коллоидных загрязнений, имеющих высокое значение электрокинетического потенциала. В таких средах другие методы очистки, типа коагуляции, не дают высокого эффекта.

Электрофорез с плоско параллельными никелевыми или алюминиевыми электродами, расположенными на расстоянии 15 - 20 мм друг от друга, при напряженности поля 15 - 40 В/см приводит к образованию на аноде электрофоретического осадка, толщина которого увеличивается в направлении сверху вниз. Осадок частично отделяется от электрода за счет газовыделения и в форме крупных хлопьев собирается на дне ячейки. При высоких величинах силы тока может не происходить образование осадка на электродах. При этом в приэлектродном пространстве происходит электрохимическая и коллоидно-химическая коагуляция, но и в этом случае вклад электрофореза определяющий, так как обеспечивается транспорт частиц в локальную зону повышенной концентрации электролита. В этой зоне и протекает процесс концентрационной коагуляции нерастворимых примесей.

При создании электрического поля отрицательно заряженные взвешенные и коллоидные частицы движутся к аноду через фильтр в направлении, противоположном движению воды. При условии, что скорость электрофоретического переноса частиц больше скорости фильтрования воды, частицы загрязнений проходят через фильтр, в результате чего образуется очищенная вода. Перед мембранами в отделениях исходной воды каждой камеры происходит концентрирование частиц. Под действием потока исходной воды и сил тяжести загрязения удаляются по трубопроводам. Для иллюстрации приведем схему электрофоретического аппарата (рис. 6.6).

Многокамерный аппарат для электрофореза состоит из рамок для распределения воды, мембран и фильтров, зажатых между пластин. В пластины вмонтированы электроды: платиновый анод и графитовый катод. Вся система стянута болтами. В торцевых пластинах имеются отверстия со штуцерами для подвода и отвода воды. Камеры, образуемые рамками, отделены друг от друга мембранами, способными пропускать ионы солей и задерживать частицы. Каждая камера разделена фильтром на два отделения – исходной и очищенной воды. В качестве фильтров используют различные пористые неметаллические материалы: фильтробумагу, нитроцеллюлозу и т.д.

При электрофорезе используются невысокие напряжения, а процесс управляется путем регулирования электроповерхностных свойств дисперсных частиц, например изменением pH. Оптимальными условиями разделения фаз, согласно экспериментальным данным, является напряжение 50 - 60 В при продолжительности процесса 60 - 120 с, т.е. значительно меньшем, чем в других способах. Нормальная работа аппаратов обеспечивается при постоянстве расхода воды и ламинарном режиме ее движения вдоль мембран и фильтров. Подача воды и отвод ее должны осуществляться ближе к мембране и дальше от фильтра. Отсутствие или недостаточная промывка (продувка воды) из аппарата может привести к постепенному накоплению загрянений и снижению эффективности очистки.

Расход воды на продувку составляет не менее 15 % от общего расхода воды. За счет образования щелочного католита и кислого анолита в электродных камерах и диффузии ионов H+ и OH- через мембраны в рабочие камеры может изменяться pH очищенной воды и ее надо регулировать.

Электрофорез – перспективный метод для очистки окрашенных вод с малым солесодержанием. Так, затраты энергии при очистке воды с цветностью 150 град составляют около 0,6 кВт×ч/м3. Повышение солесодержания исходной воды приводит к увеличению расхода энергии на очистку.

 

 

Рис. 6.6. Схема многокамерного электрофоретического аппарата:

1 – подача исходной воды; 2 – отвод промводы и газов электродиализа; 3 – электродная камера; 4 – рабочая камера; 5 – отвод очищенной воды; 6 – заполнение и промывка электродных камер; 7 – отвод концентрированной фракции; А – анод; К – катод; М – мембрана; Ф – фильтр

 

 


 

Библиографический список

 

1. Аюкаев Р.И., Мельцер Н.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. – Л.: Стройиздат, 1985.

