Научная статья на тему 'Исследование сущности электрохимического процесса, как технологической составляющей очистки воды'

Исследование сущности электрохимического процесса, как технологической составляющей очистки воды Текст научной статьи по специальности «Химия»

CC BY
1817
229
Поделиться
Ключевые слова
МИНЕРАЛЬНЫЕ И ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРИМЕСИ ВОДЫ / КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД / ПИТЬЕВАЯ ВОДА / ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ / ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР / ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОЛИЗА / ЭЛЕКТРОЛИЗЁРЫ / ЭЛЕКТРОРЕАГЕНТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Аннотация научной статьи по химии, автор научной работы — Лепеш Григорий Васильевич, Грицай Елена Ивановна, Хотулев Вадим Анатольевич

Проведен анализ состава природных источников питьевой воды. Исследуются электрохимические методы очистки воды от примесей. Описывается разработанная конструкция бытового доочистителя водопроводной воды, основанного на электрореагентной технологии.

STUDY THE ESSENCE OF ELECTROCHEMICAL PROCESS, AS THE TECHNOLOGICAL COMPONENT OF THE WATER PURIFICATION

The analysis of natural sources of drinking water. Explores the electrochemical methods of water purification from impurities. Describes the design of domestic tap water purifier technology-based reagent and electrochemical joint processing.

Похожие темы научных работ по химии , автор научной работы — Лепеш Григорий Васильевич, Грицай Елена Ивановна, Хотулев Вадим Анатольевич,

Текст научной работы на тему «Исследование сущности электрохимического процесса, как технологической составляющей очистки воды»

УДК 628.18

ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, КАК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Г.В. Лепеш1, Е.И. Грицай2, В.А. Хотулев3

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А

Проведен анализ состава природных источников питьевой воды. Исследуются электрохимические методы очистки воды от примесей. Описывается разработанная конструкция бытового доочистителя водопроводной воды, основанного на электрореагентной технологии.

Ключевые слова: минеральные и органические примеси воды; классификация природных вод; питьевая вода; электрохимические способы очистки воды; электрохимический реактор; процесс электролиза; электролизёры; электрореагентная технология.

STUDY THE ESSENCE OF ELECTROCHEMICAL PROCESS, AS THE TECHNOLOGICAL COMPONENT OF THE WATER PURIFICATION

G.V. Lepesh, E.I. Gritsay, VA. Hotulev

St. -Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, street Kavalergardsky, lit.7 A.

The analysis of natural sources of drinking water. Explores the electrochemical methods of water purification from impurities. Describes the design of domestic tap water purifier technology-based reagent and electrochemical joint processing.

Keywords: mineral and organic impurities water; classification of natural water; drinking water; electrochemical methods of water purification; electrochemical reactor; electrolysis process; electrolyzers; technology rea-

gent and electrochemical joint processing

1. Минеральный состав природных вод

Минеральный состав природных вод разнообразен. К минеральным примесям воды относятся растворенные в ней содержащиеся в атмосфере газы N2, О2, СО2, образующиеся в результате окислительных и биохимических процессов N^, СН4, H2S, а также газы, вносимые сточными водами; различные соли, кислоты, основания, в значительной степени находящиеся в диссоциированной форме, т.е. в виде образующих их катионов и анионов.

Сравнение качества воды различных источников выполняется в соответствии с принятой классификацией [1].

В природных водах, используемых для бытовых целей, обычно присутствуют анионы и катионы (табл.1), от которых в основном и зависят вкусовые и санитарно-гигиенические свойства воды. Поэтому природные воды в основном классифицируют по степени минерализации и по химическому составу.

