CC BY
79
УДК 544.642
В. Д. Назаров (д.т.н., проф.), М. В. Назаров (к.т.н., дир.), П. Н. Вайншток (асп.)
Очистка сточных вод от металлов и органических соединений электролизером с загрузкой без внешнего источника энергии
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра водоснабжения и водоотведения 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; e-mail: plato08@mail.ru
V. D. Nazarov, M. V. Nazarov, P. N. Weinstock
Sewage treatment from metal and organic by electrolyzer with downloads without an external energy source
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; e-mail: plato08@mail.ru
Показана возможность создания мембранного электролизера, работающего на принципе электрохимического источника тока. С помощью электролизера достигнуто уменьшение концентрации взвешенных веществ осаждением в като-лите и анолите относительно контрольного опыта по осаждению взвешенных веществ в исходной воде. Установлена возможность без-реагентной очистки сточных вод от тяжелых металлов фильтрованием воды в мембранном электролизере. Установлена возможность без-реагентной очистки сточных вод от органических трудноокисляемых веществ (бензол, метилено-вый синий). Удельная энергия, вырабатываемая электролизером, существенно увеличивается с увеличением минерализации раствора.
Ключевые слова: анолит и католит; безреа-гентная очистка; БПКполн.; извлечение меди, цинка, никеля; мембранный электролизер; межэлектродное пространство; очистка сточных вод; ПДКр.х.; трудноокисляемые органические вещества; удельная вырабатываемая энергия; ХПК полн.; энергоэффективность.
В последние годы промышленные предприятия, расположенные в городых Республики Башкортостан (Ишимбай, Салават, Стерли-тамак, Уфа и др.) нередко сбрасывают в реку Белую значительные количества неочищенных стоков 1,2. Очистные сооружения химических и нефтеперерабатывающих заводов Башкирии не всегда эффективно справляются с объемами поступающих сточных вод 3, что приводит к существенному ухудшению экологической обстановки в нашей республике.
Актуальным вопросом на сегодняшний день является увеличение энергоэффективности методов очистки сточных вод за счет создания и внедрения новых технологий и устройств.
Дата поступления 23.11.13
The possibility of creation of the cell membrane, working on the principle of electrochemical power source is shown. With the help of the cell achieved a decrease in the concentration of suspended solids deposition in the catholyte and anolyte, relative to a control experiment on the deposition of suspended solids in the raw water. The possibility of nonchemical waste water treatment from heavy metals in membrane cell is discovered. The possibility of nonchemical waste water treatment from organic difficult oxidizing substances (benzene, methylene blue) is discovered too. Specific energy produced by the cell significantly increased with increasing salinity of the solution.
Key words: the anolyte and catholyte; BOD20; COD; MACc.f., difficult oxidizing substances; electrode space, energy efficiency; extraction of copper, zinc, nickel; nonchemical treatment; membrane electrolysis; specific energy; waste water treatment from heavy metals; waste water treatment from benzene; waste water treatment from the dye (methylene blue.
Цель настоящей работы — показать возможность создания устройства для очистки сточных вод, обеспечивающего достижение технического результата — снижения энергозатрат и повышения эффективности очистки воды от органических соединений и металлов.
Проанализировав известные способы очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов и устройства для его осуществления 4,5, мы сделали попытку создания электролизера для электрохимической очистки воды, генерирующего электроэнергию, изображенного на рис. 1.
Рис. 1. Электролизер с загрузкой для электрохимической очистки сточных вод
Электролизер имеет прямоугольный корпус 1, разделенный мембраной 2 на две камеры: катодную 3 и анодную 4. В катодной камере 3 размещены электроотрицательные стержневые электроды из магния 5, в анодной камере 4 — электроположительные стержневые электроды из графита 6. Межэлектродное пространство заполнено кварцевым песком 7. Электроды одинаковой полярности соединены друг с другом проводником. Между электроотрицательными и электроположительными электродами подключен вольтметр 8. Катодная и анодная камеры имеют выход 9 и 10 соответственно.
Проводили опыты по отстаиванию раствора бентонита с концентрацией 1.3 г/л в отстойнике в статических условиях. Модель воды готовили на водопроводной воде (для
сравнения), на католите и анолите. Результаты приведены на рис. 2.
Из приведенных результатов следует, что остаточное содержание взвешенных веществ в католите на 80% меньше, чем в водопроводной воде, а в анолите на 50% меньше, чем в водопроводной воде.
Определяли эффективность очистки воды от металлов (медь, никель, цинк) и трудно-окисляемых органических веществ (метилено-вый синий, бензол). Результаты приведены в табл. 1 и на рис. 3—6. Пробы воды отбирали из катодной камеры. Определяли энергию, вырабатываемую электролизером.
Значение напряжения и тока, вырабатываемого электролизером, составляет 1.35 В и 90 мА. В течение 70 мин обработано 2 л воды. Удельная энергия, выработанная электрохимическим устройством, составила:
Ш В /з а =-, Вт•ч/м
Ж
где и — напряжение, В; I — ток, А; £ — время, ч; Ш — объем воды, м3.
ю =1.35-90-10-3-1.17/2-10-3 = 71 Вт-ч/м3.
