Электрокоагулятор для очистки нефтесодержащих сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

Кафедра общей химии и экологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»

на тему: Электрокоагулятор для очистки нефтьсодержащих сточных вод

Выполнила студентка:

группы 3412

Габдуллина Л.А.

Научный руководитель:

Мальцева С.А.

Казань х - 2014



Содержание

Введение

Глава 1. Актуальность проблемы очистки сточных вод

1.1 Методы очистки сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия

Глава 2. Конструктивные особенности современных электрокоагуляционных установок

Глава 3. Общие сведения о процессе электрокоагуляции

Глава 4. Описание конструкции электрокоагулятора

Глава 5. Расчет и проектирование электрокоагулятора

Выводы

Список литературы



Введение

Сточные воды предприятий нефтепереработки и нефтехимии высокотоксичны и при существующих объемах водоотведения представляют собой серьезную экологическую опасность. Очистка этих стоков до параметров, предусмотренных действующими в настоящее время нормативными требованиями, традиционными способами практически невозможна. Кроме того, в некоторых случаях высокая загрязненность воды, использующейся в технологических процессах, приводит к значительным экономическим потерям, часто необратимым.

Это создает предпосылки для более высокой эффективности работы биологических очистных сооружений на предприятиях, что зачастую не соответствует действительности, так как изношено инженерное оборудование. В связи с этим является необходимым реконструкция некоторых узлов на станциях биологической очистки.

При использовании в технологических процессах вода загрязняется различными органическими и неорганическими веществами, т. е. образуются сточные воды. Сточная вода - это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную территорию. Жидкие производственные отходы называют промышленными сточными водами или промышленными стоками. Эти стоки содержат в своем составе токсичные и ядовитые вещества, загрязняющие водоемы.

Одним из эффективных путей, направленных на уменьшение промышленных сточных вод в водоемы, является создание замкнутых систем водоснабжения, под которыми понимаются системы, в которых вода используется в производстве многократно без очистки или после соответствующей обработки, исключающей образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоем.

Промышленные сточные воды, поступающие в замкнутые системы водоснабжения или сбрасываемые в водоемы, должны быть подвергнуты очистке механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами до необходимого качества. Разработка и выбор высокоэффективных методов очистки промышленных стоков является сложной инженерной задачей.

Цель работы: изучить области применения и принципа действия электрокоагулятора, расчет электрокоагулятора.

Задачи:

1. Анализ литературы и выбор прототипа устройства;

2. Разработка электрокоагулятора очистки от нефьсодержащих сточных вод.



Глава 1. Актуальность проблемы очистки сточных вод

Проблема очистки промышленных вод в настоящее время является актуальной. Сложность и неоднозначность данной проблемы обусловлена большим разнообразием промышленных технологий. Выбор технологической схемы очистки стоков зависит от многих факторов: типа производства, исходного сырья, требований к качеству и объемов очищаемых сточных вод. Выбор очистных сооружений предусматривает комплексную оценку производственных условий: наличие имеющегося очистного оборудования, наличие производственных площадей для модернизации имеющегося и размещения нового оборудования, входящие и требуемые на выходе концентрации загрязняющих веществ и многое другое. Грамотное решение проблемы очистки промышленных сточных вод возможно при соблюдении технологии очистки сточных вод.

Очистка промышленных сточных вод организуется с целью использования их в системах оборотного, последовательного или замкнутого водоснабжения, обеспечения условий приема в городские системы водоотведения или сброса в водные объекты.

Вода, использованная в технологическом процессе, содержит примеси виде: взвешенных частиц размером, образующих суспензии; не растворяемых в воде капелек другой жидкости, образующих эмульсии; коллоидных систем и растворенных в воде веществ в молекулярной или ионной форме.

В соответствии с современными требованиями промышленные стоки перед сбросом в городскую канализацию, в водоёмы или на рельеф местности должны подвергаться предварительной очистке на локальных очистных сооружениях. Цель применения локальных очистных сооружений состоит в подготовке и очистке промышленных сточных вод к спуску на общезаводские или городские канализационные системы или к повторному использованию на производстве (оборотное водоснабжение).