Природные воды представляют собой собственно воду - химическое соединение кислорода и водорода - и растворенные в ней вещества, обусловливающие ее химический состав и свойства. В воде растворяются твердые,

жидкие и газообразные вещества, которые делятся на три группы:

Т аблица 1. Ионы, наиболее часто встречающиеся в природных водах [2]

Катион Анион

Наименование Обо- зна- чение Наименование Обо- значе- ние

Водород H+ Г идроксильный OH-

Натрий Na+ Бикарбонатный HCO3-

Аммоний nh4+ Хлоридный Cl-

Кальций Ca2+ Сульфатный SO42-

Магний Mg2+ Нитритный no2-

Железо (двух-и трехвалентное) Fe2+, Fe3+ Нитратный NO3-

Барий Ba2+ Силикатный SiO32-

Алюминий Al3+ Ортофосфорный PO43-

Калий K+ Фторидный F-

^ хорошо растворимые (в 100 г воды растворяется более 10 г вещества);

^ плохо растворимые, или малорастворимые (в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества);

^ практически не растворимые (в 100 г воды растворяется менее 0,01 г вещества).

В подавляющем большинстве случаев солевой состав природных вод определяется катионами Са2+, Мg2+, №+, К+ и анионами НСОз-, С1" , 8042". Эти ионы называются главными ионами воды или макрокомпонентами; они определяют химический тип воды. Остальные ионы присутствуют в значительно меньших количествах и называются микрокомпонентами; они не определяют химический тип воды.

Классификация природных вод по химическому составу предложена О. А. Алекиным (рис. 1). Она считается наиболее приемлемой для вод, используемых в питьевых и хозяйственно-бытовых целях. В ее основу положены два принципа: преобладающих ионов и соотношения между ними.

По преобладающему аниону воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Воды каждого класса делятся, в свою очередь, по преобладающему катиону на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа подразделяется на 4 типа по соотношению содержащихся в воде ионов (в эквивалентах). При этом класс природных вод обозначается символом соответствующего аниона: С - НСОз-, 8 - 8042-, С1 - С1-;

группа: символом катиона: К+, №+, Са2+, Мg2+; тип - римской цифрой.

2+.

Рисунок 1. Классификация природных вод по химическому составу

2. Загрязнения природных вод

Вода является великолепным растворителем, в котором могут растворяться не только минеральные, но и органические вещества, созданные как природой, так и человеком. В ней могут присутствовать также вещества во взвешенном состоянии: частицы песка и глины, коллоидные и механические примеси и живые организмы различных форм и размеров. Исходная, чистая вода попадающая на землю в виде дождя, снега, града, росы, изморози и тумана, насыщаясь различными веществами и организмами, загрязняется и, как правило, ста-

новится непригодной для питья или использования для хозяйственно-бытовых нужд без предварительной очистки.

Значительное воздействие на природные водные объекты оказывает сельскохозяйственное производство. Интенсификация оросительного земледелия приводит к поднятию уровня грунтовых вод и усилению; засоленности почв, способствуют появлению в них хло-рорганических соединений - это, в первую очередь, полихлордифенилы (ПХД) и дельные пестициды (ДДТ, ГХЦГ и гексахлорбензол). Эти соединения обладают высокой стабильностью в условиях окружающей среды.

При обработке природных вод хлорированием из неканцерогенных «предшественников» могут образовываться опасные в канцерогенном отношении галогенсодержащие соединения (ГСС). В питьевой воде может содержаться до 100 ГСС, среди них наиболее часто и в небольшом количестве встречаются хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан, бромоформ, 4-хлористый углерод, дихлорэтан, трихлорэтан, тетрахлорэтан и др. Причем в не-хлорированной воде эти вещества, по мнению ряда исследователей, не встречаются или встречаются в минимальном количестве.

В воде могут присутствовать также микроскопические личинки паразитов, амебные цисты, бактерии в споровой форме и другие патогенные формы. Их источники - сточные воды. Среди патогенных микроорганизмов чаще других обнаруживаются сальмонеллы, ши-геллы, пастереллы, вибрионы, микобактерии, энтеровирусы человека, амебные цисты, личинки нематод, энтеропатогенные Е.СоИ и др.

Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют на истинно-растворенные (ионно- или молекулярнодисперсные), распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекул; коллоиднодисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм; грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0.1 мкм). (табл. 2) Данная классификация носит условный характер.

Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из-за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и обладают значительной удельной поверхностью. Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком, фильтровальной бумагой).

В природных водах в коллоиднодисперсном состоянии находятся различные

производные кремниевой кислоты и железа, органические вещества - продукты распада растительных и животных организмов.

