CC BY
49
УДК 628.16.087
Вестник СибГАУ Т. 16, № 3. С. 776-780
ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ НА СТЕПЕНЬ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ
И. Я. Шестаков, О. В. Раева*
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
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. Например, для очистки воды от железа эффективно используется отстаивание, для очистки 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.
Представлены результаты экспериментальных исследований очистки воды от ионов металлов двумя способами - электрохимическим и электрохимическим с барботажем воздухом. Электрохимическое воздействие заключалось в пропускании через очищаемую воду переменного асимметричного тока с использованием нерастворимых разнородных электродов (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ОТ 4-0). Барботиро-вание очищаемой воды проводили воздухом, который пропускали через очищаемую воду. Наибольшая степень очистки воды достигается при электрохимическом способе с барботажем воздухом, что связано с неравномерным распределением напряженности электрического поля на границе раздела фаз.
При этом способе степень очистки воды возрастает: от ионов кадмия - в 2,9 раза, меди - в 1,1 раза, никеля - в 5 раз, хрома - в 1,2 раза и железа - в 1,1 раза. Удельные энергозатраты составляют 1,8 (кВтч)/м3. В то время как при очистке электрохимическим способом с применением нерастворимых электродов и переменного тока удельные энергозатраты составляют 3,5-4 (кВтч)/м3.
Ключевые слова: вода, электрохимическое воздействие, барботирование воздухом, напряженность, переменный ток.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 3, P. 776-780
THE ELECTRIC FIELD INTENSITY INFLUENCE ON WATER CLEANING FROM METAL IONS AT THE INTERPHASE BOUNDARY
I. Ya. Shestakov, O. V. Raeva*
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
In the manufacture an aircraft parts electroplating processes are used which result in the contamination of wastewater metal ions. Currently there is a large number of water and aqueous solutions purification methods - mechanical, chemical, electrical, physical, biological, combined method, etc. For example, _ for water purification _ from iron defending from copper, nickel, chromium (VI) is used effectively. Also electro-coagulation, ion exchange technology, biological treatment, etc are widely used. Waste water of electroplating industry contains a collection of different metal ions at concentrations of 0.5 mg/l or less. Research on integrated water purification from metal ions under these conditions is not enough.
The article presents the results of experimental studies of water cleaning from metal ions using two different methods - electrochemical and electrochemical air bubbling. Electrochemical effect was to purify water passing through the asymmetric alternating current using insoluble heterogeneous electrodes (stainless steel 12X18H10T, titanium alloy ОТ 4-0). The treated water bubbling used air which has passed through purified water. The highest efficiency of water cleaning is achieved by electrochemical method with air bubbling due to the uneven distribution of the electric field intensity at the interphase boundary.
This method increases water cleaning efficiency: from cadmium ions in 2.9 times, copper - 1.1, nickel - 5, chromium - 1.2, and iron - 1.1. Specific power consumption makes up 1.8 (kWh)/m3 while electrochemical cleaning method with the insoluble electrodes and alternating current the specific power consumption is 3.5-4 (kW-h)/m3.
Keywords: water, electrochemical treatment, air bubbling, intensity, AC current.
Введение. 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, для очистки 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 с использованием нерастворимых разнородных электродов при барботировании воздухом.
Из литературных источников [2-11] известно, что процесс очистки идет сверху раствора, что обусловлено тем, что на границе раздела двух фаз (воздух-раствор) можно выделить пограничный слой, так называемую поверхностную или пограничную фазу. Она обладает избытком свободной энергии по сравнению с каждой из граничащих фаз. Отношение этой энергии на единицу площади связано с силой поверхностного натяжения. Процесс очистки в верхних слоях идет быстрее, чем в нижних, что связано с нерав-
номерным распределением напряженности электрического поля на границе раздела фаз [3].
Модуль вектора напряженности и его составляющие для различных углов смачивания воды материала электродов рассчитываются по формулам [4]
En = (1 + (cos2 0/10)) ■ (Ecp/^) ■ sin a, (1)
Et = (1 + (cos2 0/10)) ■ Ecp ■ cos a, (2)
E = (1 + (cos2 0/10)) ■ Ecp ■ ((sin2 a/£) + cos2 a)0,5, (3)
где En, Et - нормальная и тангенциальная составляющие модуля вектора напряженности, В/м; Е - модуль вектора напряженности электрического поля на границе раздела фаз в произвольной точке поверхности, В/м; Еср - средняя напряженность электрического поля, В/м, равная
Еср = U/d, (4)
где U - напряжение на клеммах электродов, В; d -межэлектродное расстояние, м; 4 - относительная диэлектрическая проницаемость воды; 0 - угол смачивания воды материала электродов; a - угловая координата выбранной точки на границе раздела фаз.
