Очистка природных вод с помощью электрохимически генерированных гидроксидов железа и алюминия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.087.7, 66.081.6

ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ ГЕНЕРИРОВАННЫХ ГИДРОКСИДОВ

ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ Глазков Сергей Владимирович, аспирант, [email protected], Лукашева Г алина Николаевна, кандидат химических наук, доцент, ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва,

ПУНПЛ Инженерной химии, г. Москва

The author presents the prospects of clearing of natural water by the aluminum coagulant mixed iron received by electrolysis of sodium chloride with metal electrodes, in comparison with the processing of aluminum-containing coagulants. The article gives the estimation of an acceptability and efficiency of the offered method for clarification of waters with high chromaticity and turbidity.

Рассмотрены перспективы очистки природной воды смешанным железоалюминиевым коагулянтом, получаемым путем электролиза раствора хлористого натрия с металлическими электродами, в сравнении с обработкой алюминийсодержащими коагулянтами. Проведена оценка приемлемости и эффективности предложенного метода для осветления вод с высокой цветностью и мутностью.

Keywords: natural water, clearing, electrochemical coagulation

Ключевые слова: природная вода, очистка, электрохимическая коагуляция

Обработка коагулянтами на основе растворимых солей алюминия является практически единственным методом очистки воды от мутности, цветности, органических и неорганических, природных и антропогенных загрязнений (взвешенных, коллоидных и растворенных). От того, как осуществляется этот процесс на водопроводной станции, в основном зависит качество питьевой воды, подаваемой в городскую сеть.

Существующие способы осветления на станциях водоподготовки из-за повышенного загрязнения водоисточников оказываются в большинстве случаев недостаточно эффективными. Так, по данным Госсанэпиднадзора России [1], качество питьевой воды, производимой коммунальными и ведомственными водопроводами, все еще продолжает оставаться неудовлетворительным. Нормальной работе водоочистных сооружений препятствуют участившиеся случаи непредвиденного ухудшения качества воды вследствие аварийных сбросов в водоемы жидкостей, содержащих повышенные

концентрации загрязнений, периодами паводка и интенсивного цветения сине-зеленых водорослей.

Проблема приобретает особую актуальность в связи с ужесточением норматива по содержанию остаточного алюминия до 0,2 мг/дм3. Так, при применении перспективных полиоксихлоридов алюминия (ОХА) несмотря на их эффективность по результатам работы [2] концентрация остаточного алюминия находится на уровне 0,5 мг/дм3.

В указанных случаях более перспективными следует считать электрохимические методы коагуляционной обработки воды [3], не требующие применения специальных реагентов, устройств и емкостей для их хранения и приготовления, а также капитальных очистных сооружений. Аноды из железа, алюминия, меди и др. металлов растворяются при электролизе с переходом в раствор соответствующих катионов, которые при гидролизе образуют нерастворимые гидроксиды, обладающие повышенной адсорбционной активностью к взвешенным и коллоидным веществам.

Метод электрокоагуляции особенно перспективен и при водоснабжении в северных регионах в водах с высокой цветностью, из рек южных регионов с высокой мутностью, и удаленных районов, в которые поставка коагулянтов затруднительна и удобнее проводить обработку воды коагулянтом, получаемым на месте.

Широкому распространению электрокоагуляции мешают непроизводительные потери электроэнергии на единицу объема обрабатываемой воды из-за явлений поляризации и пассивации электродов [4] и низкой электропроводности.

Названный недостаток может быть устранен введением в воду малых количеств солей электролитов, например №С1 или бишофита MgCl2•6H2O, фоновая электропроводность раствора резко повышается, это позволяет увеличить выход по току ионов Л13+ и Fe3+, кроме того, благодаря активирующему действию хлорид-ионов скорость растворения стальных электродов увеличивается, а пленка оксида алюминия растворяется.

Растворение 1 г металлического алюминия или железа эквивалентно введению 12,3 г Л12^04)318Н20 и 4,9 г FeSO4•7H2O соответственно.

Очистка и генерация коагулянта может осуществляться в компактных легко обслуживаемых контакных камерах, что особенно важно для автономных объектов и станций малой производительности для снабжения питьевой водой небольшого числа потребителей (на судах и кораблях, в полевых условиях, сельском хозяйстве, частных домах). Экспериментальное моделирование такого процесса проводилось в лабораторной установке, изображенной на рис. 1. Электролитом является раствор хлорида натрия, в

который погружены алюминиевый (2) и железный (3) электроды (в форме стержней) подключенные к источнику питания (6), работающего в режиме поддержания заданной величины тока на протяжении всего эксперимента постоянным. Материал анодов - сталь Ст3 ГОСТ 380-2005, и катодов - электротехнический алюминий марки А5 ГОСТ 110692001. Установлено, что вследствие высокой сорбционной способности электрохимически полученных гидроокисей алюминия А1(ОН)3 и железа Fe(OH)з применение соответствующих электродов является универсальным решением [4].

Растворы из катодного и анодного пространства анализировались по отдельности, без предварительного смешивания (табл. 1). Определение массовой концентрации алюминия и железа выполнялось по методике, предложенной авторами [5].