1.1 Методы очистки сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия

Нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы сбрасывают сточные воды, содержащие большое количество органических примесей. В стоках содержатся различные нефтепродукты, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие органических примесей заключается, главным образом, в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.

Наиболее широко распространенными загрязнителями сточных вод являются нефтепродукты - неидентифицированная группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности принадлежат, по данным ЮНЕСКО, к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Особую опасность представляют хлор- и металл- органические соединения, относящиеся, как правило, к суперэкотоксикантам.

Нефтепродукты могут находиться в растворе в эмульгированном, растворенном виде и образовывать на поверхности плавающий слой. Для очистки сточных вод от нефтепродуктов в настоящее время применяют механические, физико-химические, химические и биологические методы. Из механических методов практическое значение имеют отстаивание, центрифугирование и фильтрование; из физико-химических - флотация, коагуляция и сорбция; из химических - хлорирование, озонирование. Биологические методы основаны на способности микроорганизмов перерабатывать некоторые органические соединения, входящие в состав нефтепродуктов, как правило, в смеси с бытовыми сточными водами.

Механическую очистку сточных вод от нефтепродуктов применяют преимущественно как предварительную. Она является в известной степени самым дешевым методом, а поэтому всегда целесообразна, как первая стадия глубокой очистки стоков. Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.

В настоящее время привлекают внимание электрохимические методы глубокой доочистки осветленных стоков. Основными способами электрохимической очистки нефтесодержащих сточных вод являются электрохимическая коагуляция (электрокоагуляция) и электрохимическая флотация (электрофлотация). Электрокоагуляция основывается на процессах, происходящих при прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера. Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высокоустойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение анода, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов, выпадающие в осадок в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

В процессе электрофлотации очистка сточных вод от взвешенных частиц проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде водорода. Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, которые взаимодействуя между собой, способствует более эффективной флотации. Аппарат для очистки сточных вод, в котором одновременно протекают процессы флотации и коагуляции взвешенных частиц при использовании постоянного электрического тока, можно назвать электрофлотатор-электрокоагулятор.

Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Сточные воды, прошедшие механическую и физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных и тонкодиспергированных нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки. Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений биологический метод. Он основан на способности микроорганизмов поглощать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления - воду, углекислый газ и другие.

Ввиду сложности состава очищаемых нефтесодержащих вод и высоких требований к степени очистки в технологических схемах очистных станций используются комбинации различных методов. Имея данные по расходам сточных вод, их подробную характеристику, в том числе и по содержанию примесей, а также требования к очищенной воде, нужно отобрать для проверки несколько методов. На основании экспериментальных исследований с учетом технико-экономических показателей выбирают оптимальную схему очистки сточных вод.



Глава 2. Конструктивные особенности современных электрокоагуляционных установок

Современная очистка сточных вод методом электрокоагуляции сегодня все чаще применяется на предприятиях машиностроительной, а также металлургической промышленности, где отработанная жидкость характеризуется высоким уровнем содержания солей тяжелых металлов, нерастворимых осадков, технических масел. Желая узнать отличие электрокоагуляции от коагуляции, нужно обратиться к специалистам, либо использовать специализированную литературу, рассчитанную на профессионалов. Коагуляционный способ основан на объединении различных мельчайших частиц в дисперсных системах и их укрупнении в результате действия центробежных сил.

Суть процесса электрокоагуляции для очистки и обработки вод заключается в оседании коллоидных систем в силу постоянного воздействия электрического тока. В ходе процедуры присутствующие в очищаемой жидкости технические соли подвергаются электрической диссоциации, а ионы выборочно взаимодействуют с вредными примесями и выпадают в осадок в виде обычных гелей. Современная установка электрокоагуляции для очистки воды в системе обработки шламов обычно используется в металлургии, а также в горнорудном производстве. Специальная технология обогатительных предприятий предполагает использование большого количества технических жидкостей, поэтому на предприятиях широко используется их качественное очищение и последующее вторичное использование.

