VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Постоянное развитие человечества ухудшает состояние гидросферы. Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности социального общества в воде огромны и ежегодно они возрастают (составляет 3300-3500 км³). При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве. Также много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод. И более половины (70% от всей использованной человеком воды) в неочищенном виде.

С такой нагрузкой ни один водоем справиться не может, процент самоочищения в настоящее время ничтожно низок, и именно поэтому человек, который сам и загрязняет реки, моря и другие водоемы, должен максимально отчищать использованную им воду.

Очистка сточных вод - это обработка сточных вод с целью удаления из них вредных загрязняющих веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство, в нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода). Флотация – это способ механического разделения эмульсий и суспензий, основанный на накоплении частиц отделяемого вещества на поверхности раздела фаз газ (воздух) – жидкость [1].

Флотация является сложным физико-химическим процессом, который применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов «пузырек-частица», всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью [2]. Образование комплекса «пузырек-частица» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. Возможность образования флотационного комплекса «пузырек-частица», скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр – линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол θ, называемый краевым углом смачивания.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60 – 65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания θ. Чем больше угол θ, тем более гидрофобна поверхность частицы, таким образом, увеличиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15 –30 мкм, а максимальные 100 – 200 мкм. Таким образом, процесс флотации заключается в следующем – при сближении в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс «пузырек-частица» поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема элементарного акта флотации θ - краевой угол смачивания,

1-газовый пузырек, 2-частица примеси

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. [2] В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность частиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность. Энергия образования комплекса «пузырек-частица» вычисляется по формуле:

где σ — поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Для частиц, хорошо смачиваемых водой, θ стремится к нулю, следовательно, сosθ стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для не смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса «пузырек-частица» будет максимальной. Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфаты натрия.

Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала и равен 0,2 − 1,5 мм. В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая. Флотацию используют для выделения активного ила после биохимической отчистки. Достоинствами флотации являются:

• непрерывность процесса;

• широкий диапазон применения;

• небольшие капитальные и эксплуатационные затраты;

• простота аппаратуры;

• селективность выделения примесей;

• более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;

• возможность получения шлама более низкой влажности (90 − 95 %);

• высокая степень очистки (95 − 98 %);

• возможность рекуперации удаляемых веществ.

Интенсификация процесса флотации достигается гидрофобизацией поверхности извлекаемых примесей реагентами, которые, избирательно сорбируясь на поверхности частиц, понижают их смачиваемость, что улучшает процесс слипания дисперсий и коллоидов с пузырьками газа. В водоподготовке в качестве гидрофобизирующих реагентов применяют обычные коагулянты и флокулянты. После флотационной обработки осадок отработанных гидроксидов занимает значительно меньший объем и влажность его ниже, чем осадка, образующегося в отстойниках.

Известно много способов насыщения воды пузырьками газа (воздуха), среди которых по размерам диспергирования газа следует указать следующие:флотация с выделением воздуха из воды — напорные, эрлифтные и вакуумные установки;флотация с механическим введением воздуха — безнапорные (пенные), импеллерные и пневматические аппараты; флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходят образование пузырьков воздуха и агрегатов «пузырек-частица», а во втором − всплывание шлама (пены) и осветление жидкости [3].

1. Флотация с выделением воздуха из раствора

Флотация с выделением воздуха из раствора применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из перенасыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1 − 5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В зависимости от способа создания пузырьков различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

1.1 Вакуумная флотация

Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов «пузырек-частица» происходят в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму. Минимальны также энергозатраты на насыщение жидкости воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.

Недостатки метода:

— необходимость сооружения герметичных резервуаров;

— сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок;

—ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок (концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).

Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается воздухом в течение 1 − 2 мин в аэрационной камере 1 (рисунок 2), откуда она поступает в деаэратор 2 для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02 − 0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3, в которой растворившийся воздух при атмосферном давлении выделяется в виде пузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1м² площади поверхности около 200 м³/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной воды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы [3].

Рисунок 2 - Схема процесса вакуумной флотации с выделением воздуха из раствора:

I — подача сточной воды; II — отвод пены; III — отвод обработанной сточной воды.