Грубодисперсные примеси воды, называемые также суспензиями или взвешенными веществами с частицами размером порядка нескольких микрометров, проявляют свойства, аналогичные коллоидным системам и их часто объединяют под общим названием микрогете-рогенных систем. Они имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное седиментационное равновесие, и примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при плотности частиц меньше плотности воды).

Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные примеси обусловливают мутность воды. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное равновесие и тем легче выделяются они из воды при отстаивании или фильтровании (табл. 3). Так, скорость отстаивания частиц песка и ила размерами 100 и 20 мкм составляет в неподвижной воде при 10°С соответственно около 7 и 0,4 мм/с.

Таблица 2. Классификация вод по фазоводисперсному состоянию примесей [1]

Применяются также и другие принципы классификации вод, например - фирмы ЯоЬш & Иаа8 [1], которая подобна классификации Кульского, но дополнительно содержит полезные сведения, например, способы удаления примесей.

3. Электрохимические методы очистки воды

Одним из естественных процессов, имеющих самое широкое распространение в живой и неживой природе, является электрохимическое преобразование веществ, т.е. окислительно-восстановительные реакции, связанные с удалением или присоединением электронов. Этот природный процесс более эффективен в сравнении с фильтрацией, сорбцией, ионным обменом - широко используемыми для очистки питьевой воды [3] - по экономичности, скорости и качеству.

Установки по реализации этих методов, как правило, компактны, высокопроизводительны, а процессы управления ими и контроля качества воды сравнительно просто автоматизируются. Обычно электрохимическая обработка используется в сочетании с другими способами очистки, позволяя успешно очистить природные воды от примесей различного состава и дисперсности.

Электрохимическими методами можно корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, они обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки. Во многих случаях электрохимические методы исключают «вторичное» загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных методов.

Известные устройства, основанные на электрохимических принципах очистки питьевой воды используются, как правило, на последней финишной стадии очистки. Такие устройства используют электрохимическую коагуляцию и электрохимическую флотацию. Исследуется также возможность применения таких методов как электрофорез, электрокатализ, разряд малой мощности (РММ), высоковольтный электроискровой разряд (ВЭИР) и электромем-бранный метод - деионизация.

Электрохимическая коагуляция - процесс очистки воды от коллоидных и мелкодисперсных примесей с использованием коагулянтов - гидроксидов металлов (алюминия, железа), осуществляемая посредством пропускания через воду направленного электрического тока. Для реализации процесса используют специ-

Груп па Наименование примесей Размер частиц, мкм Характеристика примесей

Г етерогенная система

I Взвеси >10-1 Суспензии и эмульсии, обусловливающие мутность воды; микроорганизмы и планктон

II Коллоид- но- растворенные вещества 10-1- 10-2 Коллоиды и высокомолекулярные соединения, обусловливающие окисляемость и цветность воды; вирусы

Гомогенная система

III Молекулярно-растворенные вещества 10-2 -10-3 Газы, растворимые в воде; органические вещества, придающие воде запах и привкус

IV Вещества диссоциированные на ионы (электролиты) < 10-3 Соли, кислоты, основания, придающие воде жесткость, щелочность и минерализован-ность

альный сосуд - электролизер (рис. 2). Электролизер представляет собой сосуд (или несколько сосудов), заполненный электролитом, с размещенными в нем электродами — катодом и анодом. [2]. Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, создаваемом электродами - проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Растворимые аноды изготавливают из указанных металлов (алюминий, железо).

+ -

О) Электролит ф ■ •

Анод Катод

Рисунок 2. Схема процесса электролиза

Металл анодов под действием постоянного тока ионизируется и переходит в очищаемую воду. Образующиеся в воде гидроксиды алюминия или железа коагулируют дисперсную фазу.

Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению в воду 6,33 г Л12(804)з, растворение 1 г железа - введению 2,9 г БеС13 или 3,58 Ре2^04)з.

Возможна реализация процесса на нерастворимых электродах. При использовании нерастворимых электродов коагуляция может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные оболочки на поверхности частиц загрязнений.

Электрокоагуляцию рекомендуется проводить в нейтральной или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м2, расстоянии между электродами не более 20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с.