Существующая схема очищения воды электрокоагуляцией позволяет наглядно представить, как выглядит сам процесс, за счет чего происходит очищение жидкостей, как укрупняются молекулы. При качественном очищении коагулянтами можно не использовать реагенты, а раздельная обработка существенно уменьшает затраты, необходимые для покупки активных элементов. Качественная электрокоагуляция и коагуляция для очистки сточных вод от хрома - необходимое условие успешного функционирования многих промышленных предприятий. В качестве коагулянтов преимущественно используются сернокислое железо и сернокислый алюминий.

В настоящее время можно приобрести не только промышленные аппараты барабанного типа, но и бытовые фильтры для очистки сточных вод от тяжелых металлов методом электрокоагуляции, которые позволяют эффективно их использовать, как в индивидуальных загородных строениях, так и в учреждениях различных сфер деятельности.

Первичное очищение производится традиционным способом, а затем уже требуется высококачественная вторичная доочистка с использованием обычного активированного угля. Изучая схемы электрокоагулятора при очистке сточных вод электрокоагуляцией, необходимо тщательно изучить основу данного процесса, принципы введения в раствор специализированного коагулянта, механизм подмешивания в субстанцию сульфата натрия и дальнейшую процедуру электролиза.

Чтобы получить максимальный эффект электрокоагуляции и ультрафильтрации, физико-химические методы очистки вод нужно подбирать в зависимости от типов загрязнителей и уровня концентрации в самой очищаемой жидкости тяжелых металлов. При работе с эмульсиями, которые невозможно ни растворить, ни выделить в виде осадка, ни вывести из субстанции иными способами, рекомендуется использовать гидродинамический эффект.

Инновационные фильтры для очистки воды с эффектом электрокоагуляции работают на основе электродов, производимой из листовой стали. Впоследствии сталь разрезается на специальные пластины необходимых размеров, а из них собираются требуемые пакеты с элементами перемещения и крепления. Необходимо предусмотреть и наличие внешнего источника, вырабатывающего постоянный ток с очень сложной электротехнической аппаратурой, управлять которой может лишь персонал высокой квалификации. В дальнейшем, в раствор вводятся депассивирующие реагенты либо применяется механическое абразивное очищение электродов.

Высокотехнологичные электрокоагуляционные установки для очистки сточных вод после автомойки также постоянно расширяют круг своего применения. Несмотря на то, что такой способ предполагает большой расход электродов, количество которых зачастую составляет примерно 50-60% от общей массы очищаемой жидкости, все большее количество руководителей используют на своих предприятиях подобные комплексы, поскольку их применение характеризуется максимальным эффектом.



Глава 3. Общие сведения о процессе электрокоагуляции

В общем случае электрокоагуляция - процесс, при котором в электролизере с растворимыми анодами (стальными или алюминиевыми) образуется эффективный коагулянт - многозарядные ионы Fe2+ или Al3+ по реакциям: очистка нефтеперерабатывающий электрокоагулятор катион

Fe - 2e Fe2+

Al - 3e Al3+

На стальном катоде выделяется водород и образуется щелочь (ионы гидроксила ОН-) по реакции:

2 H2O + 2e H2 + 2 OH

Таким образом, СВ в ЭК подщелачивается. При этом становится возможным перевод в малорастворимые гидроксиды многих ионов токсичных металлов (ТМ), содержащихся в СВ (Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cr3+ и т.д.) по общей реакции:

Men+ + n OH- Me(OH)n

Первичные мелкодисперсные частицы гидроксидов в присутствии ионов-коагулянтов довольно быстро превращаются в более крупные хлопья, что облегчает их последующее отстаивание и улучшает качество осветленной воды.

Если в СВ содержатся мельчайшие частицы жировых и масляных загрязнений в виде эмульсий, облегчается их слипание и последующее всплывание. Этому процессу способствует также выделяющийся на катоде водород, т.е. одновременно происходит отделение жировых загрязнений в результате флотации.