1 - аэратор; 2 — деаэратор; 3 — флотационная камера; 4 — механизм сгребания пены

1.2 Напорная флотация

Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. Этот метод имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4 − 5 г/л и более. Для увеличения степени очистки в сточную воду добавляют коагулянты. Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5 − 10 раз меньше остаточное содержание загрязнений и имеют в 5 − 10 раз меньшие габариты.

Процесс осуществляется в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под повышенным давлением и выделение растворенного газа под атмосферным давлением.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5…10 до 1000…2000 м3/ч. Они работают при давлении в напорной емкости 0,17…0,39 МПа, время пребывания воды в напорной емкости составляет 10 − 15 мин, а во флотационной камере (емкости) 10…20 минут. Объем засасывания воздуха составляет 1,5…5% от объема очищаемой воды. В случае необходимости одновременного окисления загрязнений воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или азотом. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию подают инертные газы.

Рисунок 3 - Схема напорной флотации:

1 — емкость; 2 — насос; 3 — напорный бак; 4 — флотатор.

При напорной флотации (рисунок 3) сточные воды по трубопроводу насосом 2 подаются в напорный бак 3 (сатуратор) из приемного резервуара 1. На всасывающем трубопроводе имеется патрубок для подсоса воздуха. Сатуратор или напорная емкость служит для равномерного растворения воздуха в сточной воде. Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1 − 3 мин) при избыточном давлении 0,15 − 0,4 МПа. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3 − 5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода подается во флотационную камеру 4, где при атмосферном давлении растворенный воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники. Отвод пены осуществляется по линии III в верхней части флотатора. Осветленная вода отводится из нижней части флотатора. Площадь флотационной камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 6 − 10 м3/ч на 1 м2 площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин. Объем засасываемого воздуха составляет 1,5 − 5 % от объема очищаемой воды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений. При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м3/ч принимаются прямоугольные флотаторы в плане камеры глубиной 1 − 1,5 м, с расходом более 100 м3/ч — радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м.

Сточные воды, насыщенные воздухом, поступают во флотатор снизу через вращающийся водораспределитель. Выделяющиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом пена сгребается в лоток и удаляется. Обработанная вода отводится с днища и по вертикальным каналам переливается в отводящий кольцевой лоток. Пропускная способность радиального флотатора не должна превышать 1000 м3/ч [2].

Рисунок 4 - Радиальный флотатор:

1 — подача сточной воды на очистку; 2 — приемное отделение; 3 - флотационная камера;

4 — шламоприемник с выпуском; 5 — вращающийся водораспределитель; 6 — механизм

для сгребания пены; 7 — кольцевая перегородка; 8 - отвод очищенной воды; 9 — выпуск осадка

1.3 Эрлифтная флотация

Эрлифтные установки (Рисунок 5) применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Простота устройства и снижение затрат энергии при эрлифтной флотации на проведение процесса в 2 − 4 раза, по сравнению с напорной флотацией являются достоинствами способа. Но конструкция установки требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и флотационной камерой, что значительно сужает область применения этого метода. Сточная вода из емкости 1, находящейся на высоте 20 − 30 м, поступает в аэратор 3 по трубопроводу 2. Туда же подается сжатый воздух, который растворяется в воде под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу 4, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе 5. Образующаяся пена с частичками загрязнений удаляется самотеком или скребками. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку [2].

Рисунок 5 - Схема эрлифтной флотации:

1 – емкость; 2 – трубопровод; 3 – аэратор; 4 – труба эрлифта; 5 – флотатор.

1. Флотация с механическим диспергированием воздуха

Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию.

При перемещении струи воздуха в воде в последней создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллериых установках создает в ней большое числа мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины.

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод свысокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2…3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты, жиры. Импеллерную флотацию широко используют для процессов обогащения сырья и очистки сточных вод от веществ, легко переходящих в пену. Недостатком этого вида флотации является невозможность использования коагулянтов, так как при турбулентном перемешивании воды происходит разрушение хлопьев коагулянта.

На рисунок 6 приведена схема двухкамерной прямоточной флотационной установки. Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру, в который по трубке засасывается воздух. Над импеллером расположен статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснимателем. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка сточной воды [3].