Результаты расчета модуля вектора напряженности и его составляющих по формулам (1)-(4) для случая полного (0 = 0о) и неполного смачивания воды материала электродов (0 = 90о) приведены в табл. 1.
Зависимость модуля вектора напряженности электрического поля от угла a при различных углах 0 представлена на рис. 1.
Таблица 1
Значения модуля вектора напряженности и его составляющих при различных углах 0 и а
№ п/п 0, ° a, ° En, В/м Е„ В/м E, В/м
0 0 513,4 513,4
30 3,2 444,6 444,6
1 0
60 5,5 256,7 256,7
90 6,3 0 6,3
Примечание
amax 90
Окончание табл. 1
№ п/п
Е„, В/м
Е, В/м
Е, В/м
Примечание
90
466,7
Е Ест
е
о
о
а
2
Модуль вектора напряженности
электрического поля, В/м
600
500, /2
7 400*
/ 300
/ 200 1
/ 100
■90,00 -60,00 -30,00 0,00 30.00 50,00 90,00
Угловая координата выбранной точки на границе раздела фаз, град
Рис. 1. Зависимость модуля вектора напряженности электрического поля от угла а при различных углах е: 1 - полное смачивание воды (е = 00); 2 - неполное смачивание воды (е = 00)
Из рис. 1 видно, что напряженность электрического поля на границе раздела фаз распределена неравномерно. Максимальное значение напряженности достигается при краевом угле смачивания 9 = 0о в точке с угловой координатой на границе раздела фаз а = 0о. Плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, согласно формуле [2; 3]:
' = X Е
где х - электропроводность воды. В свою очередь, степень очистки пропорциональна плотности тока, следовательно, наибольшая степень очистки достигается при краевом угле смачивания 9 = 0о в точке с угловой координатой на границе раздела фаз а = 0о.
Результаты экспериментальных исследований.
Методика проведения экспериментов и принципиальная схема экспериментальной установки приведены в [12-16]. Далее представлены результаты исследований двух способов очистки - электрохимического и электрохимического с барботажем.
Результаты расчетов полученных экспериментальных данных представлены в табл. 2 и на рис. 2.
Удельные энергозатраты при электрохимическом способе очистки воды составили Wэ = 0,47 (кВтч)/м3, а при электрохимическом способе с барботажем воздухом W = 1,8 (кВтч)/м3. Удельное количество пропускаемого через воду электричества Q = 300 Кл/л.
Таблица 2
Влияние способа очистки воды на степень очистки от ионов металлов
Ион металла Способ очистки
Электрохимический Электрохимический с барботажем
Степень очистки, %
са2+ 12,07 34,54
Си2+ 34,25 37,25
№2+ 3,31 16,39
Сг6+ 7,17 8,63
Ее (общ.) 13,47 14,99
Рис. 2. Степень очистки воды от ионов металлов при различных
способах очистки: 1 - электрохимический способ; 2 - электрохимический способ с барботажем воздухом
Заключение. Результаты экспериментов показывают, что барботаж воды воздухом, как видно из рис. 2, приводит к увеличению степени очистки от ионов кадмия в 2,9 раза, меди - в 1,1 раза, никеля - в 5 раз, хрома - в 1,2 раза и железа - в 1,1 раза. Удельные энергозатраты составляют 1,8 (кВтч)/м3. В то время как при очистке электрохимическим способом с применением нерастворимых электродов и переменного тока удельные энергозатраты составляют 3,5-4 (кВтч)/м3. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили литературные данные.
Библиографические ссылки
1. Аксенов В. И. Водное хозяйство промышленных предприятий : справ. изд.: в 2 т. / под ред. В. И. Аксенова. М. : Теплотехник, 2005. 640 с.
2. Кравцов В. И. Равновесие и кинетика электродных реакций комплексных металлов. Л. : Химия, 1985. 208 с.
3. Корчинский Г. А. Влияние конвективной диффузии на электрохимическое выпрямление // Журнал физической химии. 1981. Т. № 55, № 10. С. 2650-2653.
4. Абрагам-Беккер. Теория электричества. М. : ГОНТИ, 1939. 259 с.
5. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М. : Физматгиз, 1959. 700 с.
6. Нефедов В. Г., Матвеев В. В., Серебритский В. М. Динамика роста пузырьков при электролизе воды // Электрохимия. 1991. Т. 27, № 4. С. 490-495.
7. Перепелкин К. Е., Матвеев В. С. Газовые эмульсии. Л. : Химия, 1979. 200 с.
8. О структуре поверхностно-активных пузырьков в электролитах / В. Б. Шикин [и др.] // Электрохимия. 2007. Т. 43, № 6. С. 699-703.
9. Уваров Л. Б., Шаров С. И. Некоторые особенности электрохимической обработки с применением газожидкостных смесей // Электронная обработка металлов. 1976. № 1. С. 144-149.