Наконец, если в СВ есть соединения весьма токсичного шестивалентного хрома, в ЭК будет происходить их обезвреживание ионами Fe2+, образовавшимися на аноде:

3 Fe2+ + Cr(VI) 3Fe3+ + Cr3+

Продукты реакции (5) взаимодействуют с катодной щелочью:

Fe3+ + 3 OH- Fe(OH)3

Cr3+ + 3 OH- CrOH)3

В принципе для протекания реакций (6) и (7) катодная щелочь даже не обязательна, так как гидроксиды трехвалентных железа и хрома могут образовываться уже при рН около 4, т.е. в слабокислой среде.

Свежеосажденные хлопья гидроксидов Fe3+ и Cr3+ сами являются эффективными коагулянтами, а за счет микропористой структуры - еще и неплохими сорбентами, способными очистить СВ от крупных молекул растворенных органических веществ (например, красителей).

Таким образом, существуют три основные области применения электрокоагуляции:

очистка СВ от катионов ТМ;

очистка СВ от эмульсий;

одновременная очистка СВ от шестивалентного хрома и от катионов ТМ.

Наиболее широко электрокоагуляция применяется для последней цели.

Следует отметить и недостатки метода электрокоагуляции: расход электроэнергии; расход металла на изготовление анодов; увеличение общего объема шламов за счет большого количества гидроксида железа. Однако последнее обстоятельство имеет и положительную сторону, так как уменьшается процентное содержание токсичных металлов в шламе.

Электрокоагуляция основана на растворении электродов из алюминия, железа или их сплавов в электролите (сточная вода) под действием электрического тока, с последующим образованием гидроксидов металлов, отличающихся высокой коагуляционной способностью. На поверхности гидрооксидов адсорбируются ионы и молекулы загрязнителя, и происходит коагуляция (слипание) частиц с последующим осаждением. Электрокоагуляцию применяют для удаления из сточных вод тонкодисперсных примесей, например, масел нефтепродуктов,органических взвесей и т.д. Рекомендуется применять этот метод для очистки сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию среды (pH= 5-9). Поскольку для осуществления электрокоагуляции требуется значительные затраты электроэнергиии листовой металл, ее можно рекомендовать для локальных систем очистки небольших количеств сточных вод (30-50 м3/ч).

Электрокоагуляция как метод превращения примесей грубодиспресное состояние основывается на множестве физико-химических процессов, протекающих в жидкости под воздействием электрического тока:

- Электростатическая (поляризационная) коагуляция -дипольное взаимодействие коллоидных частиц за счет дальнодействующих сил притяжения, возникающих при наложении электрического поля.

- Электрохимическая коагуляция - взаимодействие частиц при изменении их заряд или толщины двойного электрического слоя за счет изменения физико-химических свойств раствора ( pH и Eh) в межэлектродном объеме или приэлектродных слоях;

- Электролитическая коагуляция - взаимодействие частиц при введении потенциалообразующих ионов металлов за счет электрохимического растворения электродов;

- Гидродинамическая коагуляция - слипание частиц за счет увелечения числа их столкновений при перемешивании жидкости в электролизе ( перемешивание жидкости осуществляется как продуктами электрохимических реакции, так и за счет конструктивных приемов);

- Концентрационная коагуляция - увелечение числа столкновения частиц, приводящих к их слипанию, за счет повышения локальных концентраций частиц в межэлектродном объеме при их транспорте, осаждении на электродах и т.п.

В настоящее время существуют две основные концепции теоретического обоснования механизма коагуляции, обусловленной введением положительных многозарядных ионов железа , гидролизующихся в воде с образованием гидроксидов и других промежуточных соединений;

Специфическая сорбция многозарядных ионов (Ni2+,Al3+, Fe2+ и т.д.) на частицы с последущим изменением заряда её поверхности, что приводит к коагуляции;

Образованием малорастворимых соединений ионовметалла с компонентами раствора,которые взаимодействуют с коллоидными частицами, имеющими противоположный заряд поверхности.