Рисунок 6 - Двухкамерная прямоточная флотационная установка:

а — поперечный разрез; б — продольный разрез; 1— отбойники; 2 — флотационная

камера; 3 — вал импеллера; 4 — воздушная трубка; 5 — электродвигатель; 6 — пеносниматель; 7 — отверстия в статоре для внутренней циркуляции воды; 8 — статор; 9 —

импеллер; 10, 11 — соответственно приемный и выпускной карман

Степень диспергирования воздуха и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера. Чем выше скорость импеллера, тем меньше пузырьки и тем выше эффективность процесса. Однако при высоких скоростях резко возрастает турбулентность потока и может происходить разрушение хлопьевидных частиц, что приведет, наоборот, к снижению эффективности процесса очистки. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона обслуживания импеллера не должна превышать размеров квадрата со стороной равной шести диаметрам импеллера. Высота флотационной камеры Hф принимается равной 1,5 − 3 м, продолжительность флотации 15 − 20 мин.

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2 − 3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты и жиры. Недостатком импеллерной флотатации является относительно высокая обводненность пены. Особенно существенным этот недостаток становится существенным в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные ус-тановки для ее обработки, что увеличивает стоимость очистки в целом. Импеллерные флотационные установки широко используют при обогащении полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (при концентрации более 2 г/л).

2.1 Безнапорная флотация

Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безнапорные флотационные установки обычно применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти.

2.2 Пневматическая флотация

Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые расположены на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25 − 0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий сопел составляет 1 − 1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3 − 0,5 МПа, глубина флотатора принимается 3 − 4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100 − 200 м/с. Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит в пределах 15 − 20 м3/ч на м2 площади проходного сечения флотатора.

1. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается простотой

аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Величина отверстий должна быть 4…20мкм, давление воздуха 0,1…0,2 МПа, продолжительность флотации 20…30 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной воды до флотации 1,5…2 м. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

1. Биологическая и химическая флотация

Применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных вод образуется пена, имеющая обычно пленочно-структурное строение. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от характера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывающего шлама наиболее интенсивно идет в первые два часа, далее он замедляется, а после четырех часов практически прекращается полностью. Были выведены общие закономерности уплотнения пенного шлама для различных по составу сточных вод на основании анализа графиков уплотнения. Если за единицу принять объем шлама в момент времени, когда все пузырьки воздуха поднялись в пенный слой, что в проточных установках соответствует продолжительности флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1; 2; 3 и 4 ч составляет соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.

Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. В большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна. Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах некоторых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О2, СО2, Сl2 и др.) в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать к не растворенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревают паром в специальной емкости до 35 − 55 °С и при этих условиях выдерживают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвреживаются. Таким путем за 5 − 6 сут влажность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку. Ионная флотация – это процесс, который ведется следующим образом: в сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный по знаку заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пену удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцентрированные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и другие).

1. Электрокоагуляция

Одним из методов, уже нашедших себе широкое применение в практике очистки водных систем является электрообработка, которая позволяет улучшить с экологической точки зрения характеристики в широком диапазоне концентраций дисперсной фазы жидких систем.

Задачи, решаемые электрообработкой разнообразны, и определяются техническими целями: либо это разрушение дисперсной системы, с разделением ее фаз, либо выделение осадка с целью превращения его в углеводороды нефтяного ряда или утилизация с возможностью использования в дальнейшем в технологии строительства - производства строительных материалов, дорожного покрытия и т.д. Электрообработка является почти единственным методом концентрирования дисперсной фазы.

Эффективность электрообработки зависит как от параметров электрического поля, так и от физико-химических свойств обрабатываемой дисперсии. Эти свойства весьма разнообразны, и ими можно управлять, т.е. придавать дисперсной системе такие параметры, которые позволяют более эффективно влиять на нее электрическим полем. [6]

Электрокоагуляция применяется преимущественно для удаления из сточных вод мелкодисперсных нерастворимых примесей, образующих коллоидные растворы (золи или гели).Очистка промышленных стоков методом электрокоагуляции основана на их электролизе с использованием металлических (стальных или алюминиевых) растворимых анодов. Вследствие растворения анода вода обогащается ионами алюминия или железа, которые в нейтральной или слабощелочной среде образуют гидроокиси. (Ион Fe2+ образует гидрозакись, которая кислородом воздуха окисляется до гидроокиси Fe(OH)3.) В результате происходит коагуляция коллоидных растворов аналогично химической коагуляции с применением растворимых солей этих металлов. Однако при этом не происходит загрязнение воды сульфат- и хлорид-ионами, содержание которых в промстоках также регламентируется. При электрокоагуляции протекают также другие химические и физико-химические процессы, такие как

