Расчет электрокоагулятора

 После  электрокоагуляции воды, содержащей  шестивалентный хром, рН увеличивается на 2–4 единицы, а при его отсутствии – на 1–2 единицы.

 

Таблица 2.5 - Рекомендуемые значения рН при удалении ионов  
тяжелых металлов

 

 

Компоненты	Содержание Сr6+, мг/л	рН
1	2	3
Трехвалентный хром	-	3,5–4,0
Никель	-	более 7,0
1	2	3
Медь, цинк, кадмий	-	более 4,5
Шестивалентные хром,   медь, цинк	менее 20 20–50 50 - 100	6–7 5 – 6 4 - 6
Шестивалентные хром,   кадмий, никель	менее 50	6–7
	более 50	5–6

 

        Шестивалентный хром восстанавливается до трехвалентного в результате катодных процессов и химическим путем при окислении двухвалентного железа до трехвалентного. Одновременно образуется нерастворимый гидроксид хрома. Продолжительность процесса восстановления составляет 3–6 мин (иногда 10–15 мин). На рисунке 2.6 приведен экспериментальный график изменения по времени содержания в воде шестивалентного хрома[11].

 

Рисунок 2.6. Изменение содержания Cr⁶⁺ 

от продолжительности  электролиза

 

 

    При прочих  равных условиях эффект очистки  сточных вод, содержащих одновременно  ионы нескольких металлов, выше  чем в случае, когда содержится только один из металлов.

       Эффект очистки от ионов тяжелых металлов достигает 90–95 % и более. Наиболее применяемыми являются электролизеры с вертикальным (снизу вверх) движением воды (рисунок 1). Приводятся удельные затраты (на 1 г удаляемого тяжелого металла) электроэнергии и железа (таблица 2.6).

Таблица 2.6 - Удельные затраты электроэнергии и железа

 

Загрязнения	Удельные затраты
	электроэнергии, А ч/г	железа, г/г
Хром шестивалентный	3,1	2,0–2,5
Цинк	2,5–3,0	2,5–3,0
Никель	5,5–6,0	4,5–5,0
Кадмий	4,0–4,5	6,0–6,5
Медь	3,0–3,5	3,0–3,5

       Скорость потока должна быть не менее 0,03 м/с, что уменьшает опасность образования в межэлектродных каналах пробок из гидроксидов металлов и пены.       Электроды из низкоуглеродистых сталей имеют толщину 6–8 мм и устанавливаются через 6–10 мм. Нормы проектирования [9, 10] рекомендуют принимать анодную плотность тока в зависимости от суммарной концентрации в воде ионов тяжелых металлов, включая и шестивалентный хром: при 80 мг/л и менее – 150 А/м²; 80–100 мг/л – 200 А/м²; 100–150 мг/л – 250 А/м²; 150 – 200 мг/л – 300 А/м². Процесс может осуществляться и при более низкой плотности тока (80–100 А/м² и менее). Напряжение в пределах электродной ячейки принимается 4–12 .   

  Необходимая для расчета сила тока, А, определяется по зависимости                                        

,                                                (2.3)

     где   – удельные затраты электроэнергии (см.таблицу 2.6), А ч/г; 

     С_en – исходная концентрация удаляемого компонента в сточных водах, г/м³.    

 Если  концентрация ионов шестивалентного  хрома не менее 67 % (2/3) от суммарной концентрации всех компонентов (ионов тяжелых металлов), то в формулу подставляются значения   и С_en для шестивалентного хрома. В противном случае силу тока, определяемую по формуле (2.2), следует увеличить в 1,2 раза, а значения   и С_en принять для того из компонентов, для которого произведение этих значений окажется наибольшим.  

   Расчетный расход металла, г/ч, равен                                                 

,                                                         (2.4)

      где   – удельный расход металла (таблиуа 2.6), г/г.   

 При пользовании  формулой значения   принимают в зависимости от процентного содержания хрома так же, как и для формулы (2.2.). Определение качества и размеров электродных пластин и требуемой вместимости межэлектродного пространства и размеров электрокоагулятора производится по обычной методике, а продолжительность рабочего цикла, ч                                                    

 ,                                                 (2.5)

       где G_pl – вес электродных пластин, к; 

       К_исп – коэффициент использования электродов, К_исп = 0,8...0,9.

