Лабораторная работа 7 ИССЛЕДОВАНИЕ

Лабораторная работа 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
Цель работы: ознакомиться с основами электрохимической очистки сточных вод.
Задание. 1. Установить технологические параметры электрохимической обработки сточных вод при электрокоагуляции, электрофлотации, электрохимической деструкции.
2. Экспериментально установить зависимость эффективности
очистки сточных вод от расхода и плотности тока.
1.
Общие положения
Электрохимическая очистка загрязненных природных и сточных
вод основана на использовании электрической энергии при проведении процессов электролиза водных растворов электролитов. Электрохимические методы обработки воды можно разделить на три основные группы.
Первая группа методов обеспечивает изменение физикохимических и фазово-дисперсных характеристик загрязнений с целью их обезвреживания или более быстрого извлечения из воды.
Вторая группа методов обеспечивает концентрирование примесей в
локальном объеме электролита без существенного изменения фазоводисперсных или физико-химических свойств извлекаемых веществ.
Третья группа методов  комбинированные методы.
2. Характеристика электрохимических процессов, используемых для очистки сточных вод
Основными процессами на электродах при электролизе водных
растворов являются:
на катоде  выделение водорода, разряд металлических ионов с
электрохимическим выделением (осаждением) металлов или восстановление веществ без выделения самостоятельной фазы;
на аноде – выделение кислорода, галогенов, окисление веществ
без выделения самостоятельной фазы или электролитическое растворение металла электрода.
79
2.1. Катодные процессы
Выделяющиеся на катоде пузырьки водорода способны транспортировать нерастворимые примеси из объема жидкости на ее поверхность: поднимаясь в потоке жидкости, они сталкиваются с нерастворимыми частицами, прилипают к ним и флотируют их на поверхность. Использование электролиза для получения газовых пузырьков
находит применение при электрофлотационной очистке сточных вод
от взвешенных, коллоидных и эмульгированных загрязнений, а также
при пенной сепарации поверхностно-активных веществ.
К катодным процессам разряда металлических ионов, сопровождаемым выделением (осаждением) твердой фазы, относятся так называемые процессы электрокристаллизации металлов, имеющие место
при очистке сточных вод от ионов цинка, никеля, меди, кадмия и
других (например, для сточных вод гальванических производств).
Электрокристаллизация металлов существенно отличается от
обычного возникновения и роста кристаллов в жидкости, что объясняется, прежде всего, влиянием сил внешнего электрического поля.
Специальным подбором материала и формы электродов, условий и
режима электролиза можно существенно влиять на структуру катодных осадков.
Катодные процессы могут быть также использованы для восстановления органических соединений. В ряде случаев катодное восстановление органического вещества состоит из двух последовательных
стадий: разряда ионов водорода с образованием атомарного водорода
и химического восстановления органического соединения атомарным
водородом.
Часто в электрохимической реакции на катоде участвуют непосредственно молекулы органического вещества, превращаясь в органические анионы R + e = R. При этом второй стадией процесса будет нейтрализация аниона с образованием продукта гидрирования
R + H+ = RH.
Возможно также одновременное участие в разряде иона водорода
и молекулы органического вещества R + H+ + e = RH. Использование процесса катодного восстановления органических примесей в
технологии водоочистки целесообразно в том случае, когда прямое
анодное окисление этих примесей требует больших затрат электроэнергии, а образующиеся катодные продукты восстановления нетоксичны (или малотоксичны) или легко подвергаются дальнейшей
80
окислительной деструкции.
2.2. Анодные процессы
Все многообразие анодных реакций можно разделить на два процесса, происходящих на нерастворимых и растворимых анодах.
Типичными процессами на анодах из материалов, не подвергающихся электрохимическому растворению, в зависимости от солевого
состава раствора и условий электролиза являются процессы выделения кислорода и хлора. Возможно также образование перекиси водорода, озона и других соединений. Получающиеся при этом анодные
продукты являются сильными окислителями, обладающими особенно
большим запасом химической энергии в момент их образования, поэтому они широко используются для обеззараживания и очистки
природных и сточных вод от органических загрязнений.
Электролиз растворов поваренной соли или естественных хлоридных растворов  подземных минерализованных вод и морской
воды  используется для получения гипохлорита натрия как высокоэффективного дезинфектанта.