Необходимо отметить, что обе концепции теоретически и экспериментально недостаточно обоснованы. Однако многочисленными экспериментами доказано , что скорость коагуляции значительно выше при формировании малорастворимых соединений. Можно предположить преимущественное влияние адгезионного механизма взаимодействия противоположно заряженных поверхностей частиц и гидроксидов. Исходя из этого процесс электрокоагуляции можно разделить на слеующие стадии: генерация ионов металла на поверхности электрода; миграция ионов металла с поверхности в объем раствора; образование малорастворимых соединений металла с компонентами раствора; адгезия коллоидных частиц примесей и образовавшихся малорастворимых соединений.

Гидроксиды металлов образуют хлопья,на которых происходят адсорбция других примесей, содержавшихся в сточных водапх. Прирост величины pH может составлять 1-4 единицы.

Удельный расход металлического железа и расход электричества для обезвреживания соответствующих ионов тяжелых металлов.

Табл.1

металл	Расход железа г/г удаляемого металла	Теоретический расход электричества, А*ч/г удаляемого металла
Цинк (Zn2+)	2.5-2.88	2.30-2.88
Медь (Cu2+)	3.0-3.5	2.88-3.36
Кадмий(Cd2+)	4.0-4.5	3.84-4.32
Никель(Ni2+)	5.5-6.0	5.30-5.75

Электрокоагулятор включает в себя две секции:

- Пластинчатый электролизер вертикального исполнения с подводом очищаемой воды снизу вверх;

- Осветитель.

Электролиз приводят при следующих параметрах: плотность тока на аноде 0,6-1,5 А/дм2 для концентрированных вод и 0,15-0,8 А/дм2 для разбавленный (?100 мг/л) стоков, напряжение на электродах 12-24 В (при солесодержании менее 500 мг/л), 6-12 В ( при солесодержании более 500 мг/л); продолжительность обработки 60-180 с, материал электродов - низкоуглеродистая сталь(Ст 3, Ст.4 и др); толщина электродов 3-8 мм; расстояние между электродами6-12 мм. Процесс электрокоагуляции может быть значительно интенсифицирован при повышении температуры, обрабатываемой водыдо 60-80°С и анодной плотности тока 2-2,5 А/дм2. При этом твердая фаза гидроксидов меняет свою структуру и преобретает ферромагнитные свойства. В последние годы предложено несколько конструкций электролизеров с засыпными анодами из отходов металлообработки.

В качестве осветителя используют отстойники, флотаторы-отстойники, флотаторы- осветители. Так как в электродной секции происходит усиление насыщения воды пузырьками выделяющегося водорода, то в осветителе часть скоагулированной твердой фазы всплывает на поверхность воды, а часть оседает на дно.

При соблюдении указанных условий и исходной концентрации каждого из ионов тяжеллых металлов, не превышает 30 мг/л, степень очистки от них стоочных вод составляет 90-95%. После 24- часового уплотнения объем осадка уменьшается на 20-30%, влажность его при этом достигает 98,2-98,5%.

Стандартные, или типовые, конструкции аппаратов для электрокоагуляции отсутствует. Существуют, однако, определенно сложившиеся схемы конструктивного оформления электрокоагуляторов.

В зависимости от характера движения воды электрокоагулятора можно разделить на однопоточные, многопоточные или вертикальным движением воды. При вертикальном направлении движения воды электрокоагуляторы могут быть противоточные ( подача воды сверху, т.е. в направлении , противоположном движению пузырьковгаза, которые обеспечивают флотацию) и прямоточные (подача воды снизу).

По форме и расположению электродов электрокоагуляторы разделяют на аппараты с плоскими и цилиндрическими электродами, расположенными обычно вертикально. Вертикальное расположение электродов обусловленно большей жесткостью конструкции и неизменностью размеров электродной системы,а также лучшими условиями удаления выделяющихся газов и протекание процесса флотации. Расстояние между электродами в блоке зависит от электропроводности сточной воды и может составлять 6-20 мм. Продолжительность обработки определяется свойствами загрязнений и в среднем может изменяться в пределах 0,5-5 мин.