Достоинства электрокоагуляции: отсутствие потребности в реагентах, малая чувствительность к изменениям условий процесса очистки, получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Недостаток метода - повышенный расход металла и электроэнергии.

При электрохимической флотации основную роль играют пузырьки водорода, обра-

зующиеся на катоде и пузырьки кислорода, образующиеся на аноде при электролизе воды.

Газовые пузырьки поднимаются в воде, сталкиваются со взвешенными частицами, прилипают к ним и выносят их на поверхность. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при других методах флотации. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырьки водорода обладают большей растворимостью, чем крупные. Такие пузырьки выделяются на поверхности частиц загрязнений, способствуя эффекту флотации.

Электрохимическую флотацию часто применяют для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, пищевых предприятий, а также при разделении и уплотнении активного ила после аэротенков на биологических очистных сооружениях. Оптимальное значение плотности тока 200... 260 А/м2.

Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высокоустойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными группами, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев, и наступает интенсивная коагуляция. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на анодное растворение металла уменьшается.

Процесс очистки природных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм эффективность процесса повышается и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные мембраны представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом. Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. Расстояние между мембранами оказывает большое влияние на эффек-

тивность работы электродиализатора. Оно составляет 1.. .2 мм.

Расход энергии при очистке воды, содержащей 250 мг/л примесей, до остаточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт-ч/м3. С увеличением солесодержания в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению показателей очистки.

При электрохимической обработке используются вещества, образующиеся в процессе электролиза, что в определенных условиях экономически целесообразно и позволяет отказаться от сложного реагентного хозяйства. Электрохимические процессы достаточно легко автоматизируются и могут обеспечить улучшение практически всех показателей качества воды. Электрохимические методы хорошо сопрягаются с другими методами обработки воды, такими как фильтрование, ионный обмен и мембранные технологии. В основе электрохимических методов обработки лежат два вида взаимно дополняющих друг друга процессов: электродные, протекающие при электролизе водных растворов, и процессы переноса электричества ионами в объеме электролита (электролитическая миграция ионов). Эти процессы используются в электрохимических установках различных конструкций (электролизеры, комбинированные установки и др.) [4].

В бытовых фильтрах, как правило, применяют аноды из растворимых материалов. Электролитически полученные окислители вступают в реакцию с присутствующими в воде органическими и минеральными веществами. Протекающие при этом процессы обеззараживания аналогичны процессам обеззараживания воды хлорированием на городских водоочистных станциях. На катоде происходит восстановление ионов водорода до атомов и молекул водорода, а аноды из растворимых материалов (алюминий, железо, серебро) в результате электролиза растворяются:

Ме0 — пе~--------Меп+ (1)

Продукты электролиза (ионы алюминия и железа) могут быть использованы для электрохимического коагулирования цветных и высокомутных природных вод, ионы серебра -для обеззараживания. При реализации электрохимической коагуляции возможно вторичное загрязнение воды продуктами электролиза, которые необходимо тщательно отфильтровывать. Если растворимый анод выполнен из серебра, то в результате растворения анода ионы серебра переходят в раствор, который приобре-

тает бактерицидные свойства. Такой процесс носит название электрохимического серебрения воды [2].

4. Особенности электролиза воды

Вода сама по себе - плохой проводник, однако находящиеся в растворе заряженные ионы, образующиеся при диссоциации электролита, под действием напряжения, приложенного к электродам, двигаются по двум противоположным направлениям: положительные ионы (катионы) к катоду, отрицательные (анионы) - к аноду (рис.3). Анионы отдают аноду свои «лишние» электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Одновременно с этим катионы, достигая катода, получают от него недостающие электроны и также становятся нейтральными атомами или группой атомов (молекулами). При этом число электронов, получаемых анодом, равно числу электронов, передаваемых катодом. В цепи протекает постоянный (или импульсный однонаправленный) электрический ток.

