CC BY
47
В традиционной конструкции установки анод размещается внутри погружного модуля, а катод в самой ванне улавливания на расстоянии 20-30мм от мембраны (рис.4а). Это позволяет применить катодные плотности тока выше 1А/дм2 даже при невысокой электропроводности промывной воды в ваннах улавливания. Однако при таком взаимном расположении модуля и катода величина катодной поверхности не может превышать площадь мембраны более чем на 10-20%. Чтобы цинк осаждался на катоде с большей поверхностью, расстояние между ним и мембраной должно измеряться десятками сантиметров (рис. 4б). В рассматриваемом случае катодная плотность тока снижается на порядок, а поскольку удельная электропроводность относительно велика (благодаря высокой концентрации хлорида аммония), это позволяет обеспечить достаточное удаление большого катода от корпуса модуля при сохранении относительно невысокого напряжения, подаваемого на электроды.
Однако в проведенных экспериментах было установлено, что свинцовый анод не обладает достаточной устойчивостью из-за недостаточной селективности катионитовой мембраны и проникновения ионов хлорида в анолит. Ввиду этого альтернативный вариант конструкции установки, предусматривающий использование нескольких погружных модулей, расположенных в один ряд параллельно катоду, оказался неприемлемым, так как он требует замены одного титанового анода, установленного в единственном модуле, несколькими (по числу модулей) свинцовыми.
Испытанная катионитовая мембрана на лавсановой основе показала себя вполне устойчивой и может быть рекомендована для промышленных установок.
Выводы: 1. Процесс электроосаждения можно использовать для извлечения ионов цинка из слабокислых хлоридно-аммонийных электролитов цинкования и из промывной воды в ванне улавливания. 2. Для снижения концентрации ионов цинка в ванне улавливания и их выноса в сточные воды целесообразно вести процесс при низкой катодной плотности тока, используя катоды с большой поверхностью. 3. В качестве анода следует использовать титан, размещая его в погружном электрохимическом модуле с устойчивой катионитовой мембраной.
Работа выполнена при содействии фонда содействия развитию малых предприятий (договор № 7720)
УДК 544.6 Х.Б. Юнусов
Московский государственный областной университет, Москва, Россия
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Use of electrochemical processing of water is to the important components of process of clearing. In the given work some results of experiments, on modelling solutions promoting are presented to increase of efficiency of a method.
Использование электрохимической обработки воды является важным составляющим процесса очистки. В данной работе представлены некоторые результаты экспериментов, на модельных растворах способствующие повышению эффективности метода.
Изучение состояния пресной воды и анализ качества как в лабораторных условиях различными методами и приборами, так и по опубликованным материалам показывают, что за последние годы происходит серьезное загрязнение водной среды по ка-
чественному составу и количеству примесей. Этому способствует химическая активность полярных молекул воды, которые в температурных пределах от +40С до +400С и нормальных условиях поддержания жизни на Земле растворяют или образуют соединения с огромным количеством химических веществ. Причинами загрязнения водной среды являются сбросы промышленных производств, нарушение технологии добычи полезных ископаемых, нерациональное использование удобрений, техногенные аварии и катастрофы, природные процессы и явления и др. [1].
Существуют множество методов очистки воды. Среды них достойное место занимает электрохимическая обработка (ЭХО). Ее, в зависимости от качества и степени загрязнений, можно использовать как отдельную систему обработки, так и в сочетании с другими методами очистки воды. Во втором случае оптимальным является включение ее в завершающую стадию - стадию доочистки. Она применяется при обработке водной технологической среды от растворенных органических веществ (РОВ), соединений серы, нитросоединений, красителей, а также при обеззараживании воды.
В том случае, когда вода содержит большое количество устойчивых к химическим реагентам веществ, таких как РОВ, красители и др., следует проводить электрохимическую обработку на начальных стадиях. Поскольку ЭХО способствует разрушению устойчивых химических веществ и их дальнейшему выведению из воды.
Органические загрязнители, при электрохимической обработке воды разрушаются до простых составляющих, удаление которых становиться возможным в дальнейшем химическими методами очистки. Этому способствует химическая энергия, выделенная в результате катодных и анодных окислительно - восстановителных процессов.