• электрохимическое окисление и восстановление органических примесей;

• катодное выделение металлов;

• химическое взаимодействие ионов железа и алюминия с фосфат или сульфид-ионами с образованием нерастворимых в воде солей;

• адсорбция органических соединений на поверхности осадков гидроксидов, обладающих значительной сорбционной способностью, особенно в момент образования;

• электрофлотация золей и эмульсий;

• электрофорез.

Комбинированное действие этих процессов приводит в ряде случаев к высокой степени очистки сточных вод от других, не подверженных коагуляции, загрязняющих веществ. Поэтому эффект оказывается более высоким, чем при обработке сточных вод растворами солевых коагулянтов.

Ограничением, препятствующим широкому применению электрокоагуляции в промышленности, является высокий расход металла и электроэнергии. Теоретически, для растворения 1 кг алюминия требуется 12 кВт·ч электроэнергии. Фактический расход электроэнергии оказывается в несколько раз выше за счет нагревания воды, поляризации электродов, преодоления сопротивления окисных пленок и ряда других причин. Металл анодов используется для коагуляции всего на 50 – 70 %, поэтому массовое внедрение электрокоагуляции для очистки сточных вод представляется преждевременным. Использование этого метода (как и других электрохимических методов) целесообразно, когда нет альтернативных путей с аналогичными технико-экономическими показателями.

Технологическая схема очистки сточных вод электрокоагуляцией показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема электрокоагуляционной установки:

1 — усреднитель; 2 — бак для приготовления раствора; 3 — источник постоянного тока; 4 — электрокоагулятор; 5 — отстойник; 6 — аппарат для обезвоживания осадка

Обезвоживание осадка проводят в фильтр-прессе или центрифуге. Замена отстойника на флотаторы позволяет значительно уменьшить габариты установки, сократить капитальные затраты и получить менее влажный осадок гидроксида.

Электрокоагуляционную очистку сточных вод можно использовать для очистки от эмульсий нефтепродуктов, масел, жиров (электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами). Эффективность очистки от нефтепродуктов составляет: от масел 54—68%, от жиров 92—99% при удельном расходе электроэнергии 0,2—3,0 Вт-ч/м³.

На практике наиболее широко используют безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть горизонтальным и вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными и смешанными.

1. Электрофлотация

Электрофлотация — один из наиболее интенсивно развиваемых процессов разделения веществ в водоочистке. Перспективность электрофлотации связана с образованием при электролизе воды высокодисперсных пузырьков газа, что позволяет извлекать гидрофильные частицы без применения реагентов — собирателей.

Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. [1]Основную роль в процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных особенностей. При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса.

Крупность пузырьков, выделяющихся в результате электролиза, зависит от условий их получения и составляет 0,015—0,2 мм, т. е. размеры практически не отличаются от размеров пузырьков, выделяющихся из пересыщенной жидкости.

Существенным преимуществом электрофлотации перед другими видами флотации является возможность неограниченного насыщения очищаемой жидкости пузырьками, а также простота осуществления процесса газонасыщения, что допускает (в отличие от напорной флотации) частые перерывы в этом процессе. Более того, возможность чередования периодов газонасыщения и пауз позволяет интенсифицировать флотационное извлечение примесей в условиях усиленного насыщения воды пузырьками газа в результате их порционной, или импульсной, подачи в жидкость.

Возможность неограниченного газонасыщения воды пузырьками высокой дисперсности позволяет использовать электрофлотацию для извлечения мелких частиц, а простота процесса газонасыщения обеспечивает ей существенные преимущества перед другими видами флотации при очистке малых количеств загрязненных вод.

Дополнительные преимущества возникают при использовании электрокоагуляции-флотации (ЭК-Ф), позволяющей одновременно осуществлять два процесса: изменение дисперсного состояния примесей в результате их коагуляции под действием электрического тока, ионов растворяющегося металла электродов или других продуктов электрохимических реакций в объеме электролита и закрепление пузырьков электролитического газа на поверхности скоагулированных частиц, что обеспечивает их последующую флотацию.