Рисунок 3. Бездиафрагменный (слева) и диафраг-менный электролизеры

Таким образом, при электролизе протекают окислительно-восстановительные процессы: на аноде - потеря электронов (окисление), на катоде - приобретение электронов (восстановление). Однако механизм электрохимических реакций существенно отличается от обычных химических превращений веществ. Отличительная особенность электрохимической реакции - пространственное разделение электрохимических реакций на два сопряженных процесса: процессы разложения веществ или получения новых продуктов происходят на границе электрод-раствор при помощи электрического тока.

При проведении электролиза одновременно с электродными реакциями в объеме раствора происходят изменение рН и окислительно-восстановительного потенциала системы, а также фазоводисперсные превращения примесей воды [1].

В нейтральных растворах, к числу которых относятся и природные воды, водородный показатель рН лежит в пределах от 7 до 8. Содержащиеся в воде ионы водорода под действием напряженности электрического поля начинают двигаться к катоду, а ионы гидроксила

- к аноду. При использовании нерастворимых электродов на аноде происходит разряд гидроксильных ионов и молекул воды:

4 0Н" = 02 + 2 Н20 + 4е"; (2)

2 Н20 = 02 + 4Н+ + 4е" (3)

На катоде происходит восстановление ионов водорода и образование сначала атомарного, а затем и молекулярного водорода:

Н+ + е" = Н0 ; (4)

Н0 + Н0 = Н2. (5)

Если электродное пространство электролизера разделено мембраной (см. рис. 3, справа), то в анодной части образуется слабый кислотный раствор НС1 (так называемая «мертвая» вода), а в катодной - слабый щелочной раствор КаОИ («живая» вода). В зависимости от исходной солености воды и количества пропущенного электричества величина рН анодного пространства составляет от 6 до 1 - 2. В катодном пространстве накапливается раствор с величиной рН от 8 до 11 - 12. Подобным образом выполнены все электрохимические устройства для получения «живой» и «мертвой» воды, например, «Биоаква», «Изумруд» («Сапфир») и др.

При электролизе растворов, содержащих хлориды, на аноде может протекать реакция выделения газообразного хлора:

2СГ 2е" ^ С12 (6)

Образующийся хлор растворяется в воде с образованием хлорноватистой и соляной кислот. Продукты электродных реакций - газообразные кислород и хлор - используются для окисления содержащихся в природных водах органических веществ природного и антропогенного происхождения. Газообразный хлор при гидролизе образует хлорноватистую кислоту и гипохлорид - ион.

Электролизеры могут быть снабжены одной или несколькими диафрагмами - пористыми перегородками или мембранами, разделяющими катодное и анодное пространства (рис. 3). Диафрагменные электролизеры, как правило, снабжены ионообменными мембранами, пропускающими ионы одного знака (катионы или анионы). Это позволяет разделять продукты электролиза, образующиеся на разных электродах, а также регулировать процессы переноса ионов в объеме электролизера.

Процессы, протекающие в электролизёрах, называются электродными реакциями. В

зависимости от материала анода и катода могут протекать различные электродные реакции. Для изготовления электродов применяются различные электропроводные материалы. Нерастворимые аноды изготавливаются из графита, углеграфитовых материалов, платиновых, окислов некоторых металлов, используются также малоизнашивающиеся титановые аноды, покрытые окислами рутения (ОРТА). Растворимые аноды выполняются из алюминия и его сплавов, железа и серебра, катоды, как правило,

- из нержавеющей стали [2]. При прохождении воды через межэлектродное пространство электролизера происходит ее электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительновосстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

Эффективность электрохимических методов оценивается плотностью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.

Плотность тока - это отношение тока к поверхности электрода (А/м2, А/см2).

Напряжение электролизера складывается из разности электродных потенциалов и падения напряжения в растворе:

и = еа - вк + Ава + Аек + ДЦэл + АUдиаф, (7) где ва и вк - равновесные потенциалы анода и катода; Аеа и Аек - величина анодной и катодной поляризации; Аиэл и Аидиаф - падение напряжения в электролите и диафрагме.

Падение напряжения в электролите при отсутствии пузырьков газа определяют по закону Ома:

АЦ,л = 1 -р - 5 , (8)

где 1 - плотность тока в очищаемой воде, А/см ; р - удельное сопротивление, Ом-см; 5 - расстояние между электродами, см.

