CC BY
212
УДК 628.349.087.5
В. Д. Назаров (д.т.н., проф.), С. В. Фурсов (асп.)
Гальванокоагулятор для очистки сточных вод от тяжелых металлов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра водоснабжения и водоотведения 450080, г. Уфа, ул. Менделеева, 197; тел. (347) 2282211, e-mail: t-l@bk.ru
V. D. Nazarov, S. V. Fursov
Galvanic coagulator for sewage treatment of heavy metals
Ufa State Petroleum Technological University 197, Mendeleeva Str, 450080, Ufa, Russia; ph. (347) 2282211, e-mail: t-1@bk.ru
Приведены результаты очистки производственных сточных вод от ряда примесей методом гальванокоагуляции. Описан разработанный авторами гальванокоагулятор, в котором применен механизм вибрации. Установлено, что под воздействием вибрации на гальванопару и фильтруемую воду происходит более интенсивное образование хлопьев загрязняющих веществ, которые легко удаляются на следующей ступени очистки механическим способом. Экспериментальным путем было обнаружено, что воздействие вибрации на электроды электрохимического источника тока повышает его выходную мощность, что приводит к более интенсивному коагулированию загрязняющих примесей в воде. Показана значимость разработанного устройства для промышленного применения.
Ключевые слова: вибрация; гальванокоагулятор; гальванопара; сточные воды; тяжелые металлы; фильтр; электрохимический источник тока.
Среди широкого спектра физико-химических способов очистки сточных вод практический интерес представляет метод гальванокоагуляции, разработанный «Казмеханобр» (г. Алма-Ата) 1. Метод основан на использовании эффекта короткозамкнутого гальванического элемента, помещаемого в обрабатываемый раствор. В качестве элементов гальванической пары чаще всего используют следующие: Бе — Си, Бе—С (кокс), М^—С, А1—Си др.
Метод весьма экономичен и обладает низкой удельной энергоемкостью благодаря тому, что электрическая цепь между элементами гальванопары возникает при погружении их в обрабатываемый раствор в условиях отсутствия внешнего источника энергии.
В ходе гальванокоагуляции одновременно протекают следующие физико-химические процессы: катодное восстановление и осаждение
Дата поступления 13.09.13
The results of treatment of industrial waste water from a number of impurities by galvano coagulation. The authors developed galvanic coagulator, which used the mechanism of vibration. Found that the effect of vibration on the galvanic and a filtered water is more intensive flocculation of pollutants that can be easily removed at the next stage of cleaning by mechanical means. It has been experimentally found that the effect of vibration on electrodes of the electrochemical power source leads to an increase in its output capacity, which leads to more intense coagulated impurities in the water. The significance of the developed device for industrial applications.
Key words: electrochemical power source; filter; galvanic; galvanic coagulator; heavy metals; vibration; wastewater.
ионов металлов; образование соединений, содержащих включения (клатраты); образование гидроксидов металлов; сорбция примесей на свежеобразованных поверхностях; коагуляция.
Рабочую зону аппарата загружают смесью частиц алюминия 20—70 % и меди 30—80 % 2. При контакте разнородных частиц образуется короткозамкнутый гальванический элемент, в котором происходит растворение более электроотрицательного металла, т.е. алюминия. При этом образуется коллоидный гидроксид, который является основным водоочистным средством. Незначительные расстояния между частицами способствуют повышению плотности тока, что наряду с развитой поверхностью частиц способствует интенсификации растворения металла. Смесь частиц путем перемешивания подвергают псевдоожижению. Это приводит к удалению гидроксида металла с поверхности частиц. Осветление очищаемой воды на 90% осуществляется за 18 мин.
В гальванокоагуляторах с высоким эффектом извлекаются тяжелые металлы (98— 99 %), а также происходит умягчение воды за счет образования комплексных солей с участием солей жесткости.
Известны конструкции гальванокоагуляторов, применяемых только с целью умягчения природных вод. При применении пары алюминий—активированный уголь достигнут эффект умягчения на 80% 3.
Гальванокоагуляционный метод целесообразно применять при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов, цветных и благородных металлов, неорганических анионов (сульфатов, хлоридов и др.), флотореагентов, нефтепродуктов и различных органических примесей. В табл. 1 приведены некоторые результаты обрабатываемых производственных
" 1
сточных вод от ряда примесей .