       Приведена схема установки для электрокоагуляционной очистки воды от шестивалентного хрома. В установке предусмотрено введение перед электрокоагулятором концентрированного раствора поваренной соли, а также корректировка рН как перед электрокоагуляцией, так и после нее. Для полного удаления из воды гидроокисей металлов рН перед отстойником должно быть в пределах 8,5–10,5. В качестве щелочного реагента чаще всего используется едкий натр или едкий кальций (гашенная известь). Отстойник для очистки коагулированной воды рассчитывается на отстаивание в течение двух часов[5, 8].

         При начальной концентрации шестивалентного хрома 50–100 мг/л объем выпавшего осадка влажностью 99–99,5 % достигает 6–12 % от объема обработанной воды. В течение суток влажность снижается до 98,5–99,0 %, т.е. объем осадков уменьшается в 1,5–2,0 раза. Применение флокулянтов, например ПАА дозой 1–2 мг/л, улучшает процесс осаждения и уменьшает влажность и объем образующихся осадков .

 

Рисунок 2.7. График изменения содержания

 хрома в зависимости от  концентрации Fe²⁺ (эксперимент):

1 – изменение содержания Сr⁶⁺; 2 – Сr³⁺

 

       В случаях, когда после коагулятора в воде остается большое количество растворенного двухвалентного железа, воду перед отстойником следует аэрировать, что ускоряет окисление и перевод железа в форму нерастворимого гидроксида Fe(OH)₃. При эксплуатации электрокоагуляторов трудно предотвратить засорение межэлектродных каналов гидроксидами железа и хрома, особенно при больших концентрациях последнего. Этим объясняются ограничения концентраций шестивалентного хрома при электрокоагуляционной обработке воды[8,13].

       Схема работающего по такому принципу колонного электрокоагулятора. В электродную камеру, где находятся стальные пластинчатые электроды, подается электролит, обработанный поваренной солью. После электродной камеры электролит, насыщенный закисью железа, перемешивается в смесительной камере с обрабатываемыми сточными водами.

       Реакция восстановления происходит в реакторе, после чего в осветлительной камере по принципу осветлителя с взвешенным осадком вода очищается от гидроксидов хрома и железа. Количество электролита составляет около 20 % от расхода сточной воды. На рис. 2.7 приводится экспериментальный график, связывающий эффект очистки от хрома с концентрацией двухвалентного железа после смешения стоков с электролитом.    

  Эксперимент проводился при условиях: концентрация шестивалентного хрома в исходной воде 60 мг/л, трехвалентного хрома – 20 мг/л, рН – 12,2. Как следует из графика, полная очистка наблюдается при содержании двухвалентного железа – 360 мг/л. С учетом разбавления сточных вод электролитом удельные затраты железа на восстановление 1 г шестивалентного хрома – около 3 г/г, что близко к значениям таблицы 2.6.

       Вода, содержащая 300 мг/л шестивалентного хрома, очищалась от него практически полностью в колонном электрокоагуляторе за 10 минут.

 

       2.2 Технологии очистки сточных вод от следов тяжелых металлов

 

      2.2.1. Очистка сточных вод от тяжелых металлов. Метод электрокоагуляция.

1. Назначение  установки: Очистка хромсодержащих и кислото-щелочных промывных сточных вод до требований ПДК по тяжелым металлам на слив в канализацию.

2. Сущность  предлагаемой технологии: Для очистки кислотно-щелочных промывных сточных вод от металлов и солей предлагаются метод электрокоагуляции с последующим отстаиванием образующегося осадка[6,15].

3. Состав  установки:

• узел корректировки значений pH;
• электрокоагулятор для перевода тяжелых металлов в нерастворимую форму;
• узел разделения суспензии, представляющий собой отстойник с тонкослойными модулями для осаждения образовавшихся гидроксидов;
• узел тонкой фильтрации и осветления сточной воды;
• узел обезвоживания осадка.

4. Технологическая  схема очистки для слива в  промканализацию:

 

Рисунок 2.8 - Узел электрокоагуляции

 

2. Описание технологии:

       Сущность электрохимической обработки воды заключается в том, что при подаче напряжения постоянного тока на электроды начинается процесс растворения железных анодов. В результате электрохимической обработки в аппарате поз. ЭК осуществляется ряд процессов:

• изменение дисперсного состояния примесей за счет их коагуляции под действием электрического поля продуктов электродных реакций и закрепление пузырьков электролитического газа на поверхности коагулирующих частиц, что обеспечивает их последующую флотацию;
• сорбция тяжелых металлов на поверхности электролитически получаемых оксидов металлов;
• химическое восстановление ионов Cr6+ до ионов Cr3+.