Электрокоагуляторы снабжают вытяжным вентиляционным устройством для удаления газов, механическими устройствами для удаления флотируемых продуктов с поверхности очищаемой воды и осадка из нижней части аппарата, а также устройствами для очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства.

Конструктивно электрокоагулятор обычно представляет собой корпус прямоугольный, или цилиндрической формы , в которую помещают электродную систему - ряд электродов.обрабатываемая вода протекает между электродами.



Глава 4. Описание конструкции электрокоагулятора

Электрокоагулятор предназначен для генерирования катионов металла (чаще всего алюминия и железа). В результате объемных процессов в межэлектродном пространстве формируются хлопья гидроокисей металлов, для удаления которых необходим блок последующей очистки (флотатор, отстойник, фильтр большой грязеемкости) (рис. 1).

Рис. 1. Схемы электрокоагуляционных установок

а) с последующим отстаиванием; б) с последующим фильтрованием; в) с последующей флотацией (электрокоагулятор); 1 - электродная камера; 2 - отстойник; 3 - промежуточный бак; 4 - насос; 5 - фильтр; 6 - флотационная камера

Образование катионов является результатом электрохимического растворения металлических анодов

,

где М - символ металла; n - его валентность.

При алюминиевых анодах

.

Таким образом, в результате поступления в воду требуемого количества катионов железа или алюминия возникает та же ситуация, что и при обработке воды коагулянтами: солями железа или алюминия. Появление в воде многовалентных катионов понижает устойчивость отрицательно заряженных коллоидов, так как уменьшается толщина диффузионного слоя коллоидальной частицы и понижается z - потенциал.

Как известно, устойчивость (стабильность) коллоидов обусловлена взаимодействием межмолекулярных сил взаимного притяжения и отталкивания, возникающих на границе соприкосновения двойных электрических слоев (ДЭС) сблизившихся частиц:

,

где U1 и U2 - соответственно силы отталкивания и притяжения.

Если D U больше нуля - укрупнение частиц невозможно, если меньше - произойдет слипание частиц, т.е. коагуляция.

В электрическом поле создаются особенно благоприятные условия для коагуляции, чему способствует дополнительно возникающая сила диполь-дипольного воздействия U3, уменьшающего ДЭС и поляризующего частицы:

.

Второй этап коагуляции сводится к химическому процессу образования нерастворимых гидроксидов металлов, их кристаллизации с последующим формированием хлопьев, способных флокулировать грубодисперсные примеси воды. Соответствующие химические реакции происходят в межэлектродном пространстве и включают один, а иногда несколько этапов:

;



;

;

.

Процесс хлопьеобразования в электрокоагуляторах протекает значительно интенсивнее, чем в камерах хлопьеобразования при реагентной коагуляции, что объясняется положительным влиянием электрофореза на взаимное укрупнение зародышей частиц гидроксидов и перемешиванием воды выделяющимися на катодах пузырьками водорода.

Благоприятные условия электрокоагуляции позволяют уменьшить дозы металла, необходимые для очистки, по сравнению с дозами при реагентной коагуляции на 10-20 % и более.

Помимо использования электрокоагуляции для дестабилизации коллоидов и флокуляции грубодисперсных примесей, метод применим в схемах очистки воды от ионов тяжелых металлов. Это становится возможным в результате такого повышения рН воды при электролизе, когда металлы переходят в состояние нерастворимых гидроксидов и осаждаются совместно с гидроксидами железа.

Как и другие электролизеры, электрокоагуляторы могут быть горизонтальными или вертикальными, что зависит от условий размещения и монтажа, а также от расходов обрабатываемой воды.

Аноды и катоды выполняются из алюминия, его сплавов, не содержащих медь, стали. Наряду с пластинчатыми электродами иногда используют засыпные из стальной стружки. Несмотря на некоторые преимущества (большая поверхность, низкая стоимость), засыпные электроды применяются редко, они засоряются гидрооксидами металлов и плохо регенерируются. Выбор материала для электродов зависит от технологических особенностей процессов очистки.