Таблица 1
Результаты очистки производственных сточных вод от ряда примесей методом гальванокоагуляции
Компонент, подлежащий извлечению Концентрация, мг/дм3
Исходная Конечная
Ог3+ 95.0 0.1
Ог0 101.0 0.1
Ре 78.9 0.1-1.0
1\Н 20.3 1.0
Си 85.0 0.15
гп 125.0 0.2
Сс1 180.0 1.5
Со 30.0 1.0
Мп 47.5 1.0
АБ 50.0 0.2
Э042 850.0 120.0
Цианиды 900.0 5.0
Фториды 203.0 12.0
Керосин 332.0 Отсутствует
Нефтепродукты 700.0 32.0
Стойкая эмульсия масла 820.0 24.0
Однако если при реализации метода гальва-нокоагуляционной очистки элементы, образующие гальванопару, будут неподвижны друг относительно друга, то из-за возникновения диффузионного барьера на границе раздела фаз снизится степень очистки: произойдет неизбежная цементация элементов гальванопары, что сделает практически неосуществимым сам метод. Таким образом, необходимым условием эффективного проведения процесса очистки сточных вод методом гальванокоагуляции является перемешивание элементов гальванопары.
Институтом «Казмеханопром» организован промышленный выпуск гальванокоагуля-
торов в виде вращающихся горизонтальных цилиндрических барабанов, загруженных смесью чистого железа и меди в соотношении 2.5:1. Оптимальное значение рН=2—4, скорость вращения барабана 30—60 об/ч. Вращение барабана обеспечивает контакт стружки с воздухом и очищает ее поверхность от продуктов электрохимических реакций. При производительности 10 м3/ч длина барабана составляет 10 м, расход электроэнергии на вращение барабана 2 кВт-ч/м3 4.
К недостаткам вышеописанного гальванокоагулятора следует отнести его большие габариты, энергопотребление, невозможность регулирования параметров процесса.
Целью данной работы явилась разработка гальванокоагулятора с частичным или полным устранением недостатков существующих аналогов.
Нами был разработан гальванокоагулятор, в котором перемешивание гальванопары заменено воздействием на нее вибрации. Гальванокоагулятор, изображенный на рис. 1, представляет из себя корпус 1 в виде цилиндрического сосуда, заполненный смесью 2 алюминия и активированного угля АГ-3. Опытным путем было установлено, что оптимальное соотношение алюминия к АГ-3 в загрузке — 75:25. В объеме гальванопары поочередно расположены алюминиевые 3 и графитовые 4 перфорированные диски. Перфорированные диски представляют собой электродную пару алюминий—графит, являющуюся электрохимическим источником тока, создающую электрическое поле в объеме гальванопары, способствующую протеканию процессов электрокоагуляции в гальванокоагуляторе. Вдоль оси колонки сквозь диски электродных пар проходит стержень 5, верхним концом жестко закрепленный на электромагнитном реле 6, предназначенном для создания вибрации. Электродные пары жестко закреплены на стержне. На выходе из гальванокоагулятора стоит фильтр тонкой очистки 7, представляющий собой фильтр, загруженный кварцевым песком фракции 0.8—1.2 мм.
Вибрация в гальванокоагуляторе создается за счет однополупериодного выпрямления переменного тока 220 В, подающегося на клеммы питания электромагнитного реле. В режиме фильтрации электромагнитное реле создает вибрацию с частотой 50 Гц, передаваемую по стержню на диски электродных пар. Диски, в свою очередь, передают вибрацию во весь объем гальванопары.
Самыми опасными и трудноудаляемыми из ливневых и производственных стоков за-грязня-
ющими веществами являются соединения таких тяжелых металлов, как медь 5. Нами был проведен опыт по фильтрации раствора 5-водного медного купороса Си8О4-5Н2О с концентрацией 1.6 г на 1 л воды, что соответствует концентрации меди в растворе С(Си)=407.2 мг/л. Фильтрация велась при разной скорости в 2 ступени: на первой ступени очищаемая жидкость проходила через гальванокоагулятор, на второй — через фильтр тонкой очистки. Результаты опыта представлены в табл. 2.
