Water cleaning from metal ions by electrochemical treatment with alternating current and air bubbling followed by coagulation and settling

Full Text

Загрязнение воды является одной из острейших экологических проблем в мире. Более 90 % сточных вод сбрасывается в открытые водоемы без предварительной очистки. В большей мере причиной тому являются сточные воды гальванических производств, содержащие целый ряд ионов металлов, пагубно воздействующих на здоровье людей и окружающую среду. Поэтому рациональное использование водных ресурсов и сохранение чистоты природных вод стало одной из актуальных проблем человечества. 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 статье 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 [2-7]. Электрохимический реактор выполнен из чередующихся электродов в виде пластин толщиной 1 мм. Материал пластин: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т (3 пластины) и титановый сплав ОТ4-0 (2 пластины). Расстояние между электродами 12 мм. Электроды подключали параллельно к источнику переменного тока частотой 50 Гц. 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 мин 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 (СоЛш). 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 (СоЛш) изменяли от 1:1 до 5:1. Далее воду отстаивали в закрытых емкостях при температуре 20-25 °С и атмосферном давлении. Время отстаивания воды (тотс) изменяли от 1 до 8 суток. Опыты проводили с использованием лабораторных автотрансформаторов ЛАТР-220-9 и компрессора АСО-308 30W. Для регистрации параметров процесса использовали стандартные приборы - вольтметр (класс точности 0,4), амперметр (0,5), осциллограф С1-83 (0,5). Принципиальная схема экспериментальной установки и схема электрохимического реактора представлены на рис. 1, 2. Степень очистки определяли по формуле Y = ^С°С С ^100 [%], 149 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 где Со, Ск начальная и конечная концентрации удаляемого иона металла, мг/л. Удельные энергозатраты W на очистку единицы объема воды складывались из затрат электроэнергии на электрохимическую обработку воды W;3 и на работу компрессора Wk: 3 Wэ =- W = W3 + Wk [кВтч)/м IUt -пр V 10где I - сила тока, А; U - напряжение на клеммах электродов, В; тпр - время пропускания электрического тока через очищаемую воду, ч; V - объем заливаемой воды, м3; РК - мощность компрессора, Вт; 103 - переводной коэффициент из Вт в кВт. 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. 3. Исследование влияния времени отстаивания воды на степень очистки проводилось при постоянном соотношении начальных концентраций иона-комплексообразователя и удаляемого иона (5:1). Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 4. Эксперименты показали, что повышение соотношения начальных концентраций иона-комплексообразо-вателя и удаляемого иона металлов более чем 5:1 и времени отстаивания более 8 суток не приводят к существенному увеличению степени очистки воды от ионов. 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; - амперметр; 9 - вольтметр; 10 - шунт измерительный; 11 - осциллограф С1-83; 12 - автотрансформаторы Рис. 2. Схема электрохимического реактора: 1 - корпус; 2 - титановые электроды ОТ4-0; 3 - стальные электроды 12Х18Н10Т; 4 - пластины диэлектрические (оргстекло); 5 - трубки ПВХ; 6 - ресивер Рис. 3. Зависимость степени очистки воды от соотношения начальных концентраций иона-комплексообразователя и удаляемого иона (степень очистки воды от: 1 - кадмия; 2 - меди; 3 - никеля; 4 - хрома; 5 - железа) 8 150 Технологические процессы и материалы о 123456789 Время отстаивания воды, сутки Рис. 4. Зависимость степени очистки воды от времени отстаивания воды (степень очистки воды от: 1 - кадмия; 2 - меди; 3 - никеля; 4 - хрома; 5 - железа) При увеличении соотношения начальных концентраций от 1:1 до 5:1 степень очистки увеличивается для кадмия в 1,3 раза, меди - в 1,6 раза, никеля - в 1,4 раза, хрома - в 3,8 раза и железа - в 1,2 раза. При увеличении времени отстаивания воды от 1 до 8 суток степень очистки увеличивается от кадмия в 1,2 раза, меди - в 1,5 раза, никеля - в 1,5 раза, хрома -в 1,1 раза и железа - в 1,2 раза. 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-ком-плексообразователя и удаляемого иона 5:1 и отстаивании воды в течение 8 суток. При этом степень очистки воды равна: от кадмия - 63,3 %, от меди - 99,1 %, от никеля - 36,3 %, от хрома - 98,4 % и от железа -99,3 %. Удельные энергозатраты составляют W = 1,8 (кВт-ч)/м3. 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.

About the authors

Ivan Yakovlevich Shestakov

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: shestakov@sibsau.ru
Candidate of Engineering sciences, associate professor, associate professor of the Department of Computer Science and Telecommunications

Olesya Vladimirovna Rayeva

JSC Krasmash

Email: O.V.Raeva@yandex.ru
production engineer

References

Supplementary files