В связи с незначительным пенообразованием для таких электрокоагуляторов можно принимать ширину межэлектродных каналов менее 15-20 мм и при обосновании не предусматривать устройств для удаления пены.

При низкой плотности тока возрастает необходимая продолжительность пребывания обрабатываемой воды в межэлектродном пространстве, так как растворение анодов и хлопьеобразование протекают вяло. Увеличение продолжительности достигается за счет увеличения длины межэлектродных каналов последовательным размещением электродных блоков по ходу движения воды или за счет ее рециркуляции. Для удлинения межэлектродных каналов их выполняют не по обычной, параллельной, а по последовательной (лабиринтной) схеме (рис. 2, б).

Рис. 2. Схема движения воды по межэлектродным каналам:

а - параллельное; б - лабиринтное

Технологическая схема очистки сточных вод электрокоагуляцией показана на рис 3.

Рис. 3 Схема электрокоагуляционной установки:

1 -- усреднитель; 2 -- бак для приготовления раствора; 3 -- источник постоянного тока; 4 -- электрокоагулятор; 5 -- отстойник; 6 -- аппарат для обезвоживания осадка

Обезвоживание осадка проводят в фильтр-прессе или центрифуге. Выделяющийся в процессе газообразный водород можно использовать для флотации гидроксида. С этой целью в схеме очистки используют электрокоагуляторы-флотаторы, или специальные флотационные аппараты, например гидроциклоны-флотаторы. Замена отстойника на флотаторы позволяет значительно уменьшить габариты установки, сократить капитальные затраты и получить менее влажный осадок гидроксида.

Электрокоагуляционную очистку сточных вод можно использовать для очистки от эмульсий нефтепродуктов, масел, жиров (электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами). Эффективность очистки от нефтепродуктов составляет: от масел 54--68%, от жиров 92--99% при удельном расходе электроэнергии 0,2--3,0 Вт-ч/м3.

На практике наиболее широко используют безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть горизонтальным и вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными и смешанными. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно через промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). При однопоточной схеме вода проходит между электродами последовательно (последовательное соединение каналов), что уменьшает пассивацию электродов. Скорость движения воды у однопоточных электрокоагуляторов в п--1 раз больше, чем у многопоточных (га--число электродов).



Глава 5. Расчет и проектирование электрокоагулятора

1.Электрокоагуляторы со стальными электродами следует применять для очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности от шестивалентного хрома и других металлов при расходе сточных вод не более 50 м3/ч, концентрации шестивалентного хрома до 100 мг/л, исходном общем содержании ионов цветных металлов (цинка, меди, никеля, кадмия, трехвалентного хрома) до 100 мг/л, при концентрации каждого из ионов металлов до 30 мг/л, минимальном общем солесодержании сточной воды 300 мг/л, концентрации взвешенных веществ до 50 мг/л.

2.Величина рН сточных вод должна составлять при наличии в сточных водах одновременно:

шестивалентного хрома, ионов меди и цинка:

4-6 при концентрации хрома 50-100 мг/л;

5-6 « « « 20-50 «;

6-7 « « « менее 20 «;

шестивалентного хрома, никеля и кадмия:

5-6 при концентрации хрома свыше 50 мг/л;

6-77 « « « менее 50 «;

ионов меди, цинка и кадмия (при отсутствии шестивалентного хрома) - свыше 4,5;

ионов никеля (при отсутствии шестивалентного хрома) - свыше 7.

3.Корпус электрокоагулятора должен быть защищен изнутри кислотостойкой изоляцией и оборудован вентиляционным устройством.

4.При проектировании электрокоагуляторов надлежит принимать:

анодную плотность тока - 150-250 А/м2;

время пребывания сточных вод в электрокоагуляторе - до 3 мин;

расстояние между соседними электродами - 5-10 мм;

скорость движения сточных вод в межэлектродном пространстве - не менее 0,03 м/с;

удельный расход электричества для удаления из сточных вод 1 г

Cr6+, Zn2+, Ni2+, Cd2+,

Cu2+ при наличии в сточных водах только одного компонента - соответственно 3,1; 2-2,5; 4,5-5; 6-6,5 и 3-3,5 А*ч;

удельный расход металлического железа для удаления из сточных вод 1 г шестивалентного хрома - 2-2,5 г; удельный расход металлического железа для удаления 1 г никеля, цинка, меди, кадмия - соответственно 5,5-6; 2,5-3; 3-3,5 и 4-4,5 г.