Опыт проводился при скоростях фильтрации 0.5—5 м/ч, что соответствует скоростям фильтрации промышленных фильтров.
По результатам опыта были сделаны выводы, что при фильтрации с вибрацией фильтрат после гальванокоагулятора обладает гораздо большей оптической плотностью, чем без вибрации. Это объясняется тем, что в процессе фильтрации с вибрацией фильтрующий материал менее подвержен пассивации и в гальванокоагуляторе интенсивнее проходит процесс образования хлопьев загрязняющих веществ. После тонкой очистки на второй ступени, взвешенные вещества задерживаются на адсорбционном фильтре и фильтрат, в случае фильтрации с вибрацией, содержит меньше загрязняющих веществ, чем в случае без вибрации.
На рис. 2 представлены графики зависимости концентрации меди в фильтрате после второй ступени очистки от скорости фильтрации С=ДУ), из которого видно, что эффект очистки воды от загрязнителей почти вдвое выше при фильтрации с вибрацией.
Оптимальные результаты были достигнуты при скорости фильтрации 1.5—3.0 м/ч. При данных условиях удалось понизить концентрацию меди в воде более чем на 98%. Таким образом, предложенное устройство осуще-
ствляет безреагентную обработку воды, позволяющую извлекать из сточных вод медь, относящуюся к трудно извлекаемым металлам.
Рис. 1. Гальванокоагулятор для очистки сточных вод от тяжелых металлов: 1 — корпус; 2 — гальванопара; 3 — алюминиевый перфорированный диск; 4 — графитовый перфорированный диск; 5 — стержень; 6 — электромагнитное реле; 7 — фильтр тонкой очистки.
Нами был проведен опыт, в ходе которого зафиксированы изменения значений напряжения и тока, вырабатываемых электрохимическими источниками, в результате воздействия на них вибрации.
Таблица 2
Результаты фильтрации воды от примесей в разработанном гальванокоагуляторе
Скорость фильтрации V, м/ч
0 4.78 2.39 1.59 1.19 0.96 0.8 0.68 0.60 0.53
Фильтрация без вибрации Концентрация меди в фильтрате С, мг/л (1 ступень) 407.2 26.0 14.3 17.3 17.3 14.3 19.3 27.0 20.4 20.4
Концентрация меди в фильтрате С, мг/л (2 ступень) 407.2 15.3 8.2 8.8 7.6 6.2 6.8 6.8 6.2 4.7
Фильтрация с вибрацией Концентрация меди в фильтрате С, мг/л (1 ступень) 407.2 65.0 65.0 61.0 52.0 35.0 43.0 41.0 46.0 40.0
Концентрация меди в фильтрате С, мг/л (2 ступень) 407.2 10.1 3.3 4.7 4.7 1.6 3.3 3.3 3.3 2.0
Гальванокоагулятор
Рис. 2. Сравнение результатов фильтрациис вибрацией и без вибрации
В модель фильтра установили пять электрохимических источников тока (электродная пара алюминий—графит), расположенных последовательно друг за другом. Значения тока I и напряжения и измерялись по схеме, изображенной на рис. 3.
На рис. 3 цифрами отмечены контуры, в которых производились измерения значений тока и напряжения. Сопротивление нагрузки Ин включено в схему с целью определения разности потенциалов электродов электрохимического источника, а также для осуществления съема электроэнергии с источников тока.
По результатам опыта были получены значения, представленные на рис. 4.
©
111 ,1 II \ 11II <к ! III \ ) 11 -ч
е
ГТТ1 п 11111111 111
\ V % \ /
■ 1 Л ш ■ ■ ■ ■ ■ ■
е
1ППП '1 II 1 1 !1 1 111
\ / V ! \ 1
■ 1 ■ ■ ■ ■ ■ ■
е
гггг п 1 1 1 1 1 1 1 II 111
ё'. у V I \ 1
■ У в и я ■ в в н и
©
III II 1 11 11 11 1
£ <1 \ ) \ 1
9 \ н к
К,,
<5>
ч
ч
ч
Рис. 3. Схема измерения напряжения и и тока I, вырабатываемых электрохимическими источниками тока
Напряжение и ток на всех контурах измерения возросли под воздействием вибрации на электроды, наилучшие результаты получены на третьем контуре, на котором значение напряжения возросло в 1.13 раза, значение тока возросло в 5.0 раз. Данное наблюдение позво-
Рис. 4. Зависимость тока и напряжения электрохимического источника тока от воздействия вибрации на его электроды
ляет сделать вывод, что воздействие вибрации на электроды в результате сложных электрохимических процессов приводит к увеличению выходной мощности электрохимического источника тока.