Основное значение в процессах электрохимической очистки
сточных вод с использованием нерастворимых электродов имеют
процессы анодного окисления органических примесей, многие из которых могут подвергаться глубокому деструктивному распаду вплоть
до образования углекислого газа, воды, азота, аммиака и других газообразных продуктов. В некоторых случаях анодное окисление органических и неорганических соединений приводит к образованию нетоксичных и малотоксичных продуктов.
При использовании анодов из железа, алюминия, меди, цинка и
других металлов происходит их электролитическое растворение с переходом в раствор ионов этих металлов, которые затем образуют нерастворимые гидроксиды. Свежеобразованные гидроксиды обладают
повышенной адсорбционной активностью к коллоидным и взвешенным частицам. Этот процесс, называемый в общем случае электрокоагуляцией, широко используется при очистке воды от нерастворимых примесей, эмульгированных, а иногда и растворенных соединений, способных сорбироваться на хлопьях электрогенерированных
коагулянтов (гидроксидов металлов).
При электрокоагуляции загрязненных жидкостей могут протекать
и другие электрохимические, физико-химические и химические процессы, происходящие в следующей последовательности: электрофоретическое концентрирование (т. е. направленное движение диспер81
сий как свободно заряженных частиц и концентрирование их у поверхности электродов); электролитическое растворение анодов и образование гидроксидов металлов; поляризационная коагуляция дисперсных частиц; упаковка первичных агрегатов и флокуляционная
коагуляция; флотация образовавшихся агрегатов пузырьками электролитических газов. Все эти процессы могут обеспечить высокую
степень очистки жидкостей, содержащих загрязнения в различных
фазово-дисперсных состояниях.
В коллоидных системах часть ионов адсорбирована коллоидными
частицами, которые при этом получают тот или иной заряд; при наложении постоянного электрического поля заряженные коллоидные
частицы перемещаются электрофоретически к одному из электродов
и осаждаются на нем. Электрофоретические явления, наблюдаемые
при наложении на дисперсные водные системы однородных и неоднородных электрических полей, могут быть использованы для очистки высококонцентрированных стоков, а также при обезвоживании
осадков.
При электролизе растворов движению заряженных частиц в одном направлении соответствует движение жидкости в обратном направлении; это становится особенно заметным, если задержать твердые частицы фильтром или диафрагмой. Такие процессы, основанные на электроосмотических явлениях, могут найти применение при
электрофильтровании воды, загрязненной нерастворимыми примесями, а также при уплотнении обводненных осадков.
Большое значение в технологии водоочистки приобретают процессы электрокорректирования pH и Eh, позволяющие изменять валентное состояние примесей воды и приводить к взаимодействию последних и изменению их фазово-дисперсного состояния. Это обеспечивает во многих случаях высокоэффективную очистку жидкостей от
растворенных и коллоидных загрязнений.
3. Описание установки и методика выполнения работы
Исследование электрохимической деструкции загрязнений сточных вод проводят на двух электролизерах (рис. 20, а) с электродной
системой, состоящей из графитовых анодов и стальных катодов.
Электродная система закреплена на крышке электролизера и легко
извлекается из обрабатываемой жидкости. Объем обрабатываемой
сточной воды  230 дм3.
Исследования по электрофлотационной очистке сточных вод
82
производятся на трехсекционном электрофлотаторе, который обеспечивает очистку воды как при непрерывной, так и периодической подаче сточной воды (рис. 20, б). Электрофлотатор оснащен электродной системой, состоящей из графитового катода и сетчатого анода,
расположенной в первой секции флотатора. При работе аппарата в
непрерывном режиме вода подается в приемный карман со стороны
электродной системы и отводится с противоположной стороны. Объем сточной воды, обрабатываемой в периодическом режиме, 
580 дм3. В последнем случае перегородки, делящие аппарат на секции, могут извлекаться.
Установка для исследования эффективности электрокоагуляционной очистки воды (рис. 20, в) представляет собой набор электролизеров, оснащенных блоком из 4 электродов. Каждый электролизер
имеет кран для выпуска обработанной воды и подвод воздуха для перемешивания обрабатываемой жидкости. Объем обрабатываемой
сточной воды – 170 дм3.
