Особенности очистки воды от ионов металлов электрохимическим способом при барботировании воздухом Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

чины умножаются, то очевидно ожидать, что оценка критерия подобия от единицы отличается на Перейти от числа Рейнольдса, рассчитанному по максимальным величинам скорости и размера, к приведенным параметрам внутри течения достаточно сложно, поскольку внутренние параметры явно не заданы, а их оценка затруднительна.

Решить данную проблему можно, если проанализировать особенности области перехода от ламинарного режима течения к турбулентному (см. рисунок). В окрестности области перехода при анализе параметров внутри течения силы инерции становятся соизмеримыми с силами вязкого трения:

инерц ~ трения труб •

С другой стороны, в области перехода характерные силы трения, действующие на частицу воздуха, при ламинарном режиме близки к величинам сил при турбулентном:

трения лам. ~ трения труб •

Можно предположить, что в окрестности точки перехода от ламинарного режима к турбулентному отношение сил инерции и вязкого трения можно заменить на отношение сил

К,

инерц

К

трения лам.

трения труб трения труб

Используя сделанное предположение, поучим, что отношение сил, действующих на частицу воздуха, можно заменить на отношение соответствующих напряжений трения, равное числу Рейнольдса, приведенному к условиям области перехода:

Ктр

'S

Кт

трения труб .

'S

труб

¡Re

привед •

Величина силы вязкого трения при ламинарном режиме оценивается как

К

трения лам.

■ Re-0'5 qS,

где q - скоростной поток, равный

q = ■

pV

2

2

Таким образом, имеем оценку напряжений трения для двух режимов течения [3]:

Тлам ~ Ке-0,5 Ч ,

и

Ттурб ~ Ке-0,2 Ч.

Используя сделанное ранее предположение, можно выразить

Reпривед = A Re

-0,2

Постоянную А можно определить по условию равенства единице критического значения приведенного числа Рейнольдса:

A = Re-^ = 0,02.

= 0,021 —

Здесь - боковая площадь выделенного малого объема воздуха, взаимодействующая с соседними частицами.

Таким образом, Re

привед

Полученное приведенное значение критерия подобия позволяет оценить произведение локальной скорости и локального линейного размера по числу Рейнольдса, посчитанному по внешним параметрам течения.

References

1. Boundary-layer theory. Schlichting H., Gersten K., Krause E. et al. 8th ed. New York: Springer, 2000.

2. Collar A. R. Closed formula for the drag of a flat plate with transition // J. of the R.A.S. January, 1960.

3. Ben-Dov G., Cohen J., Critical Reynolds Number for a Natural Transition to Turbulence in Pipe Flows, Phys. Rev. Lett. 98, 064503, 6 February, 2007.

© Фаворский В. С., 2014

УДК 628.16.087

ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ПРИ БАРБОТИРОВАНИИ ВОЗДУХОМ

И. Я. Шестаков, О. В. Раева

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-шаП: yakovlevish@mail.ru, O.V.Raeva@yandex.ru

Представлены результаты экспериментальных исследований очистки воды от ионов металлов комбинированным способом, заключающимся в электрохимическом воздействии переменным током при барботировании воздухом с последующей коагуляцией и отстаиванием.

Ключевые слова: вода, электрохимическое воздействие, барботирование воздухом, переменный ток, коагулянт, отстаивание.

Решетневскуе чтения. 2014

FEATURES FOR WATER CLEANING FROM METAL IONS BY ELECTROCHEMICAL METHOD AND AIR BUBBLING

I. Ya. Shestakov, O. V. Raeva

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E -mail: yakovlevish@mail.ru, O.V.Raeva @ yandex.ru

The results of experimental studies of water cleaning from metal ions by combined method which includes the electrochemical treatment by alternating current and simultaneous air bubbling followed by coagulation and settling are proposed.

Keywords: water, electrochemical treatment, air bubbling, AC current, coagulant, settling.