10. Рязанов Г. А. Опыты и моделирование при излучении электромагнитного поля. М. : Наука, 1966. 208 с.
11. Костин Н. А. Кинетика и электродные процессы в водных средах. Киев : Наукова думка, 1983. 128 с.
12. Шестаков И. Я., Раева О. В. Оценка влияния коагуляции на степень очистки воды от ионов металлов // Вестник СибГАУ. 2013. № 1/47. С. 172-174.
13. Шестаков И. Я., Раева О. В. Очистка воды от ионов металлов электрохимическим воздействием переменным током при барботировании воздухом с последующей коагуляцией и отстаиванием // Вестник СибГАУ. 2014. № 2/54. С. 148-151.
14. Шестаков И. Я., Раева О. В. Электрохимический метод очистки сточных вод переменным током // Техника и технологии. 2011. № 4/3. С. 348-355.
15. Исследование очистки воды электрохимическим способом в нестационарном электрическом поле с последующей коагуляцией / И. Я. Шестаков [и др.] [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования : электрон. журн. 2013. № 1. URL: www.science-education.ru/107-8154.
16. Очистка воды от ионов металлов электрохимическим воздействием, отстаиванием и коагуляцией / И. Я. Шестаков [и др.] [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования : электрон. журн. 2013. № 1. URL: www.science-education.ru/107-8154.
References
1. Aksenov V. I. Vodnoe khozyaystvo promyshlen-nykh predpriyatiy [Water economy of industrial enterprises]. Moscow, Teplotekhnik Publ., 2005, 640 p.
2. Kravtsov V. I. Ravnovesie i kinetika elektrodnykh reaktsiy kompleksnykh metallov [Equilibrium and kinetics of electrode reactions of complex metals]. Leningrad, Khimiya Publ., 1985, 208 p.
3. Korchinskiy G. A. [The influence of convective diffusion on the electrochemical rectification]. Zhurnal fizicheskoy khimii. 1981, Vol. 55, No. 10, P. 2650-2653 (In Russ.).
4. Abragam-Bekker. Teoriya elektrichestva [Theory of electricity]. Moscow, GONTI Publ., 1939, 259 p.
5. Levich V. G. Fiziko-khimicheskaya gidrodinamika [Physico-chemical hydrodynamics]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1959, 700 p.
6. Nefedov V. G., Matveev V. V., Serebritskiy V. M. [Dynamics of growth of bubbles during electrolysis of water]. Elektrokhimiya. 1991, Vol. 27, No. 4, P. 490-495 (In Russ.).
7. Perepelkin K. E., Matveev V. S. Gazovye emul'sii [Gas emulsion]. Leningrad, Khimiya Publ., 1979, 200 p.
8. Shikin V. B., Nazin S. S., Smirnova I. S., Bredikhin S. I. [On the structure of surfactant vesicles in electrolytes]. Elektrokhimiya. 2007, Vol. 43, No. 6, P. 699-703 (In Russ.).
9. Uvarov L. B., Sharov S. I. [Some features of electrochemical machining with the use of gas-liquid mixtures]. Elektronnaya obrabotka metallov. 1976, No. 1, P. 144-149 (In Russ.).
10. Ryazanov G. A. Opyty i modelirovanie pri izlu-chenii elektromagnitnogo polya [Experiments and simulation in electromagnetic field radiation]. Moscow, Nauka Publ., 1966, 208 p.
11. Kostin N. A. Kinetika i elektrodnye protsessy v vodnykh sredakh [Kinetics and electrode processes in aqueous media]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1983, 128 p.
12. Shestakov I. Ya., Raeva O. V. [Assessment of the impact on the degree of coagulation of water purification from metal ions]. Vestnik SibGAU. 2013, No. 1(47), P. 172-174 (In Russ.).
13. Shestakov I. Ya., Raeva O. V. [Water purification by metals ions electrochemical treatment alternating current with air bubbling followed by coagulation and sedimentation]. Vestnik SibGAU. 2014, No. 2(54), P. 148-151 (In Russ.).
14. Shestakov I. Ya., Raeva O. V. Electrochemical wastewater treatment method an alternating current. Tekhnika i tekhnologii. 2011, No. 4/3, P. 348-355.
15. Shestakov I. Ya., Raeva O. V., Nikiforova E. M., Eromasov R. G. [Study of water treatment by electrochemical method in non stationary electric field followed by coagulation]. 2013, No. 1. (In Russ.). Available at: www.science-education.ru/107-8154 (accessed 10.07.2015).
16. Shestakov I. Ya., Raeva O. V., Nikiforova E. M., Eromasov R. G. [Water purification from metal ions by electrochemical effects sedimentation and coagulation]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2013, no. 1. (In Russ.). Available at: www.science-education.ru/107-8154 (accessed 10.07.2015).
© Шестаков И. Я., Раева О. В., 2015