Электропитание электролизеров осуществляется выпрямителем
ВС-24, который обеспечивает возможность регулирования напряжения, подаваемого на электроды.
Интенсивность перемешивания регулируется путем изменения
производительности микрокомпрессора. Вода после обработки сливается и подвергается анализу.
Приступая к работе, следует внимательно ознакомиться с правилами техники безопасности при работе с электроприборами. Убедиться, что выпрямители заземлены, а соединительные провода имеют неповрежденную изоляцию. Погружать и извлекать электродную
систему можно только после выключения тумблера «сеть» выпрямителя и отключения его от сети (вынуть сетевую вилку).
При проведении эксперимента (выпрямитель включен) не касаться руками электродной системы, корпуса выпрямителя, не
поправлять соединительные провода.
Если при собранной схеме и включении выпрямителя ток в цепи
отсутствует (нет показаний амперметра), то выпрямитель отключают
от сети и проверяют надежность соединений проводников.
В соответствии с заданием выбирают электроды, определяют
режим обработки и составляют план эксперимента.
Для ориентировочного выбора режима обработки воды можно
руководствоваться параметрами работы электрофлотаторов, электрокоагуляторов и аппаратов электрохимической деструкции (используемыми при очистке некоторых категорий сточных вод), приведен83
ными в табл. 15 и 16.
8
11
12
13
7
6
10
9
а
б
2
1
3
4
5
в
Рис. 20. Установка электрохимической обработки воды:
1 – электрокоагулятор; 2 – электроды; 3 – выпрямитель; 4 – сливной патрубок; 5 – емкости для слива отработанной воды; 6 – аппарат электрохимической деструкции;
84
7, 9 – графитовый анод; 8 – электрофлотатор; 10 – сетчатый катод; 11 – подача загрязненной воды; 12 – отвод очищенной воды; 13 – каркас
Таблица 15
Параметры работы электрокоагуляторов при очистке сточных вод
Категория
обрабатываемых
вод
Кожзаводы
Расход
тока Дт,
Кл/л
35
250700
Сталь
100–200
0,41,2
24
100200
Сталь
5070
0,30,5
58
510
Аl
290430
150200
1,01,5
812
70110
Сталь
360540
4060
1,02,0
1015
4070
Аl
Сталь
Мясокомбинаты
Молокозаводы
Доочистка биологически очищенных сточных вод
Расход
Расход
МатеНапряжение
эл. энерметалла
риал
электролигии Wэ ,
электродов элекза, В
кВт ч/ м3
Дм, г/м3 тродов
1,53,0
11002900 50100
Меховые фабрики 3601100
Фабрики искусст5560
венной кожи
Гальванические
цехи
Плотность
тока iэ,
А/м2
110540
3050
0,42,5
912
45150
110180
40100
0,20,4
812
814
Аl
Графит
План эксперимента согласуется с преподавателем
При составлении плана эксперимента следует иметь в виду, что
основными параметрами, влияющими на эффективность очистки и
используемыми при выборе аппаратов электрохимической обработки
сточных вод, являются плотность тока (анодного или катодного) и
расход тока.
По физическому смыслу эта величина определяет дозу продуктов
электродных реакций на единицу объема жидкости, что эквивалентно
дозе реагента при химической обработке. Плотность тока определяет
скорость электродных реакций и является характеристикой процессов на границе раздела электрод  раствор. Величина не влияет на
превращения в объеме электролита. В последнем случае превалирующее влияние оказывает расход тока. Влияние плотности тока на
процесс очистки следует определять при Дт = const.
85
В электролизеры заливают заданный объем обрабатываемой
сточной воды. При отключенном от сети выпрямителе подсоединяют
электродную систему к соответствующим клеммам выпрямителя.
Включают выпрямитель в сеть и тумблером подают напряжение на
электроды. Отмечают время начала обработки. После истечения заданного времени обработки выпрямитель отключают, сливают обработанную жидкость в колбы. Электролизер промывают.