В производстве деталей летательных аппаратов применяются гальванические процессы, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов. В настоящее время существует большое количество способов очистки воды и водных растворов: механические, химические, электрические, физические, биологические, комбинированные и др. [1]. Например, для очистки воды от железа эффективно используется отстаивание, от меди, никеля, хрома (VI) широко применяют электрокоагуляцию, ионообменные технологии, биологическую очистку и т. д. Сточные воды гальванических производств содержат совокупность различных ионов металлов при концентрации последних 0,5 мг/л и менее. Исследований по комплексной очистке воды от ионов металлов при таких условиях недостаточно.

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований очистки воды от ионов металлов комбинированным способом, заключающимся в электрохимическом воздействии переменным током при барботировании воздухом с последующей коагуляцией и отстаиванием.

Электрохимическое воздействие переменным асимметричным током проводили в реакторе с использованием пар нерастворимых разнородных электродов [2-5]. Барботирование очищаемой воды проводили воздухом, который пропускали через воду при помощи компрессора по трубкам, расположенным между электродами. Отверстия для прохода воздуха равномерно распределены по длине трубки. Наружный диаметр трубки равен расстоянию между электродами (12 мм), диаметр отверстий 1 мм. Объем заливаемой воды 1 л. Переменный электрический ток пропускали через воду в течение 10 минут при силе тока 0,5 А и напряжении на клеммах электродов 5,6 В. В воде растворяли соли Cd(II), Cu(II), Ni(II), Cr(VI) и Fe(III) при средней концентрации каждого иона 0,5 мг/л.

После электрохимической обработки в воду добавляли коагулянт - сернокислое железо FeSO4-7H2O, при различном соотношении начальных концентраций иона-комплексообразователя и удаляемого иона (СоГ-е2+/Сш). При введении в воду коагулянта происходило его растворение и электролитическая диссоциация с последующим образованием малорастворимого гидрата окиси железа (III), выпадающего в осадок в виде хлопьев и выступающего в качестве комплексо-

образователя. Соотношение начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона (Соре2+/Сш) изменяли от 1:1 до 5:1. Далее воду отстаивали в закрытых емкостях при температуре 20-25 оС и атмосферном давлении. Время отстаивания воды (тотс) изменяли от 1 до 8 суток.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Исследование влияния соотношения начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона на степень очистки воды проводилось при постоянном времени отстаивания 8 суток. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2.

Исследование влияния времени отстаивания воды на степень очистки проводилось при постоянном соотношении начальных концентраций иона комплексооб-разователя и удаляемого иона 5:1. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3.

Эксперименты показали, что повышение соотношения начальных концентраций иона комплексообра-зователя и удаляемого иона металлов более чем 5:1 и времени отстаивания более 8 суток не приводят к существенному увеличению степени очистки воды от ионов.

При увеличении соотношения начальных концентраций от 1:1 до 5:1 степень очистки увеличивается для кадмия в 1,3 раза, меди - 1,6, никеля - 1,4, хрома -3,8 и железа - 1,2.

При увеличении времени отстаивания воды от 1 до 8 суток степень очистки увеличивается от кадмия в 1,2 раза, меди - 1,5, никеля - 1,5, хрома - 1,1 и железа - 1,2.

Экспериментальные исследования показали, что наибольшая степень очистки воды от всех рассматриваемых ионов металлов достигается комбинированным способом, заключающимся в пропускании через очищаемую воду переменного асимметричного тока с использованием нерастворимых разнородных электродов (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0) при барботировании воздухом, введении коагулянта - сернокислого железа FeSO4•7H2O в соотношении начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона 5:1 и отстаивании воды в течение 8 суток. При этом степень очистки воды равна: от кадмия 63,3 %, меди - 99,1 %, никеля -36,3 %, хрома - 98,4 % и железа - 99,3 %. Удельные энергозатраты составляют W = 1,8 (кВтч)/м3.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - корпус; 2 - титановые электроды ОТ4-0; 3 - стальные электроды 12Х18Н10Т; 4 - пластины диэлектрические (оргстекло); 5 - трубки ПВХ; 6 - ресивер; 7 - компрессор АСО-308; 8 - амперметр; 9 - вольтметр; 10 - шунт измерительный; 11 - осциллограф С1-83; 12 - автотрансформаторы