При выделении газовых пузырьков, вследствие усиления тока между электродами, Аиэл возрастает.

Отношение пнапр = (ва - ек )/и называют коэффициентом полезного использования напряжения.

При реализации электрохимических способов водоподготовки обеспечивается обеззараживание жидкости, так как электролиз водных растворов сопровождается образованием в объеме электролита сильных дезинфектантов. Наложение электрического поля на обрабатываемую воду может вызвать необратимое агрегатирование микроорганизмов, что позволяет их отделить на фильтре для грубодисперсных примесей [1].

5. Электролитическое обеззаражи-

вание воды

Современным способом обеззараживания питьевой воды является добавление гипохлорита натрия, получаемого непосредственно в электролизерах. Гипохлорит натрия представляет собой соль хлорноватистой кислоты. Действующим началом гипохлорита является гипохлоритный ион (ОС1-). Применяют два способа электрохимического обеззараживания: получение гипохлорита натрия электролизом с последующим введением его в обрабатываемую воду и непосредственный электролиз обрабатываемой воды. Получение гипохлорита натрия в электролизере производят в периодическом или непрерывном режимах. При периодическом режиме работы исходный раствор соли заливают в непроточный электролизер, проводят электролиз до получения требуемой концентрации гипохлорита натрия, затем сливают в бак-накопитель и используют его оттуда по мере необходимости.

Проточный режим предусматривает непрерывный электролиз раствора хлорида натрия с одновременным дозированием гипохлорита в обрабатываемую воду.

В настоящее время большинство исследователей и практиков отдают предпочтение двухстадийной организации процесса обеззараживания питьевой воды. На первой стадии обработку воды ведут с помощью озона - на этой стадии происходит обеззараживание воды и достигается глубокая окислительная деструкция органических примесей. На заключительной стадии непосредственно перед подачей воды в распределительную сеть проводят так называемое финишное обеззараживание с помощью хлорирующих агентов, обладающих длительным действием, что обеспечивает устойчивость воды к повторному инфицированию.

При использовании такой комбинированной схемы обеззараживания воды возможно значительное сокращение дозировки хлорирующих агентов в 8 10 раз, что приводит со-

ответственно и к уменьшению содержания в воде хлорированных углеводородов.

Идея применения импульсного электрического разряда для обеззараживания воды принадлежит Л. А. Юткину [5]. Достигнутые в 60-70-е годы экспериментальные значения удельной энергоемкости обеззараживания импульсным разрядом оказались достаточно высокими (~ 1-10 kWh/m3 в зависимости от концентрации микроорганизмов), что не позволило приступить к практическим работам. Прогресс в области импульсной энергетики, потребность

в безреагентных методах обеззараживания воды возродили интерес к идее Л.А. Юткина. Отличительная особенность таких разрядов - локальное многофакторное воздействие на микроорганизмы в области, непосредственно прилегающей к зоне разряда, удельная энергоемкость ~ 0,5^1,0 kWh/m3. Обеззараживание в значительно большем объеме воды может быть достигнуто мощными импульсными разрядами с энергией в импульсе порядка нескольких к.Т. Такие разряды, по сравнению с импульснопериодическими, позволяют снизить удельную энергоемкость за счет значительного сокращения числа разрядов и существенного увеличения объема обеззараживаемой воды, увеличить ресурс емкостного накопителя вследствие уменьшения числа циклов «заряд - разряд» [6].

6. Электрореагентная очистка питьевой воды

Электрореагентная очистка питьевой воды сочетает традиционную реагентную очистку питьевой воды путем последовательной дозации кислой РС1 и щелочной РС2 смесей в очищаемую воду с электрообработкой ее в электрохимических реакторах. Современная технология электрореагентной очистки воды разработана А.П. Матвеенко [5] и реализована в установках, включающих две последовательные стадии электрообработки с промежуточным удалением осадков между ними [6]. Электрообработка производится в проточноциркуляционном реакторе. Обрабатываемая вода многократно проходит через межэлек-тродное пространство реактора и подвергается воздействию электрического поля постоянного тока.

На рис. 4 представлен общий вид бытового доочистителя водопроводной воды, разработанного на малом инновационном предприятии ООО «Кондиция водных сред» [7] и реализующего электрореагентную технологию двухстадийной очистки.

