способ очистки сточной воды от взвешенных веществ

Формула изобретения

Способ очистки сточной воды от взвешенных веществ, включающий обработку ее в диафрагменном электрокоагуляторе с электродами и ионообменной мембраной в присутствии минеральной кислоты при подаче в катодную камеру кислородсодержащего газа, отличающийся тем, что в качестве ионообменной мембраны используют анионообменную мембрану, а в качестве электродов - засыпную гальваническую пару, образованную алюминиевым анодом и графитовым катодом, замкнутыми между собой внешней электрической цепью, обработку ведут в анодной камере при подаче в нее раствора щелочи до концентрации 0,015 0,025 н, а в катодную камеру раствора минеральной кислоты до концентрации 0,015 - 0,025 н.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке сточных вод от взвешенных веществ и может быть использовано на судах речного и морского транспорта.

Известен способ очистки сточных вод гальванохимичесим способом. Обработку промышленных сточных вод осуществляют в аппарате непрерывного действия проточного типа. Загрузку аппарата составили из железной и медной стружки при массовом их соотношении 4:1. Медную стружку загружали одноразово, а железную периодически догружали по мере ее расходования [1]

Прототипом изобретения является способ очистки сточных вод от взвешенных веществ и сероводорода, заключающийся в обработке сточных вод в катодной камере диафрагменного электролизера на катоде из гидрофобизированного углерода при одновременном пропускании через воду кислородсодержащего газа, а в анодную камеру помещают раствор минеральной кислоты, в качестве диафрагмы применяют катионообменную матрицу, а раствор минеральной кислоты используют в концентрации 0,5-1,0 М [2]

Эффективная работа известного электрокоагулятора достигается только при высоких плотностях тока, поскольку при этом наиболее интенсивно используется их емкость и рабочая поверхность электродов, однако, с повышением плотности тока возрастают поляризационные явления и пассивация электродов, что приводит к возрастанию напряжения и потере электроэнергии на побочные процессы.

Цель изобретения снижение энергозатрат.

Цель достигается те, что в известном способе очистки сточных вод от взвешенных веществ, включающем обработку их в мембранном электрохимическом коагуляторе с использованием катода из углеродсодержащего материала с разделенными электродными камерами при подаче в катодную камеру кислородсодержащего газа и использованием минеральной кислоты, согласно изобретению, обработку ведут в поле гальванического элемента, образованного засыпными алюминиевым анодом и графитовым катодом, замкнутыми внешней электрической цепью на сопротивление нагрузки, и разделенными анионообменной мембраной, причем, очищаемую воду подают в анодную камеру с одновременной подачей в нее щелочи до концентрации ее 0,015-0,025 н, а в катодную камеру подают раствор минеральной кислоты до концентрации ее 0,015-0,025 н.

В предлагаемом способе выявленная зависимость напряжения от концентрации минеральной кислоты (HCl) в катодной камере и концентрации щелочи в анодной камере (NaOH) носит экстремальный характер, т.е. большему значению напряжения на нагрузочном сопротивлении соответствует большая интенсивность электродных процессов, и как следствие, большая скорость выхода ионов алюминия, что не является очевидным для специалиста в области очистки сточных вод от взвешенных веществ в электрохимических коагуляторах. При этом существенно уменьшается пассивация электродов, которая является существенным недостатком известных элетрокоагуляторов и тормозит их внедрение в технологию очистки воды, а также уменьшаются энергозатраты за счет отсутствия источника питания.

На фиг. 1 представлена блок-схема обработки сточной воды в электрохимическом коагуляторе; на фиг. 2 зависимость напряжения на нагрузочном сопротивлении от концентрации кислоты и щелочи.

В прямоугольном корпусе 1 (фиг. 1) помещены засыпные электроды: гранулированный алюминий, являющийся анодом 2, и пористый углеродсодержащий материал, например, графит, являющийся катодом 3. Анодная рабочая камера отделена от катодной (нерабочей) камеры анионообменной мембраной 4 и образует электрохимическую ячейку. Электроды соединены сопротивлением нагрузки 5, катодная камера соединена с коллектором 6 кислородсодержащей газовой смеси.

Способ осуществляют следующим образом.

Обрабатываемая жидкость поступает в анодную камеру, одновременно в катодное пространство подают кислородсодержащую газовую смесь, напримеp, воздух и вводят автоматическим устройством кислоту до концентрации ее в нерабочей камере 0,015-0,025 н в рабочую (анодную) камеру вводят щелочь в концентрации 0,015-0,025 н. В результате электрохимической диссоциации между двумя электродами возникает собственный электрический ток, под действием которого в рабочей анодной камере происходит растворение гранулированного алюминия, ионы металла переходят в раствор, образуя гидроокись алюминия, которая является коагулянтом и адсорбирует загрязнения.

Интенсификация процесса образования гидроокиси алюминия происходит следующим образом.