       Образующиеся соединения нерастворимого гидроксида железа сорбируют на своей поверхности ионы тяжелых металлов и выпадают в осадок.

        Исходные кислотно-щелочные воды поступают в сборник-накопитель Е0 . Из накопителя Е0 насосом Н1 усредненный сток подается на электрокоагулятор ЭК, в котором по описанному выше механизму происходит восстановление ионов шестивалентного хрома и очистка от примесей тяжелых металлов. Предварительно из емкости Е2(Е3) дозирующим насосом НД1(НД2) подается раствор едкого натрия или кислоты для корректировки рН. Из электрокоагулятора водная суспензия направляется в отстойник поз.ТО для разделения суспензии на осветленную жидкость и осадок. Для ускорения процесса осаждения отстойник комплектуется тонкослойным модулем. Осветленная вода, сливается в емкость поз.Е1 и насосом Н2 подается на фильтр механической очистки Ф и затем на узел доочистки ИО, где с помощью ионного обмена вода очищается от следовых количеств тяжелых металлов, а затем направляется на слив в канализацию[15].

       Осадок из электрокоагуляторов и отстойника поступает на фильтр-пресс поз. ФП, где обезвоживается, и с влажностью до 80% утилизируется.

 

        2.2.2. Метод электрокоагуляция и обратный осмос (замкнутый водооборот)

1. Назначение установки: очистка хромсодержащих и кислото-щелочных промывных сточных вод с целью создания замкнутого водооборота (ГОСТ 9.314-90 кат.II. «Вода для гальванического производства»).

2. Сущность предлагаемой технологии: Для очистки кислото-щелочных и хромсодержащих промывных сточных вод от тяжелых металлов предлагается метод электрокоагуляции с последующим отстаиванием образующегося осадка и обратноосмотическим обессоливанием очищенной воды.

3. Состав  установки:

• узел электрокоагуляции;
• узел мембранной очистки.

3. Описание технологии:

 

Рисунок 2.9 - Узел электрокоагуляции

 

       Процесс протекает также (см. метод - электрокоагуляция), только после фильтра механической очистки Ф очищенная вода собирается в емкости Е4, откуда подается на вторую ступень очистки - мембранную установку.

       Осадок из электрокоагуляторов и отстойника поступает на фильтр-пресс поз. ФП, где обезвоживается, и с влажностью до 80% утилизируется, а осветленная вода направляется в емкость Е4.

Узел мембранной очистки

       Для доочистки воды после электрокоагуляции с целью создания замкнутого водооборота (требование ГОСТ 9.314-90 категория) предлагается мембранная установка.

Технологическая схема включает основные узлы:

• узел тонкой фильтрации от взвешенных частиц;
• узел глубокой очистки и обессоливания на высокоселективных обратноосмотических мембранах;
• узел выпарки с получением осадка в виде влажных солей.

 

Рисунок 2. 10 - Узел мембранной очистки

 

       Осветленная вода с из емкости Е4 через фильтр тонкой очистки Ф1 насосом Н3 подается на первую ступень обратноосмотической мембранной установки ООМ1, укомплектованной рулонными мембранными элементами. В процессе разделения исходный поток делится на два: фильтрат - очищенная и обессоленная до требуемых показателей вода и концентрат, содержащий сконцентрированные извлекаемые примеси. Очищенная вода собирается в емкости Е5 (поставка Заказчика) и насосом Н6 подается на повторное использование на операции промывки. Концентрат первой ступени подвергается дополнительному доконцентрированию на второй ступени мембранной установки ООМ2. Для чего концентрат высоконапорным насосом Н4 подается на мембранные аппараты второй ступени, где происходит разделение потока на две части: фильтрат отводится в емкость Е4, где смешивается с исходным потоком, и концентрат, который направляется в емкость Е6, откуда далее насосом Н5 подается на выпарной аппарат ВА. Соли с влажностью до 50% подвергаются утилизации[5,14].