Изучение всех процессов в электрохимической ячейке и использование полученных данных это одно из направлений оптимизации технологии ЭХО. Еще одним направлением является снижение стоимости электрохимических устройств, а также текущих затрат при их эксплуатации. Стоимость определяется, в первую очередь закладкой благородной компоненты в электродные материалы и сроком службы устройства, а текущие затраты - удельными расходами электроэнергии, минерализацией воды и оптимальной организацией самого электрохимического процесса [2].
С учетом требований к электродам для ЭХО воды (активность, ресурс, адгезия катализатора к подложке, возможность переполюсовки) [3] были предложены тонкопленочные платина - титановые электроды с закладкой благородной компоненты 4-6 г/м2 . Тонкопленочные электроды, отвечающие указанным требованиям, получали методом катодного распыления металла в вакууме на обработанную титановую подложку. Метод достаточно давно известный и обеспечивает получения электродов высокой чистоты и качества.
Анализ процессов в электролизере для оптимизации условий проведения ЭХО (потенциал анода, плотность тока, минерализация, скорость прокачки воды, ее температура, условия окружающей среды) является достаточно сложным. Это требует всестороннего изучения как материалов электродов, так и электролитической среды. Математическое моделирование электрохимических процессов и учет оптимальных параметров окисления каждого из компонентов РОВ также является затруднительным. В целях решения этих сложных проблем предложен микропроцессорный электрохимический оптимизатор, а также использовались свойства РОВ тормозить анодный процесс и, в частности реакция выделения кислорода (РВК). Степень такого торможения напрямую связана с заполнением РОВ поверхности платинового катализатора анода и зависит от его потенциала и концентрации веществ, использующихся для повышения минерализации воды (хлорид натрия, соляная кислота) [2].
Для нахождения оптимальных условий адсорбции РОВ на аноде и их окисления, вода с заданными загрязнителями пропускалась через одноканальный электрохимический
модуль, по высоте анода которого располагалась измерительная микросистема: микроанод - капилляр электрода сравнения. Микропроцессорный оптимизатор осуществлял при этом анодную поляризацию микроанода со скоростью 10мВ/с. от стационарного потенциала до потенциала 3.5В относительно хемосорбированного электрода и получал в оцифрованном виде зависимость потенциала анода от плотности тока. Сравнение и анализ зависимостей полученных в модельном растворе и в чистой воде, позволяет найти область потенциалов максимальных заполнений РОВ. В качестве примера на рис. 1 показана такая зависимость, полученная для электрохимической обработки воды содержащей различные концентрации мочевины и 300мг/л хлорида натрия. Как видно, область потенциалов максимального торможения анодного процесса смещаются в анодную область при снижении содержания мочевины в воде. Поэтому отвод тока от электрода целесообразно проводить в верхней части электрода при движении воды снизу вверх.
о,в
0,5
ол о о.з 0,2 o,i
500 1ООО 1SOO 200D 2SOO ЗООО 3SOO 4-000
Е.мВ
Рис. 1. Зависимость степени торможения анодного процесса на ТП Pt-Ti электроде при электрохимической обработке воды содержащей 300мг/л NaCl и мочевину с различными концентрациями (мг/л): 1 -30; 2 -100; 3 -300; 4 -1000; 5 -3000.
Также следует учитывать, что при содержании газов в межэлектродном пространстве более 30% происходит смена режима движения газожидкостной смеси с эмульсионного- на пробковый. При этом, кроме экранирования поверхности электродов, происходит разрыв переноса тока по электролиту. Электрохимический оптимизатор позволяет определить оптимальные значения высоты электрода, сечения канала и плотности тока.
Активация анода и удаление катодных отложений возможно, при использовании биполярной коммутации электродов и исполнение их из материалов с одинаковым составом. При этом материал не должен разрушаться в результате переполюсовки [3].
Список литературы
1. Голубева, Р.М. Основы экологии/ Р.М.Голубева, Е.Ю.Раткевич, Х.Б.Юнусов, Г.Н.Мансуров.- М.:Экомир, 2006.- 110с.
2. Нефедкин, С.И. Разработка электрохимических методов и устройств, для очистки и мониторинга водных технологических сред, содержащих растворенные органические вещества. Автореферат докторской диссертации.- М.: МЭИ (техни. университет), 2004.
3. Нефедкин, С.И. Разработка электродов для электрохимической очистки водных технологических сред от органических загрязнений/ С.И.Нефедкин, Х.Б.Юнусов, Г.Н.Мансуров.- М.: ВИНИТИ 2003, № 2323 В2002.-С.200-228.
