Электрохимическое коагулирование

Для осуществления процесса коагуляции в воду могут быть введены вместо коагулянтов ионы тяжелых металлов, полученные электрохимическим путем. Для этого воду пропускают через электролизер — аппарат с опущенными в него электродами — анода (из алюминия или железа) и катода. Питание электролизера осуществляется от постоянного или переменного источника тока. При применении растворимых металлических электродов электродный процесс сопровождается рядом электрохимических явлений и реакций. Их скорость по законам электрохимической кинетики определяется общим значением потенциала на границе металл—раствор, составом воды и условиями диффузии в ней компонентов или продуктов реакции. В процессе электролиза на электродах восстанавливаются или окисляются компоненты электролита. В переносе тока принимают участие все находящиеся в воде ионы, а также имеющие заряд коллоидные и взвешенные частицы.

По С. В. Яковлеву и Я.Д. Раппопорту коллоидные и взвешенные частицы в связи с малой подвижностью переносят незначительную часть электричества. В основном перенос электричества в 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

где А — атомная масса металла; F — число Фарадея (96500 Кл); I — сила тока, A; t — время прохождения 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 окружающей средой. Растворению металла анода способствуют повышение температуры воды, присутствие в ней ионов-депассиваторов, наложение постоянного электрического тока, повышение скорости движения воды по отношению к поверхности металла. Поэтому выход алюминия по току может достигать 120% и более. В соответствии с теорией электрохимической коррозии при использовании в качестве анода железа или алюминия природной воде протекают реакции анодного растворения и образования гидроксидов этих металлов. На катоде из железа или алюминия в природной воде происходят деполяризация мигрирующими ионами, деполяризация нейтральными молекулами, восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, а также органических соединений. На алюминиевом катоде при рН 10 . 12 в прикатодном слое вероятна реакция взаимодействия алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия и водорода во время электролиза и растворения защитной пленки оксида алюминия. Из вышеуказанных катодных процессов в природной воде главенствующим является водородная и кислородная деполяризация.

Электрохимические процессы на металлических электродах сопровождаются адсорбцией на них неорганических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлять электрохимические реакции, выделением на электродах пузырьков водорода, кислорода, которые способны выносить вещество из жидкости на поверхность (электрофлотация), электрофорезом (движение в воде взвешенных твердых и коллоидальных частиц, пузырьков газа) и другими явлениями.

С. В. Яковлев и П. П. Строкач, Я.Д. Раппопорт указывают, что на процесс растворения электродов влияют физико-химические, электрические и гидродинамические факторы: активная реакция среды, ее солевой состав, температура, состав электрода, плотность тока, частота смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространстве и др. Важное значение при электрокоагуляции имеет плотность тока. Наиболее эффективна работа электролизера при высоких плотностях тока, поскольку при этом более полно используется их емкость и рабочая поверхность электродов. Вместе с тем при повышении плотности тока возрастают поляризационные явления и пассивация электродов, что приводит к увеличению напряжения и потерям электроэнергии на побочные процессы. С увеличением плотности тока возрастает скорость химического растворения алюминия и тем в большей степени, чем меньше его частота. Рекомендуется плотность тока в пределах 0,5 .

20 мА/см2, расстояние между электродами 10 . 15 мм. По мнению Л. А. Кульского, П. П. Строкача и В. А. Слипченко эффективной плотностью тока для удаления из воды большинства загрязнений может быть 1 .4 мА/см2, рабочее напряжение на электродах установок не должно превышать 40 В.

Для предотвращения образования осадка на электродах рекомендуется менять на них полярность тока, что не всегда эффективно, так как в период переключения полярности резко снижается выход алюминия по току и трудно удаляются осадки на электродах.

Окисление металлов электродов при электролизе осложняется наступлением пассивного состояния в результате формирования оксидной пленки. При этом потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Активность алюминиевого анода в значительной мере зависит от природы и концентрации присутствующих в воде анионов. Из всех анионов на активность алюминиевого анода более всего влияет хлорид- ион. Сущность активизирующего действия хлорид-ионов связана с их небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результате чего она разрушается. Катализация растворения алюминиевого анода хлорид- ионами также объясняется сильным замедлением процесса образования оксидной пленки, связанной с адсорбционным вытеснением кислорода.

Повышение концентрации сульфатов по отношению к постоянной концентрации хлоридов приводит к полному угнетанию активизирующего действия хлорид-ионов на оксидную пленку.

Повышение температуры воды препятствует формированию осадков на электродах, повышает скорость растворения пассивной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленка становится рыхлой и свободно удаляется с поверхности алюминия. Значительно возрастает разрушение оксидной пленки в присутствии хлорид-ионов, сорбция которых на алюминии с повышением температуры увеличивается.

Растворение 1 г металлического алюминия эквивалентно введению в воду 12,3 г A12(S04)3*18Н20, растворение 1 г металлического железа — введению 4,8 г FeCl3*6H20 или 4,9 г FeS04*7H20. Большинство аппаратов для очистки воды электрокоагуляцией представляет собой безнапорные пластинчатые электролизеры. горизонтального или вертикального типа. Пластины или кольца металла располагают вертикально на расстоянии 3 .20 мм одна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электрический ток подводится к каждой пластине(рис. 3.6). Для упрощения монтажа электрокоагуляторов и уменьшения потребляемой силы тока применяют биполярное подключение электродов, т. е. подвод тока не к каждой пластине, а через несколько пластин. Промежуточные пластины растворяются вследствие поляризации в возникающем электрическом поле.

Метод электрокоагуляции обеспечивает 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 также отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях. Существенным преимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки воды является возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений, занимающих значительные производственные площади. Эксплуатация установок может быть значительно упрощена вследствие того, что электрохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматизации. Электрокоагуляция позволяет осуществлять процесс очистки воды в компактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках и особенно удобна для небольших автономных объектов (на судах речного флота, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т. д.).