о

и г''

У

Р я

Т5

и

100

90

SO

70

60

50

40

30

20

10

Op

5

2 Ф1

4 J ___.3

1=5

2:5

3:5

4:5

5:5

Соотношение начальных концентраций иона-комплексообразователя и удаляемого иона

Рис. 2. Зависимость степени очистки воды от соотношения начальных концентраций иона комплексообразователя и удаляемого иона: 1 - кадмия; 2 - меди; 3 - никеля; 4 - хрома; 5 - железа

100

с 90

? 'О 80

О ¿г 70

Рн

+ О 50

и

и

+ 50

rs

% 40

Д."

30

и

Ai" 20

-а

и

10

4

-

1

3

о 1 2 3 4 5 6 7 5 Бремя отстаивания воды, сутки

Рис. 3. Зависимость степени очистки воды

от времени отстаивания воды: 1 - от ионов кадмия; 2 - меди; 3 - никеля; 4 - хрома; 5 - железа

Комбинированный способ очистки позволил очистить воду от ионов хрома (VI), меди (II) и железа до ПДК. Для очистки воды от ионов никеля и кадмия необходимо подобрать другой коагулянт.

Библиографические ссылки

1. Водное хозяйство промышленных предприятий: справ. изд. В 2 кн. Кн. 1 / В. И. Аксенов [и др.]; под ред. В. И. Аксенова. М. : Теплотехник, 2005. 640 с.

2. Стрюк А. И., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Фейлер О. В., Сурсяков А. А., Кушнир А. А. Установка очистки воды и водных растворов от анионов и катионов. С. № 18532, С 02 Б 1/46. Опубл. Б.И. № 18. 27.06.2001.

3. Шестаков И. Я., Раева О. В., Фейлер О. В. О механизме электрохимической очистки сточных вод

переменным током // Вестник СибГАУ. 2011. № 1(34). С. 147-150.

4. Шестаков И. Я., Раева О. В. Электрохимический метод очистки сточных вод переменным током // Техника и технологии. СФУ. 2011. № 4/3. С. 348-355.

5. Шестаков И. Я., Раева О. В., Никифорова Э. М., Еромасов Р. Г. Исследование очистки воды электрохимическим способом в нестационарном электрическом поле с последующей коагуляцией [Электронный ресурс]. URL: www.science-education.ru/107-8154 (дата обращения: 10.03.2014).

References

1. Aksenov V. I., Ladygichev M. G., Nichkova I. I., Nikulin V. A., Klyain S. E., Aksenov E. V. Water equipment of the industrial enterprises: Reference edition: In 2

PewemHeeoKue umeHun. 2014

volumes. Volume 1/ Edit. by V. I. Aksenov. М. : Te-plotekhnik, 2005. 640 p.

2. Stryuk A. I., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A., Feiler O. V., Sursyakov A. A., Kushnir A. A. Installation for water and water solutions cleaning from anions and cations. Author's certificate № 18532, S 02 F 1/46. Published in B.I. № 18. 27.06.2001.

3. Shestakov I. Ya., Raeva O. V., Feiler O. V. On mechanism of discharged waters electrochemical cleaning with alternating current // Vestnik SibGAU. 2011. № 1/34, p. 147-150.

4. Shestakov I. Ya., Raeva O. V. Electrochemical method of discharged waters cleaning with alternating current // Equipment and technologies // SFU. 2011. № 4/3, p. 348-355.

5. Shestakov I. Ya., Raeva O. V., Nikiforova E. M., Eromasov R. G. Study of water treatment by electrochemical methods in non-stationary electric field with subsequent coagulation [Electronic resource]. URL: www.science-education.ru/107-8154 (date of access: 10.03.2014).

© mecraKOB H. £., PaeBa O. B., 2014