 |
Электрохимическое окисление и восстановление
|
|
|
|
Анодное окисление и катодное восстановление составляют осно- ву процесса электролиза, происходящего в электролизере. Электрохи- мическую обработку целесообразно применять при очистке концен- трированных органических загрязнений и небольших расходах сточ- ных вод. При этом из воды могут быть удалены цианиды, роданиды, амины, спирты, альдегиды, нитросоединения, сульфиды, меркаптаны, ионы тяжелых металлов Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+, Cr6+, As3+ и др. В процес- сах электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточной воде, полностью распадаются с образованием СО2, NH3 (или N2) и во-
ды или образуют простые и нетоксичные вещества, которые можно удалить другими методами. При электрохимическом восстановлении на катоде могут быть рекуперированы металлы.
В качестве анодов используют различные электролитически не- растворимые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносятся на титановую основу. В качестве катодов обычно применяют легированную сталь, сплавы вольфрама с железом или никелем, цинк, свинец. На аноде ионы отдают электроны, протека- ет реакция электрохимического окисления, на катоде происходит при- соединение электронов, идет реакция восстановления. Кроме основных процессов электроокисления и восстановления, одновременно могут протекать электрофлотация, электрофорез, электрокоагуляция.
Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов, которые могут образовывать взрывоопасные смеси (водорода и кислорода), применяют керамические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы, разделяющие катодное и анодное пространст- во.
Процесс анодного окисления осуществляется в электролитиче- ских ваннах, разделенных на несколько отсеков, в которых обрабаты- ваемые воды перемешиваются сжатым воздухом. При электролизе ще- лочных вод, содержащих цианиды (не менее 100 мг/л), на аноде проис- ходит окисление цианид-ионов с образованием цианат-ионов и даль- нейшим их электрохимическим окислением до конечных продуктов:
|
|
|
- - -
CN + 2OH - 2e ® CNO + H2O;
-
CNO
+
+ 2H2O ® NH 4
2-
+ CO 3
или
- -
2CNO + 4OH - 6e ® 2CO2 + N2 + 2H2O.
В целях повышения электропроводности сточных вод, снижения расхода электроэнергии и интенсификации процесса окисления в сточ- ные воды добавляют минеральные соли, чаще всего NaCl (до 30 г/л).
Катодное восстановление металлов происходит по схеме:
Men+ + ne ® Meo,
при этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперирова- ны. Например, реакция восстановления хрома протекает следующим образом:
|
+ 14H+
+ 12e ® 2Cr + 7H2O.
Частицы металла отрываются от катода под действием сил тяже- сти и оседают в нижнюю часть аппарата.
На процесс электролиза влияет анодная плотность тока (100- 150 А/м2), межэлектродное пространство (3 см для анодного окисле- ния), скорость движения воды, рН, конструкция электродов.
Различают плоские и объемные электроды. Последние имеют преимущество при проведении процессов извлечения металлов из сильно разбавленных по ионам металла растворов. Объемные электро- ды бывают пластинчатыми, объемно-пористыми и псевдоожиженны- ми. В электродах первых двух типов раствор проходит через каналы электродов из блока пластин или камеры, заполненной электропровод- ным материалом. Электроды третьего типа представляют собой под- вижные слои электропроводного дисперсного материала (графита, ме- талла), контактирующие с расположенными в объеме слоя токосбор- никами.
Эффект очистки рассмотренными методами составляет 80-100 %. Локальные установки по электрохимическому окислению и восстанов- лению применяются на предприятиях машиностроительной, приборо- строительной, химической, нефтехимической целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.
|
|
|
ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ
Процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разде- лении ионизированных веществ под действием электродвижущей си- лы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс ши- роко применяется для опреснения высокоминерализованных сточных вод. В последнее время его начали использовать для очистки произ- водственных сточных вод.
Электродиализ осуществляется в многокамерных электродиали- заторах под действием постоянного электрического тока, направленно- го перпендикулярно плоскости мембран. В простейшем случае элек- тродиализатор состоит из двух-трех камер, отделенных одна от другой диафрагмами. Одна мембрана - анионитовая, отделяет камеру, где по- мещают анод, другая катионитовая, камеру с котодом (рис.15.3).
Рис. 15.3. Схемы электродиализаторов с пористыми диафрагмами (а) и ионитовыми мембранами (б)
Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются аниони- товыми, а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. При этом на аноде выделяется кислород и образуется кислота, на катоде выделя- ется водород и образуется щелочь.
По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю. В случае ис- пользования инертных мембран за счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы Н+ и ОН -, образуя воду и замедляя процесс переноса ионов соли к соответствующим электродам.
Мембраны для электродиализа изготовляют в виде гибких листов прямоугольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол. Применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные состоят только из одной смолы и имеют малую механическую прочность; гетерогенные представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом - каучу- ком, полистиролом и др.
При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ио- нов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов. Катоды и аноды изготовляют из стойких к окислению материалов: платины, маг- нетита, графита, платинированного титана.
|
|
|
Обычно электродиализаторы для очистки воды состоят из 100- 200 камер с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мем- бранами. Расстояние между мембранами составляет 1-2 мм. Расход
энергии 7 кВт×ч/м3 при снижении солесодержания с 250 до 5 мг/л. Ос- новной недостаток процесса - концентрационная поляризация, приво- дящая к осаждению солей на поверхности мембраны и снижающая по- казатели очистки.
Технологические схемы электродиализаторных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготов- ки воды для очистки от взвешенных и коллоидных частиц; 2) собст- венно электродиализной установки; 3) кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха; 4) фильтров, загруженных активированным углем, бактерицидных установок.
Электродиализные опреснительные установки разделяются на прямоточные и циркуляционные. В одно- и многоступенчатых прямо- точных установках заданное опреснение воды происходит в процессе ее протекания через ячейки ванны. В циркуляционных – опресняемая вода пропускается через ячейки ванны до тех пор, пока содержание в ней солей не снизится до заданного, они бывают порционного и непре- рывного действия. Выбор установки осуществляется на основе техни- ко-экономических расчетов.
|
|
|