Здесь электрообработка проводится в двухсекционном электрохимическом реакторе, где вода рециркулирует под действием гидравлического насоса. Секции реактора расположены концентрически, так что в наружном секторе формируется кислая среда, а во внутреннем

- преимущественно щелочная. На выходе из реактора устанавливается значение pH близкое к нейтральному. Процессы подачи реагентных смесей РС1 и РС2 постадийно контролируются программируемыми насосами - дозаторами. На стадии электрообработки вода подвергается действию постоянного и импульсного электри-

ческого тока, что приводит к изменению ее кластерной структуры и окислительновосстановительного потенциала до отрицательных значений. Для отделения крупнодисперсного осадка на выходе из очистителя установлен механический фильтр. Установка комплектуется баком - накопителем, обеспечивающим при необходимости подогрев воды, а также импульсным источником питания, работающим от трехфазной сети напряжением 380 В (50 Гц). Производительность установки регулируется до 400 л/час.

Наличие программируемых насосов -дозаторов позволяет обеспечивать и контролировать обе стадии процесса электрореагентной обработки в зависимости от химического состава находящихся в ней примесей. Это позволяет расширить область применения бытового доочистителя водопроводной воды для применения его в некоторых условиях очистки питьевой воды от природных источников (скважин, колодцев и др.).

Рисунок 1. Бытовой доочиститель водопроводной воды: а) - общий вид; б) - электрохимический реактор

Обработка обеспечивает структурирование и выделение в осадок взвешенных веществ и примесей тяжелых металлов, окисли-

тельную деструкцию токсичных веществ, органических загрязнений, хлорпроизводных,

СПАВ, и микроорганизмов.

Литература

1. Хохрякова Е.А., Резник Я.Е. Водоподготовка / Под ред. д.т.н. С.Е. Беликова. - Москва: Издательский Дом «Аква-Терм», 2007. - с. 15-18. - 240 с.

2. Миклашевский Н. В.г Королькова С. В. Чистая вода. Системы очистки и бытовый фильтры. - СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, «Издательская группа «Ар-лит». 2000. -240 с.

3. Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). Учебное пособие. Под ред. доктора технических наук, профессора, академика МАНЭБ и АТП РФ А.Г.Ветошкина - Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2004. - с.

4. Г. И. Воловник М. И. Коробко Электрохимическая очистка воды. Учебное пособие Хабаровск Издательство ДВГУПС. 2002.

5. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект. М.-Л., 1955. 51 с.

6. Вилков К. В., Григорьев А. Л., Нагель Ю. А., Уварова И. В. Обеззараживание воды импульсными электрическими разрядами Федеральное государственное унитарное предприятие Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша, Москва, Россия, «Водоснабжение и канализация» 0/2008, с 7- 12

7. Матвеенко А.П. Электрореагентная технология очистки и кондиции водных растворов и коллоидных ассоциатов.// Технико-технологические проблемы сервиса. № 2(8), 2009. - с. 50 - 54.

8. Установка электрореагентной очистки природной питьевой воды./ Матвеенко А.П., Гаврикова А.Е. Патент на полезную модель № 101701 по заявке № 2010131296 от 27 июля 2010 г.

9. Лепеш Г.В. Матвеенко А.П., Носов Э.С. Обоснование и разработка агрегатов электрореагентной очистки питьевой воды.//Технико-технологические проблемы сервиса. №1(11). 2010. - с. 64 - 79.

1Лепеш Григорий Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения", СПбГУСЭ, тел.: (812) 368 42 89, моб.: +7 921 751 28 29, e-mail: gregoryl@yandex.ru;

2Грицай Елена Ивановна — аспирант кафедры "Машины и оборудование бытового и жилищнокоммунального назначения", СПбГУСЭ, тел.: (812)3684289, моб.: +7 965 099 62 09, e-mail: elena-gritsay@yandex. ru;

3Хотулев Вадим Анатольевич — инженер-конструктор OOO «Кондиция водных сред», моб.: +7 952 350 70 25, e-mail: Riotek1@mail.ru.