В процессе работы электрокоагулятора в электролите, которым является обрабатываемая жидкость, гидроксил-ионы движутся от катода к аноду. Электролит служит ионным проводником тока между электродами. На аноде происходит электрохимическое окисление водорода

2H₂+4OH^- _ 4H₂O+4e (I)

Полученные в результате реакции электроны по внешней цепи поступают на катод, совершая на своем пути работу. На катоде происходит восстановление кислорода (присоединение электронов по суммарной реакции)

O₂+4e+2H₂ _ 4OH^- (II)

При введении кислородсодержащей газовой смеси в катодную камеру в кислой и нейтральной среде электролита происходит реакция O₂+4e+4H⁺_ 2H₂O, которая стимулирует дополнительное образование гидроксил-ионов по реакции (II). Вследствие этих процессов в катодной камере происходит подщелачивание электролита. Далее гидроксил-ионы через анионитовую мембрану поступают в анодную (рабочую) камеру, где происходит образование гидроокиси алюминия. В обрабатываемой воде рН составляет 5-6 и регулируется вышеприведенными реакциями. Это является положительным эффектом, так как известно, что при рН>9 гидроокись алюминия реагирует с избытком щелочи с образованием гидроксоалюминатов, а также при контакте с воздухом происходит карбонизация

2OH^-+CO₂ CO₃²+H₂O

П р и м е р 1. В рабочую (анодную) камеру электрохимического коагулятора с алюминиевым засыпным электродом добавляют щелочь NaOH до концентрации 0,005-0,05 н. в катодную камеру с засыпным электродом из пористого графита подают воздух. Электролитом является раствор NaCl концентрации 0,1 н. Сопротивление нагрузки 1,5 кОм. В эксперименте определяют падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Результаты представлены в табл. 1.

П р и м е р 2. В нерабочую (катодную) камеру электрохимического коагулятора с засыпным углеродсодержащим электродом вводят минеральную кислоту HCl в концентрации 0,005-0,05 н, а также подают кислородсодержащий газ (воздух). Электролит NaCl 0,1 н. Сопротивление нагрузки 1,5 кОм. Определяют падение напряжения на сопротивлении нагрузки.

Результаты представлены в табл. 2.

П р и м е р 3. В камеру электрохимического коагулятора с засыпным алюминиевым электродом добавляют щелочь (NaOH) в концентрации 0,005-0,05 н, в катодную камеру с засыпным графитовым электродом кислоту HCl в концентрации 0,005-0,05 н. Электролит NaCl 0,1 н. Сопротивление нагрузки 1,5 кОм. Определяем падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Результаты представлены в табл. 3.

На фиг. 2 показана зависимость напряжения на сопротивлении нагрузки (1,5 кОм) от концентрации кислоты в нерабочей камере 1 (кр. 1) и от концентрации щелочи в рабочей камере (кр. 2). Видно, что максимум кривой соответствует концентрации 0,015-0,025 н, HCl и NaOH (кр. 3). Очевидно, что большему значению напряжения на нагрузочном сопротивлении соответствует большая интенсивность электродных процессов, т.е. большая скорость выхода ионов алюминия в раствор.

В технологических опытах используют модель сточных вод. В качестве взвеси использован бентонит, приготовленный по стандартной методике в концентрации 1 г/л.

П р и м е р 4. Коагулянт, полученный по примеру 3 с концентрацией щелочи и кислоты 0,005 н вводят в очищаемую воду в количестве 10% от общего количества полученного коагулянта (С_коаг=10 мг/л), перемешивают и проводят отстаивание в течение 4 ч.

П р и м е р 5. Коагулянт, полученный по примеру 3, с концентрацией кислоты и щелочи 0,02 н. вводят в очищаемую воду в количестве 10% от общего количества полученного коагулянта (С_коаг=10 мг/л), перемешивают и проводят отстаивание в течение 4 ч.

П р и м е р 6. Коагулянт, полученный по примеру 3, с концентрацией кислоты и щелочи 0,1 н и вводят в количестве 10% от общего количества полученного коагулянта (С_коаг=10 мг/л), перемешивают и проводят отстаивание в течение 4 ч.

П р и м е р 7. Модель сточной воды готовят из воды питьевого качества, которую перемешивают с бентонитом. Концентрацию бетонита доводят до 1 г/л. Сточную воду пропускают в анодной камере со скоростью 10 м/ч, после чего отстаивают в течение 0,5 ч.

П р и м е р 8. Опыт проводят так же, как в примере 7, при концентрации кислоты и щелочи 0,025 н. В рабочую камеру подают воздух. Результаты приведены в табл. 5.

Из результатов эксперимента по очистке модели сточных вод можно сделать вывод, что очистка, проведенная по примеру 4, имеет лучший результат, так как доза коагулянта в очищаемой воде, полученного с одновременной подачей щелочи в электрохимический коагулятор в концентрации 0,015-0,025 н, и в катодную камеру минеральной кислоты в концентрации 0,015-0,025 н, составляет 10-15 мг/л, коагулянт, полученный в интервалах введения кислоты и щелочи в электрохимический коагулятор от 0,005-0,015 н и 0,025-0,1 н, не дает концентрацию коагулянта в очищаемой воде 10 мг/л, следовательно, эффективность очистки снижается.

В предлагаемом способе достигается экономия электроэнергии за счет того, что для получения коагулянта вообще не используется электроэнергия, так как в результате электрохимических реакций между двумя засыпными электродами возникает собственный электрический ток. Пассивация уменьшается за счет того, что в обрабатываемой воде рН составляет 5-8. Это является положительным эффектом, так как известно, что при рН менее 9, гидроокись алюминия не реагирует с избытком щелочи с образование гидроксоалюминатов, а также в меньшей степени происходит карбонизация при контакте с воздухом. По прототипу наиболее эффективной может быть работа электрокоагулятора при высоких плотностях тока, поскольку при этом наиболее интенсивно используется их емкость и рабочая поверхность электродов. Однако, с повышением плотности тока возрастает поляризованное явление и пассивация электродов, что приводит к возрастанию напряжения и потере электроэнергии на побочные процессы.

Изменение напряжения за счет пассивации электродов по прототипу (в электрокоагуляторе) составляет 34% Изменение ЭДС за счет пассивации при работе электрохимического коагулятора (в предлагаемом способе) составляет 10% Следовательно, предлагаемый способ очистки сточных вод от взвешенных веществ позволяет наиболее эффективно получать коагулянт и вводить его в очищаемую воду, при этом в меньшей степени проявляется пассивация электродов.