На аноде происходит окисление неустойчивого гидроксида железа (II) в присутствии растворенного кислорода в момент его образования

4Fe(OH)2 + 2Н20 + 02 ^ 4Fe(OH)3.

Повышенный выход алюминия объясняется его интенсивным растворением

2А10 + 6Н20 ^ 2А1(ОН)3 + 3Н2.

Эта реакция становится возможной благодаря значительному повышению величины рН воды в прикатодном пространстве во время электролиза и растворению защитной пленки А1203 в щелочной среде [4].

Раствор N80

Сеть 220 В Анолит Католит

Рис. 1. Схема периодического электролизера, производительностью 0,2 дм3/ч раствора коагулянта (1 - фторопластовый корпус; 2 - катод; 3 -анод; 4 - мембрана; 5 - кран; 6 -источник питания)

Таблица 1

Параметры процесса

Плотность Напряжение, Время, Объем Анолит

тока, мА/см2 В мин ячеики, 3 дм рН т 3+ Fe , мг/дм3 Выход по

До после до после току п Fe, %

7,0 3,44 15,0 89,99

Католит

15,2 10 5,8 60 0,1 рН А13+, мг/дм3 Выход по

до после току п А1, %

7,0 11,42 20,3 105,8

X X

Таблица 2

Результаты пробного коагулирования____________________________

№ Опыта Доза коагулянта, мг/дм3 Цветность, градусы Мутность, мг/дм3 рН 3+ Fe , мг/дм А13+, мг/дм3

До после до после до после

1 0,20 50,0 45,0 3,75 3,52 6,86 7,86 0,10 0,05

2 0,50 35,0 3,07 7,20 0,12 0,05

3 1,50 17,0 1,75 7,41 0,15 0,10

4 4,0 15,0 0,50 7,02 0,15 0,15

5 6,0 12,5 0,30 6,90 0,15 0,15

6 8,0 12,5 0,10 6,50 0,20 0,25

При смешении двух растворов вследствие реакции нейтрализации наблюдалось резкое изменение характера окраски, опалесценция и интенсивное хлопьеобразование гидроксидов алюминия и железа. Определение минимальной дозы раствора коагулянта для достижения заданных нормативов по цветности не более 20° и мутности 1,5 мг/дм3 проводили по ГОСТ Р 51642-2000 на имитатах природной воды. Цветность определяли построением градуировочных характеристик по стандартным растворам хромокобальтовой шкалы ГОСТ Р 52769-2007. Концентрацию остаточного алюминия в воде после фильтрования определяли фотометрическим методом по ГОСТ 18165-89.

Примеси моделирующие цветность вводились в виде смеси профильтрованной водной вытяжки гумата натрия - водорастворимого комплекса подвижных соединений гуминовых и фульвокислот, мутность - с каолином.

Условная доза

Рис. 2. Экспериментальная кривая определения минимальной дозы коагулянта Мм на

модельных растворах мутности

Условная доза

Рис. 3. Экспериментальная кривая определения минимальной дозы коагулянта Мц на

модельных растворах цветности Эксперименты по пробному коагулированию с применением имитатов природных

вод (табл. 2, рис. 2, 3) показали, что коагуляция происходит интенсивно (формирование

хлопьев уже через 5-10 мин.), адсорбционная активность хлопьев велика, о чем можно судить по интенсивной окраске осадка.

Коагулянт в пробу воды вводили при быстром перемешивании при максимально возможной скорости вращения. После 2 мин. интенсивность перемешивании уменьшали до минимума. После окончания перемешивания визуально следили за осаждением образовавшихся хлопьев в течение 30 мин.: отмечали момент наступления коагуляции (опалесценции раствора), дисперсность хлопьев, их структуру и время полного осаждения, высоту осевшего осадка.

Доза коагулянта равная 1,5 мг/дм3 оказалась достаточной для снижения цветности и мутности ниже верхнего предела. Качественно динамика процесса коагуляции имеет следующую картину: в начале процесса при интенсивном перемешивании происходят процессы, не наблюдаемые визуально; далее происходит помутнение системы, которое заканчивается формированием хлопьев; при этом хлопья могут быть и мелкими, и крупными, а описанные три стадии процесса могут иметь различную протяженность во времени.

Литература

1. Онищенко Г.Г. Санитарно-эпидемиологическая безопасность питьевого водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. № 12.

2. Лукашева Г.Н., Буткевич Д.М. Анализ результатов сравнительных испытаний коагулянтов при очистке природных вод // Технологии нефти и газа. 2008. № 4 (57). С. 16-20.

3. Яковлев С.В., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. Л.: Стройиздат, 1987. 312 с.

4. Двоскин Г.А. О влиянии постоянного электрического тока на процесс электрохимической коагуляции // Научные труды Ленинградского горного института. 1975. Вып. 7. С. 85—87.

5. Contributions to the basic problems of complexometry—XVIII1: Masking of iron with fluoride. Talanta Volume 12, Issue 4. April 1965. P. 385-388.