5. При наличии в сточных водах одного компонента величину тока Icur, А, надлежит определять по формуле

Icur=2,7*7,5*3.3=66,825 А.

где qw - производительность аппарата, м3/ч;

Cen - исходная концентрация удаляемого компонента в сточных водах, г/м3;

qcur - удельный расход электричества, необходимый для удаления из сточных вод 1 г иона металла, А*ч/г.

При наличии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома величину тока надлежит определять по формуле (1), причем в формулу подставлять значения Cen и qcur для шестивалентного хрома. При суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома величину тока, определяемую по формуле (1), следует увеличивать в 1,2 раза, а величины Cen и qcur принимать для одного из компонентов, для которого произведение этих величин является наибольшим.

6. Общую поверхность анодов fpl, м2, надлежит определять по формуле

м2;

где ian - анодная плотность тока, А/м2.

При суммарной концентрации шестивалентного хрома и ионов тяжелых металлов в сточных водах до 80 мг/л, в интервалах 80-100, 100-150 и 150-200 мг/л анодную плотность тока следует принимать соответственно 150, 200, 250 и 300 А/м2.

7. Поверхность одного электрода fpl, м2, следует определять по формуле

? ?pl = 0,82*0,65=0,533 м2;

где bpl - ширина электродной пластины, м;

hpl - рабочая высота электродной пластины (высота части электродной пластины, погруженной в жидкость), м.

8. Общее необходимое число электродных пластин Npl надлежит определять по формуле

Общее число электродных пластин в одном электродном блоке должно быть не более 30. При большем расчетном числе пластин необходимо предусмотреть несколько электродных блоков.

9. Рабочий объем электрокоагулятора Wek, м3, следует определять по формуле

м3;

где b - расстояние между соседними электродами, м.

Расход металлического железа для обработки сточных вод QFe, кг/сут, при наличии в них только одного компонента надлежит определять по формуле

кг/сут

где qFe - удельный расход металлического железа, г, для удаления 1 г одного из компонентов сточных вод;

Kek - коэффициент использования материала электродов, в зависимости от толщины электродных пластин принимаемый равным 0,6-0,8;

Qw - расход сточных вод, м3/сут.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа для обработки сточных вод надлежит определять по формуле (6), в которую подставляются значения qFe иCen для шестивалентного хрома.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа надлежит определять по формуле (6) с коэффициентом 1,2, а qFe и Cen относить к одному из компонентов сточных вод, для которого произведение этих величин является наибольшим.



Выводы

1. На основании анализа литературных данных, был изучан электрокоагуляционный метод для очистки нефтьсодержащих сточных вод .

2. Рассчитаны и разработаны конструкции электрокоагулятора, производительность которой 100 м3 в сутки и степень очистки 97%.



Список литературы

1. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство/ Под редакцией проф. Кудрявцева В.Н.. - М.: Производственно-издательское предприятие «глобус», 1998. - 302 с. [1]

2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников и др. - М.: Химия, 1989. - 512 с.[2]

3. Волоцков Ф.П. Очистка и использование сточных вод гальванических производств. М.: Химия, 1983.

4. Варламова С.И., Семенов В.В. ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ШЛАМОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТОДОМ ФЕРРИТИЗАЦИИ // Фундаментальные исследования. - 2005. - № 1 - стр. 49-49

5. Березуцкий В.В. Аппарат для электрохимической очистки сточных вод Пат. №1691319 Российской федерации. МКИ С02 F 1/463, №4452193/26; заявл. 04.07.88; опубл.15.11.91 Бюл. №42.

Размещено на Allbest.ru