Рассмотрим мощность, вырабатываемую электрохимическими источниками тока в первом и во втором случае (рис. 5).
0,14 0,12 0,1
PL, й
о 0,06
12 3 4 5
Помер контура измерения □ с вибрацией ибез вибрации
Рис. 5. Изменение мощности электрохимического источника тока под воздействие вибрации на электроды
Литература
1. Аксенов В. И., Ладыгичев М. Г., Ничкова И. И., Никулин В. А., Кляйн С. Э., Аксенов Е. В. Водное хозяйство промышленных предприятий: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 1/ Под ред. В. И. Аксенова.— М.: Теплотехник, 2005.— 640 с.
2. Пат. 952756 СССР Способ очистки сточных вод //Пржегорлинский В. И., Иванишвили А. И. // Б.И.— 1982.- №31.
3. Клявлин М. С., Карамов И. В., Талипов Р. А. / Проблемы строительного комплекса России.— Уфа, 2002.— С.165.
4. Назаров В. Д., Зенцов В. Н., Назаров М. В. Водоснабжение в нефтедобыче. — Уфа: Нефтегазовое дело, 2010.— 447 с.
5. Колесников В. А., Ильин В. И., Капустин Ю. И. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / Под ред. В. А. Колесникова.— М.: Химия, 2007.— 304 с.
Среднее значение мощности электрохимического источника тока под воздействием вибрации на электроды увеличилось в 5.3 раза.
Следует отметить также эффективность воздействия вибрации на электроды, фильтрующую загрузку и другие элементы фильтра в режиме регенерации, когда происходит промывка фильтра. Задержанные фильтрующей загрузкой загрязняющие вещества под действием потока промывочной воды и вибрации более свободно перемещаются в объеме загрузки и, в конечном итоге, удаляются из фильтра.
Энергозатраты разработанной модели гальванокоагулятора определяются энергией, затраченной на работу электромагнитного реле, т.к. сама гальванокоагуляция происходит за счет процесса окислительно-восстановительной реакции на электродах и составляет менее 15 Вт/ч при производительности фильтра 4 л/ч.
Таким образом, предложенный вариант гальванокоагулятора представляет практическую значимость для промышленного применения, обладает следующими достоинствами:
— малые габариты;
— малое энергопотребление;
— простота конструкции;
— безреагентная обработка воды;
— высокий эффект очистки.
References
1. Aksenov V. I., Ladygichev M. G., Nichkova I. I., Nikulin V. A., Klyain S. E., Aksenov E. V. Vodnoe khozyaystvo promyshlennykh pred-priyatiy: Spravochnoe izdanie: V 2-kh knigakh. Kniga 1/ Pod red. V. I. Aksenova. — M.: Teplotekhnik, 2005.— 640 s.
2. Pat. 952756 SSSR Sposob ochistki stochnykh vod. Przhegorlinskiy V. I., Ivanishvili A. I.— Bulleten izobretenii.— 1982.- №31.
3. Klyavlin M. S., Karamov I. V., Talipov R. A. Problemy stroitel'nogo kompleksa Rossii.— Ufa, 2002.— P.165.
4. Nazarov V. D., Zentsov V. N., Nazarov M. V. Vodosnabzhenie v neftedobyche. — Ufa: Neftegazovoe delo, 2010.— 447 p.
5. Kolesnikov V. A., Il'in V. I., KapustinYu. I. Elektroflotatsionnaya tekhnologiya ochistki stochnykh vod promyshlennykh predpriyatiy. Pod red. V.A. Kolesnikova.— M.: Khimiya, 2007.— 304 p.