Таблица 16
Параметры электрофлотационной очистки сточных вод и электрохимической
деструкции
Источники образования сточных
вод
Электрофлотация
Электрохимическая
деструкция
tэ, мин
iк, А/дм2
tэ, мин
iк, А/дм2
30
1,52,0
1,02,5
0,52,0
Заводы бытовой химии
1530
1,03,0
0,51,5
1,5
Молокозаводы, мясокомбинаты
1015
0,51,5
—
—
—
—
120
2,0
Красильно-отделочные фабрики
Производство органических красителей
Для обработанной воды определяют содержание взвешенных веществ (по мутности), цветность (по оптической плотности при определенной длине волны), ХПК ускоренным методом или перманганатную окисляемость. Анализу подвергают воду после отстаивания или
центрифугирования в течение 3 мин при 1000 об/мин. Для центрифугирования берут ровно по 30 мл обработанной воды.
Для электрохимической деструкции и электрофлотации анализ
проводят с использованием проб воды, отобранных непосредственно
из аппарата. Эффективность обработки сточной воды определяют в
сравнении с исходной водой, которую также подвергают анализу с
определением аналогичных показателей.
Расчет степени очистки ведут по соотношению:
Э = (П0 – П1) ∙ 100 / П0,
(74)
где П0 и П1  показатели загрязненности воды до и после очистки.
Удельный расход электроэнергии (Wэл, Вт ч/м3 ) определяется по
86
формуле
(75)
Wэл = I ∙ U ∙ tэ / (в ∙ V),
где I  сила тока, А;
U  напряжение на электролизере, В;
tэ  время обработки, ч;
V  объем обрабатываемой воды, м3;
в  КПД выпрямителя (для ВС-24 в = 0,8).
Расход тока (удельное количество электричества, приходящееся
на единицу объема обрабатываемой жидкости), Кл/м3:
Дт = I ∙ tэ / V,
(76)
где tэ – время обработки, с.
Плотность тока, А/м2:
i = I / S,
(77)
где S  площадь электродов, м2 (определяют с учетом погружения
электродов).
Расход металла электродов (электрокоагуляция), г:
Дм = I ∙ tэ ∙А ∙B / (F ∙ n),
(78)
где А  атомная масса металла;
F  постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль);
n  валентность металла;
В  выход металла по току.
Значение В задает преподаватель. Для сточной воды с параметрами pН > 5,0; [Сl] > 0,3 г/л и i < 75 А/м2 выход металла по току может быть определен по эмпирическим формулам.
Для алюминиевых электродов:
(79)
ВАl =  0,015 ∙ рН + 0,0044 ∙ i + 0,0825 ∙ [Сl] + 0,644;
для железных электродов:
(80)
ВFe =  0,016 ∙ рН + 0,0014 ∙ i + 0,07 ∙ [Сl] + 0,674.
Для электрофлотатора объем водорода, выделяемого на катодах
при нормальном давлении (VкН2, м3/ч), определяется по формуле
VкН2 = Вк ∙ Аэк ∙ I ∙ ( 273 + Т ) / 273,
(81)
где Вк  катодный выход по току водорода, Вк = 0,90,95;
Аэк  объемный электрохимический эквивалент водорода, Аэк =
= 0,00042 м3/(А∙ч).
87
Результаты исследований заносят в табл. 17.
После таблицы приводят показатели загрязненности исходной
воды: мутность, цветность, ХПК (окисляемость).
Таблица 17
Результаты экспериментальных исследований
Время
обраТок I, А
ботки,
мин
Степень
очистки, %
Параметры процесса
Расход
Плотность
тока Дт,
тока i, А/м2
Кл/м3
Расход
электроэнергии,
Вт∙ч/м3
Расход
металла
электродов
(выход газа)
По взвешенным По
вещест- ХПК
вам
Электрокоагуляция
Электрохимическая деструкция
Электрофлотация
По экспериментальным данным строят графики зависимости степени очистки от плотности тока и/или расхода тока и выбирают оптимальные параметры электрохимической обработки исследуемых
сточных вод.
Вопросы для самоконтроля
1. Классификация и применение электрохимических методов
очистки сточных вод. Сравнение с другими методами очистки.
2. Процессы, протекающие на аноде и катоде в процессе электрохимической обработки сточных вод.
3. Очистка сточных вод электрокоагуляцией. Условия проведения
процесса и аппаратурное оформление.
4. Использование электрохимической деструкции в процессах
очистки, обезвоживания и обеззараживания сточных вод. Условия
проведения процесса и аппаратурное оформление.
5. Электрофлотационная очистка сточных вод. Аппаратурное
оформление.
88
33
89