В то же время электрофлотационный метод, как и другие флотационные методы, имеет и недостаток, выражающийся в необходимости введения флотореагента для лучшего формирования пены в случаях, когда вода не содержит ПАВ в качестве загрязняющего компонента. Достаточно высокими являются и затраты электроэнергии, которая используется особенно неэффективно при низких исходных концентрациях загрязнений. Поэтому технологию электрофлотационной очистки целесообразно использовать в комплексе с экологически чистыми и ресурсосберегающими биологическими методами. [5]

В настоящее время интенсивно развивается направление, изучающее воздействие ультразвука на различные технологические среды и повышение эффективности технологических процессов.

Воздействие ультразвука на среду порождает большое количество специфических эффектов, среди которых необходимо выделить явление ультразвуковой (акустической) кавитации в жидкости. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. При распространении в жидкости ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности возникает переменное звуковое давление. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки называются кавитационные, а само явление - УЗ кавитация. [4]

Явление УЗ кавитации используется чрезвычайно разнообразно: его применяют для получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения вредоносных микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов, очистки деталей машин и механизмов, диспергирования твёрдых тел и жидкостей.

Различают распыление низкочастотными (22….200 кГц) и высокочастотными (1…3 МГц) УЗ колебаниями. Первый способ наиболее приемлем для промышленного применения, т.к. он обладает большей производительностью, а размеры капель формируемого аэрозоля в большинстве случаев удовлетворяют заданным условиям. В частности, распыление жидкостей с высокой вязкостью возможно исключительно низкочастотными УЗ колебаниями из-за аномально высокого затухания высокочастотных колебаний в таких средах.

С помощью высокочастотных (1…3 МГц) УЗ колебаний осуществляют распыление «в фонтане», как правило, на частотах 1,7 МГц или 2,4 МГц. Данный способ применен в современных ингаляторах, где раствор медицинских лекарств превращается в высококачественный аэрозоль. В последние годы в России появилось большое количество бытовых (домашних) увлажнителей воздуха, а также декоративных установок типа «туман из фонтанчика» - все они работают по принципу УЗ распыления «в фонтане». Суть данного явления следующая. Если УЗ волна интенсивностью порядка 5…10 Вт/см² направлена из толщи жидкости к поверхности, то в месте выхода волны на поверхности жидкости наблюдается характерное явление – так называемый «ультразвуковой фонтан», высотой от 1…2 см; причём, в определённых условиях, одновременно с фонтанированием жидкости происходит её распыление с образованием стойкого мелкодисперсного аэрозоля (рисунок 8). Аэрозолеобразование происходит в верхней части фонтана в силу наличия в нём развитой УЗ кавитации. Под действием гидравлических ударов при захлопывании кавитационных пузырьков, на поверхности УЗ фонтана возбуждаются стоячие капиллярные волны, от которых происходит отделение капель, и формируется аэрозоль.

Рисунок - 8 Ультразвуковой фонтан

Заключение

УЗ распыление жидкостей является одним из перспективных направлений УЗ технологий. Основным преимуществом данного способа распыления, по сравнению с традиционными, является низкая энергоемкость и высокая производительность процесса.

Исследование явление ультразвуковой (акустической) кавитации и возможность его применения в технологиях флотации для очистки вод от загрязнений – является перспективным для дальнейшего изучения.

Литература

1. Новиков, А.В. Улучшение качества природных и очистка сточных вод: учебное пособие / А.В. Новиков, Ю.Н. Женихов. Ч.1. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2006. C.47,83

2. Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы): Учебное пособие. / Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2004. – C.167-168.

3. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие. / Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. – С.76.

4. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. Учебное пособие. / М.: Изд-во "Машиностроение", 2004. - С.30.

5. Золотухин И.А. Защита водных ресурсов от загрязнения стоками угольной промышленности методами электрофлотации и биофильтрации. Диссертация доктора технических наук. / Пермь, 2002г. – 358c.

6. Завьялов В.В. Исследование процессов электрокоагуляционной доочистки питьевых вод. Диссертация кандидата технических наук./ Тюмень, 2004г. – 141c.

Код для цитирования: Скопировать