2. Грушко Л.М. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах. – Л.: Химия, 1982.

3. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. – М.: Стройиздат, 1977.

4. Запольский А.К., Барон А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. – Л.: Химия,1987.

5. Кульский Л.А., Гороновский И.Т., Когановский А.М., Шевченко М.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды:32 ч. – Киев: Наукова думка, 1980.

6. Краснобородько И.Г. Деструктивная очистка сточных вод от красителей. – Л.: Химия, 1988.

7. Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990.

8. Ласков Ю.М., Федоровская Т.Г., Жмаков Г.Н. Очистка сточных вод предприятий кожевенной и меховой промышленности. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.

9. Лапин В.Л., Мартинсен А.Г., Попов В.М. Основы экологических знаний инженера. – М.: Экология, 1996.

10. Мельников Б.И. Прогресс текстильной химии. – М.: Легпромбытиздат, 1988.

11. Мацнев А.И. Очистка сточных вод флотацией. – Киев.: Будивельник, 1976.

12. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. – М.: Высшая школа, 1987.

13. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. – Л.: Химия, 1977.

14. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: Химия, 1989.

15. Яковлев С.В., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. – Л.: Стройиздат, 1987.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………………..
Введение……………………………………………………………
1. Осветление промышленных сточных вод……………….
1.1.. Дисперсные системы…………………………………………
1.2. Осветление сточных вод под действием сил тяжести………
1.3. Технологическое моделирование процессов осветления…... 1.4 Основы процессов осветления воды в поле центробежных сил …………………………………………………………………. 1.5 Выделение грубодисперсных частиц из сточных вод……….  
2. Коагуляция примесей сточных вод……………………...
2.1. Устойчивость дисперсных систем…………………………...
2.2. Гидролиз солей, используемых в качестве коагулянтов……
2.3. Механизм процессов очистки сточных вод коагулянтами…
2.4. Особенности применения различных солей в качестве коагулянтов…………………………………………………………….  
3. Теоретические основы флокуляции……………………...
3.1. Механизм флокуляции………………………………………..
3.2. Кинетика флокуляции………………………………………...
3.3. Флокулянты и области их применения……………………...
3.4. Технологические основы очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией примесей………………………………………  
4. Флотационное осветление сточных вод…………………
4.1. Технологические основы флотационного процесса………..
5. Очистка воды фильтрованием…………………………...
5.1. Кинетика осветления воды фильтрованием…………………
5.2. Технологические основы очистки стоков фильтрованием…
5.3.Фильтрующие материалы……………………………………..
5.4. Обезвоживание осадков и шламов…………………………..
6. Электрохимические процессы в очистке сточных вод…
6.1. Теоретические основы электрохимических процессов……..
6.2. Основные электродные процессы, протекающие при очистке природных и сточных вод…………………………………...  
6.2.1. Катодные процессы…………………………………………
6.2.2. Анодные процессы………………………………………….
6.2.3. Электрохимические процессы восстановления и окисления…………………………………………………………………..  
6.3. Коагуляция частиц в электрическом поле…………………..
6.4. Электрокоагуляция со стружечными электродами. Гальванокоагуляция……………………………………………………….  
6.5. Электрофлотация……………………………………………...
6.6. Электрохимическая деструкция примесей сточных вод …...
6.7. Электродиализ………………………………………………...
6.8. Электрофорез………………………………………………….
Библиографический список………...……………………………..

 

 


 

 

Панов Виктор Петрович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

(Выделение примесей сточных вод)

Часть 1

Учебное пособие

Редактор Н.А. Ерина

 

Изд. лиц. №000285 от 21.10.99.

Подписано к печати 20.12.2002 г. Формат 60´841/16. Печать графическая

Уч.-изд. л. 6,8 Заказ . Тираж 150

Отпечатано в РИЦ СПГУТД

191028, С.-Петербург, ул. Моховая, 26






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.