Эти опыты также проводились на электролизере, изображенном на рис. 1. Данные, рассчитанные по полученным значениям напряжения и тока, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Эффективность очистки воды от органических соединений и металлов
Концентрация №0!, г/л Скорость фильтрования, м/ч Удельная вырабатываемая энергия, Вт-ч/м3 Эффективность очистки,%
Металлы Органические соединения
медь никель цинк метилено-вый синий бензол
1 1 0.90 93.3 50.0 99.9 87.0 93.6
5 0.18 98.0 87.4 99.9 84.0 90.1
10 0.09 96.0 78.1 99.9 34.5 37.1
15 0.06 95.0 0 99.4 33.2 35.7
5 1 3.24 86.6 - - - -
5 0.64 92.0 - - - -
10 0.32 87.3 - - - -
15 0.21 86.6 - - - -
10 1 6.35 95.0 - - - -
5 1.27 95.0 61.0 - - -
10 0.63 90.0 - - - -
15 0.42 89.3 - - - -
50 1 71.0 97.3 60.0 99.9 - -
5 12.2 97.3 42.1 99.9 - -
10 2.43 80.7 0 99.9 - -
15 1.21 80.0 0 99.9 - -
о 1111 — 1 1 —I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1—
О 10 20 30 40 50 60 70
Время, мин.
Рис. 2. Кинетика осаждения взвешенных веществ в водопроводной воде, анолите и католите
Рис. 5. Зависимость концентрации цинка в католите от скорости фильтрования при исходной концентрации цинка 1 г/л и минерализации воды11 и 50 г/л МаС1 с доочисткой воды1 от мутности фильтрованием в скором зернистом фильтре
Рис. 6. Зависимость эффекта очистки воды1 от органических веществ в электролизере при минерализации воды11 г/л МаС1 с исходной концентрацией бензола 1 г/л и раствора метиленового синего с исходной оптической плотностью 0.7
Рис. 3. Зависимость концентрации меди в католите от скорости фильтрования при исходной концентрации меди 0.15 г/л и минерализации воды11, 5, 10, 50 г/л МаС1
Рис. 4. Зависимость концентрации никеля в католи-те от скорости фильтрования при исходной концентрации никеля 0.55 г/л и минерализации воды11 и 50 г/л МаС1
Таким образом, показана возможность создания мембранного электролизера, работающего на принципе электрохимического источника тока. С помощью электролизера достигнуто уменьшение концентрации взвешенных веществ осаждением в католите и анолите относительно контрольного опыта по осаждению взвешенных веществ в исходной воде.
Установлена возможность безреагентной очистки сточных вод от тяжелых металлов фильтрованием воды в мембранном электролизере. Наибольший эффект достигнут по извлечению цинка 99.9%. Высокий эффект достигнут по извлечению меди (90—98 %), однако ПДКр.х. не достигнут. Существенно хуже извлекается никель (42—87 %).
Установлена возможность безреагентной очистки сточных вод от органических трудно-окисляемых веществ (бензол, метиленовый синий). При скорости фильтрования 1—5 м/ч эффект очистки составил 90 и 84 % соответственно.
Удельная энергия, вырабатываемая электролизером, существенно увеличивается с увеличением минерализации раствора.
Литература
1. Благосклонов К. Н., Иноземцев А. А., Тихоми- 1. ров В. Н. Охрана природы.— М.: Высшая школа, 1967.- 443 с.
2. Баянов М. Г. Экология водоемов Башкирии.-Уфа: Гилем, 1998.- 209 с. 2.
3. Филиппов В. Н. Совершенствование систем очистки сточных вод предприятий нефтепереработки и нефтехимии Республики Башкортос- 3 тан.- М.: Химия, 2009.- 260 с.
4. Патент РФ №2453502 / Ильин В.И., Колесников В.А., Вараксин С.О., Губин А.Ф., Киси-ленко П.Н. // Б. И.- 20.06.2012.
5. Аксенов В. И., Ладыгичев М. Г., Ничкова И. И., Никулин В. А., Кляйн С. Э., Аксенов Е. В. 4. Водное хозяйство промышленных предприятий: Справочное издание. Кн. 1.- М.: Теплотехник, 2005.- 640 с.
5.
References
Blagosklonov K. N., Inozemtsev A. A., Tikhomirov V. N. Okhrana prirody [Conservation]. Moscow: Vysshaia shkola Publ., 1967. 443 p.
Baianov M. G. Ekologiia vodoemov Bashkirii [Environmental reservoirs of Bashkiria]. Ufa: Gilem Publ., 1998. 209 p.
Filippov V. N. Sovershenstvovanie sistem ochistki stochnykh vod predpriiatii neftepererabotki i neftekhimii Respubliki Bashkortostan [Improving wastewater treatment for refining and petrochemicals Republic of Bashkortostan]. Moscow: Khimiia Publ., 2009. 260 p. Il'in V.I., Kolesnikov V.A., Varaksin S.O., Gubin A.F., Kisilenko P.N. Sposob ochistki stochnykh vody ot ionov tiazhelykh i tsvetnykh metallov i ustroistvo dlia ego osushchestvleniia [Method for sewage water from the ions of heavy metals and nonferrous, and device for its realization]. Patent RF no.2453502, 2012.
Aksenov V. I., Ladygichev M. G., Nichkova I. I., Nikulin V. A., Kliain S. E., Aksenov E. V. Vodnoe khoziaistvo promyshlennykh predpriiatii: Spravochnoe izdanie. Kn. 1 [Water management industry: Reference Edition. Book 1]. Moscow: Teplotekhnik Publ., 2005. 640 p.
